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Schüttgut besser analysieren

10 Fehler bei der Partikelanalyse

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6. Unterschätzte Toleranzen

Jedes Messgerät hat gewisse systematische Unsicherheiten und Toleranzen, die bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden müssen. Dies soll hier am Beispiel der Siebanalyse verdeutlicht werden. Analysensiebe aus Drahtgewebe werden gemäß der Normen DIN ISO 3310-1 bzw. ASTM E11 gefertigt. Diese Normen legen fest, wie die reale Maschenweite jedes Siebes zu prüfen ist. Jedes Analysensieb wird vor der Auslieferung mit einem optischen Verfahren inspiziert und eine festgelegte Anzahl an Maschen wird vermessen. Der Mittelwert der gemessenen Öffnungsweite muss innerhalb vorgeschriebener Toleranzen um die nominelle Maschenweite liegen. Bei einem Sieb der nominellen Maschenweite von 500 µm muss der Mittelwert der realen Maschenweite in einem Intervall von ±16,2 µm liegen. Ein normgerechtes Sieb kann also eine mittlere Öffnungsweite von 483,8 bis 516,2 µm haben. Entscheidend ist hierbei, dass dies Mittelwerte sind, einige Öffnungen können noch größer sein und damit entsprechend große Partikel das Sieb passieren lassen. Daher ist in der Norm auch die maximal zulässige Öffnungsweite für jede Siebgröße definiert. Kalibrierzertifikate sind für jedes Sieb erhältlich. Diese enthalten Angaben über die realen Maschenweiten und deren statistische Verteilung.

7. Überschätzen von Empfindlichkeit

Eine häufige Aufgabe in der Partikelanalyse ist die Detektion von Überkorn, also einer geringen Menge von Partikeln, die größer sind als die Hauptmenge der Verteilung. Hier spielt die Empfindlichkeit des Messverfahrens eine entscheidende Rolle. Bildgebende Verfahren bieten den Vorteil, dass jedes erfasste Partikel ein „Messerereignis“ repräsentiert und somit auch im Ergebnis abgebildet wird. Dadurch lassen sich beispielsweise mit dem Camsizer X2 Gehalte an Überkorn von weniger als 0,02 % nachweisen. Bei der Laserbeugung handelt es sich um ein Kollektivmessverfahren, d. h. es wird ein Streulichtsignal ausgewertet, das von allen Partikeln gleichzeitig erzeugt wird. Die Beiträge der einzelnen Partikelgrößen überlagern sich und über ein iteratives Verfahren wird die Größenverteilung berechnet. Bei geringer Menge von Überkorn ist der Beitrag dieser Partikel nicht ausreichend (Signal/Rauschverhältnis), um im Ergebnis aufzutauchen. Für eine sichere Detektion von Überkorn mit Laserbeugung sollte der Anteil > 2 % liegen. Der Laserbeugungsanalysator Sync von Microtrac bietet wesentlich bessere Erkennungsmöglichkeiten für Überkorn, da er über eine eingebaute Kamera verfügt, die Überkorn mit großer Detektionswahrscheinlichkeit erfasst.

8. Falsche Dichteverteilung

Partikelgrößenverteilungen lassen sich auf verschiedene Weisen grafisch darstellen, mit der Partikelgröße jeweils auf der x-Achse. Intuitiv leicht zugänglich ist die Histogramm-Darstellung, bei der die Balkenbreite der Unter- und Obergrenze der Messklasse entspricht und die Höhe der Menge an Partikeln in dem jeweiligen Größenintervall. Diese Größenintervalle sind oft durch Fähigkeiten und Auflösung des verwendeten Messsystems bestimmt. Bei einem Siebturm von acht Sieben entstehen neun Größenklassen (der Sieb-Boden zählt mit), Bildanalysatoren können mehrere Tausend Messklassen liefern, Laseranalysatoren je nach Detektorkonfiguration 64-150.

