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Partikelgrößenverteilung mit Kameraunterstützung Partikel im Spotlight

Autor / Redakteur: F. Schleife, M. Grund* / Christian Lüttmann

Die Analyse von Pulvern und Dispersionen mittels statischer Lichtstreuung hat sich als Standardverfahren bewährt. Doch breite Größenverteilungen sowie die Detektion von Überkornanteilen bereiten mitunter Probleme. Ein ergänzendes Kamerasystem kann hier helfen und zusätzlich wertvolle Informationen über Formeigenschaften liefern.

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Abb.1: Die neue Kombitechnologie des Bettersizer S3 Plus mit DLOIS- und CCD-Kameratechnik
Abb.1: Die neue Kombitechnologie des Bettersizer S3 Plus mit DLOIS- und CCD-Kameratechnik
(Bild: 3P Instruments)

Es surrt und ruckelt, dann lässt der Drucker das Foto aus dem Ausgabefach. Damit wir Bilder in Fotoqualität drucken können, müssen die Farbpartikel in den Tinten möglichst klein sein. Doch nicht nur für die Auflösung von Druckern ist die Größenverteilung von Partikeln relevant. Sie wirkt sich auf die Viskosität von Dispersionen und Pasten aus, beeinflusst das chemische und physikalische Verhalten von Nanopartikeln und das Gefährdungspotenzial von Stäuben (z.B. durch Lungengängigkeit).

Die statische Lichtstreuung

Die präzise Bestimmung der Partikelgrößenverteilung von Pulvern und Dispersionen ist also eine essenzielle Aufgabe der Analytik. Ein wichtiges Standardverfahren ist die statische Lichtstreuung. Sie findet in vielen physikalischen Laboren Anwendung. Die Applikationen reichen von der Charakterisierung pharmazeutischer Wirkstoffe über kosmetische Produkte, Farben und Tinten bis zu Polymeren, Metallen, Baustoffen und keramischen Materialien. Die Vorteile des Verfahrens liegen u.a. in der kurzen Messdauer, der hohen Reproduzierbarkeit, dem breiten Messbereich sowie der guten Automatisierbarkeit.

Wie alle Methoden zur Partikelgrößenmessung weist jedoch auch dieses Verfahren bestimmte methodische Schwächen auf. So nutzt die statische Lichtstreuung ein mathematisches Fit-Verfahren. Die Streuspektren des Laserlichtes werden an den Partikeln über einen bestimmten Winkelbereich gemessen. Die Anpassung des berechneten Spektrums an das gemessene erfolgt entweder nach der Mie- oder der Fraunhofer-Theorie. Dabei liegt jeweils die Annahme zugrunde, dass es sich bei den Partikeln um ideale Kugeln handelt, was in den seltensten Fällen zutrifft. Die klassische Laserbeugung liefert demnach keine Aussage über die Form der gemessenen Partikel.

Eine weitere potenzielle Schwäche ist die exakte Charakterisierung breit verteilter Partikelkollektive. Meistens werden im Grobbereich Anteile aus statistischen Gründen gar nicht oder nur sehr ungenau gefunden, da die anzahlmäßig wesentlich häufiger vorkommenden mittelgroßen und kleinen Partikel statistisch dominieren. Zudem stellt die Tatsache, dass grobe Partikel das Licht ausschließlich in Vorwärtsrichtung streuen, gerätetechnisch eine große Herausforderung dar. Diese wird insbesondere dann deutlich, wenn gleichzeitig sehr wenig grobe und extrem viele kleine Partikel innerhalb einer Probe gemessen werden sollen.

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Kurzinterview mit Dr. Dietmar Klank, Geschäftsführer von 3P Instruments

LP: Herr Dr. Klank, was ist ein typisches Problem bei der Bestimmung von Partikelgrößenverteilungen?

Dr. Dietmar Klank: Oft wird das Wesen der Partikelgröße nicht richtig erfasst. Wie groß ist ein plättchenförmiges Partikel? Dies ist nicht mit einer einzigen Maßzahl anzugeben – Länge, Breite und auch die Dicke verursachen bestimmte Partikeleigenschaften.

LP: Welche Entwicklungsfelder sehen Sie auf dem Gebiet der Partikelanalyse?

Dr. Klank: Es geht in verschiedene Richtungen, z.B. Inline- und Online-Techniken. Besonders im industriellen Bereich ist es natürlich wünschenswert, Partikel direkt im Reaktor zu charakterisieren. Für Laborgeräte hat aber gerade die parallel zur Laserbeugung installierte dynamische Bildanalyse ein neues Tor geöffnet.