Mehr Informationsgehalt bietet hier die Summenkurve, die die Aufsummierung der Mengen in jeder Messklasse abbildet. Dadurch entsteht eine von 0 % auf 100 % kontinuierlich ansteigende Kurve. Zu jedem x-Wert (Größe) lässt sich auf der Summenkurve die Menge an Partikeln ablesen, die kleiner als x sind. Außerdem zeigt die Summenkurve direkt Perzentile, wie den d50 (Median).

Bei vielen Anwendern ist die Darstellung als Verteilungsdichte beliebt, oft lapidar und fälschlicherweise als „Gauß-Kurve“ bezeichnet. Bei der Verteilungsdichte handelt es sich um die erste Ableitung der Summenkurve. Wo die Summenkurve steil ansteigt, hat die Dichteverteilung ein Maximum, wo die Summenkurve flach verläuft, hat die Dichteverteilung ein Minimum. Wichtig ist hierbei, dass eine echte Dichteverteilung die Steigung der Summenkurve abbildet. Es muss also die Menge in der Messklasse durch die Klassenbreite geteilt werden. Die Dichteverteilung wird umso genauer, je mehr Messklassen zur Verfügung stehen. Das Vorgehen, die Balken des Histogramms durch eine „Ausgleichskurve“ zu verbinden ist falsch und liefert keine Dichteverteilung. Aufgrund des geringen Informationsgehaltes und der Fehleranfälligkeit der Dichteverteilung sollte zugunsten einer Summenverteilung auf diese verzichtet werden.

9. Verteilungsarten (Anzahl, Volumen, Intensität)

Ergebnisse einer Partikelanalyse werden üblicherweise in Prozent angegeben, entweder als Prozent pro Messklasse oder Anteil größer bzw. kleiner als eine bestimmte Größe x. Allerdings können diese Prozentwerte unterschiedliche Bedeutungen haben. Es macht nämlich einen gewaltigen Unterschied, ob diese Angaben sich auf Masse, Volumen oder Anzahl beziehen. Welche Verteilungsart vorliegt, hängt wiederum von dem verwendeten Messsystem ab.

Bei der Siebanalyse werden durch Rückwaage die Gewichte der Probe in jeder Fraktion ermittelt und in Prozentwerte umgerechnet. Es handelt sich also um Massen-%. Diese sind mit einer volumenbezogenen Verteilung identisch, sofern keine Dichteunterschiede zwischen Partikeln unterschiedlicher Größe vorliegen. Andere Verfahren, wie z. B. Handmessung mit einer Schieblehre, liefern anzahlbasierte Verteilungen, die auf der Anzahl der Partikel in jeder Messklasse basieren. Der Unterschied zwischen anzahl- und massen-/volumenbasierten Verteilungen ist in Abbildung 6 verdeutlicht. Bei Volumenverteilungen werden große Partikel stärker gewichtet, bei Anzahlverteilungen kleine Partikel.

Abb.6: Unterschied zwischen anzahl- und massenbezogener Verteilung am Beispiel von vier unterschiedlichen Mahlkugelgrößen. In der volumen- oder massenbezogenen Verteilung (p3) sind alle Fraktionen mit 25 % in gleichem Anteil vorhanden. Da die Anzahl mit steigender Partikelgröße abnimmt, sind die anzahlbezogenen Anteile (p0) in den der kleinen Mahlkugeln höher.
Abb.6: Unterschied zwischen anzahl- und massenbezogener Verteilung am Beispiel von vier unterschiedlichen Mahlkugelgrößen. In der volumen- oder massenbezogenen Verteilung (p3) sind alle Fraktionen mit 25 % in gleichem Anteil vorhanden. Da die Anzahl mit steigender Partikelgröße abnimmt, sind die anzahlbezogenen Anteile (p0) in den der kleinen Mahlkugeln höher.
(Bild: Mictrotrac Retsch)

Laserbeugung bezieht alle Signale auf eine wirkungsgleiche Kugel und liefert somit volumenbasierte Verteilungen. Da hier ein Kollektivsignal und keine Einzelereignisse ausgewertet werden, kann Laserbeugung keine Anzahlverteilungen ermitteln. Anders sieht es bei Einzelpartikelmessverfahren wie der Bildanalyse aus. Hier sind die Messdaten primär anzahlverteilt. Während bei mikroskopischen Verfahren (statische Bildanalyse) oft mit Anzahlverteilungen gearbeitet wird, ist es bei der dynamischen Bildanalyse üblich, in Volumenverteilungen umzurechnen. Da Bildanalyse verschiedene Größendefinitionen erfasst, ist es hier zuverlässig möglich, diese Umrechnung mit einem geeigneten Volumenmodell (meist ein prolates Rotationsellipsoid) vorzunehmen. Dadurch werden Bildanalysedaten mit Siebdaten oder Laserbeugung vergleichbar. Ergebnisse der Laserbeugung in Anzahlverteilungen umzurechnen ist auch möglich, da hier aber nur ein einfaches Kugelmodell zur Verfügung steht, ist dies weniger genau und es sollte nach Möglichkeit mit der Volumenverteilung gearbeitet werden.

Einen Sonderfall stellt die dynamische Lichtstreuung (DLS) dar. Hier werden Partikelgrößen entsprechend ihres Beitrags zur gesamten Streuintensität gewichtet. Dies führt dazu, dass große Partikel in dem Ergebnis stark repräsentiert sind, denn die Streuintensität steigt mit der Größe um den Faktor 106. Das bedeutet, dass ein 100-nm-Teilchen eine Million Mal mehr Photonen streut als ein 10-nm-Partikel. Bei der DLS ist es üblich, Verteilungen in „volumenbasiert“ umzurechnen, es muss aber bei der Interpretation der Ergebnisse darauf geachtet werden, welche Verteilungsart verwendet wurde.

10. Arbeiten ohne SOPs

Wie bei allen anderen analytischen Verfahren, so ist auch bei der Partikelmessung eine einheitliche, standardisierte Vorgehensweise die Voraussetzung für konsistente und aussagekräftige Messergebnisse. Solche SOPs (Standard Operating Procedures) garantieren immer gleiche, festgelegte Messabläufe und Arbeitsschritte. Voraussetzung ist, dass alle Geräteeinstellungen von der Software gespeichert werden und abrufbar sind. Eine SOP umfasst aber mehr als nur Geräteeinstellungen. Hier sollten auch Vorgaben zur Probennahme, Probenteilung, Probenvorbereitung und Auswertung genau spezifiziert werden. Es empfiehlt sich, möglichst genaue Arbeitsanweisungen zu erstellen, um die gleichbleibende Qualität der Messergebnisse garantieren.

Fazit

Abb. 7: Das Produktprogramm von Microtrac MRB für die Partikelgrößen- und Partikelformanalyse umfasst Techniken wie die Dynamische Bildanalyse, Laserbeugung und Dynamische Lichtstreuung.
Abb. 7: Das Produktprogramm von Microtrac MRB für die Partikelgrößen- und Partikelformanalyse umfasst Techniken wie die Dynamische Bildanalyse, Laserbeugung und Dynamische Lichtstreuung.
(Bild: Microtrac Retsch)

Bei der Partikelanalyse kommen verschiedene Methoden zum Einsatz, am häufigsten sind Laserbeugung, dynamische Bildanalyse und Siebanalyse. Eine erfolgreiche Analyse und aussagekräftige Ergebnisse erreicht man nur dann, wenn auch vorbereitende Arbeitsschritte wie Probennahme, Probenteilung und Probenvorbereitung korrekt ausgeführt wurden. Die Auswahl der für das Probenmaterial geeigneten Methode und eine sinnvolle Auswertung der Messdaten führen schließlich zu einer erfolgreichen Partikelanalyse.

Microtrac MRB zählt zu den führenden Anbietern von Partikelmesstechnik aus den Bereichen Laserbeugung und dynamische Lichtstreuung sowie statische und dynamische Bildanalyse und bietet das komplette Portfolio für die Partikelcharakterisierung aus einer Hand.

* K. Düffels, Microtrac Retsch, 42781 Haan

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