LP: Können Sie Neueinsteigern einen Tipp auf den Weg geben?

Dr. Klank: Sie sollten einfach viel nach links und rechts schauen. Manche Aufgabenstellungen erfordern mehr als die Bestimmung der Partikelgröße, z.B. eine umfassende Pulveranalyse mit Schütt- und Stampfdichte, Böschungswinkel, Schüttporosität oder der BET-Oberfläche.

Mit Kameraunterstützung

Eine Ergebnisunsicherheit im Grobbereich kann deutliche Auswirkungen auf die Bewertung einer technischen Pulvermischung haben. Besonders die Aussage über die maximale Partikelgröße ist relevant, da Überkorn bei technischen Anwendungen wie nanopartikulären Beschichtungen zu Qualitätseinbußen führen kann. Problematisch ist auch, wenn verschiedene Messgeräte unterschiedliche Aussagen zur Partikelgrößenverteilung liefern. In solchen Fällen wäre es vorteilhaft, eine zusätzliche Methode zur Klärung verfügbar zu haben. Hier bietet das Unternehmen 3P Instruments eine Lösung: In dem Bettersizer S3 Plus (s. Abb. 4) ist eine dynamische Bildanalysefunktion ins Messsystem integriert, welche mit zwei ultraschnellen, hochauflösenden CCD-Kameras wesentliche Partikelinformationen bis zu Partikeldurchmessern von 3500 µm liefern kann. Auf diese Weise sind Überkörner im Gesamtpartikelkollektiv nicht nur per Laserbeugung zu messen, sondern können parallel dazu auch durch Aufnahme der Einzel­partikelbilder visualisiert werden.

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In der weiteren statistischen Auswertung der Bilder sind die Berechnung üblicher Formparameter, wie der Teilchenausdehnung oder der Zirkularität der Partikel möglich. Viele Pulvereigenschaften lassen sich durch diese Zusatzinformationen erklären, wenn z.B. mit Bildern nachgewiesen wird, wie stark bestimmte Partikelfraktionen von der idealen Kugelform abweichen oder ob doch eine geringe Fraktion an Überkorn vorliegt.

Neue Technik im Praxistest

Welchen Effekt die Kombination von statischer Lichtstreuung und dynamischer Bildanalysefunktion auf die Qualität der Messergebnisse hat, zeigt ein Vergleichstest. Im firmeneigenen Laboratory for Scientific Particle Analysis wurde dafür der neue Bettersizer S3 Plus (s. Abb. 1) mit dem klassischen Gerätemodell CILAS 1090 L ohne Kameraunterstützung verglichen. Zu diesem Zweck wurden drei verschiedene Quarz-Sande (F1, H2 und T3) mit beiden Messgeräten einzeln und in Mischungen gemessen.

Bei den Quarzmaterialien handelt es sich um drei unterschiedlich grobe Pulver mit mittleren Teilchendurchmessern von ca. 3 µm, 10 µm und 40 µm. Die Mischungen wurden über eine exakte Einwaage der Pulveranteile sowie anschließender Vordispergierung in Wasser in der Nassdispergiereinheit der beiden Messgeräte realisiert. Exemplarisch sind in diesem Artikel lediglich die Resultate der 3-Komponentenmischung 1:1:1 des CILAS 1090 L (s. Abb. 2) und des Bettersizer S3 Plus (s. Abb. 3) im Vergleich zu den Einzelmessungen der Basispulver dargestellt.

Alle Proben wurden direkt in Wasser dispergiert und mit dem internen Ultraschall der Dispergiereinheiten 60 Sekunden behandelt, um etwaige Agglomerate zu eliminieren. Als Auswertemodell diente die Mie-Theorie mit dem komplexen Brechungsindex-Paar (Partikel; Dispergiermedium) RI 1,54 bis 0,01; 1,33.

Ergebnisse und Diskussion

Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die Messungen der reinen Pulverkomponenten sowie der entsprechenden 1:1:1-Mischung. Wie zu erkennen ist, können beide Messgeräte die 3-Komponentenmischung abbilden, wobei die Peakmaxima der reinen Pulver bei beiden Messgeräten gut mit denen der Partikelgrößenverteilung der Mischung korrelieren. Deutliche Unterschiede ergeben sich jedoch ab 100 µm. Während die Messungen des reinen Pulvers T3 bei beiden Laserbeugern bis ca. 200 µm verlaufen, detektiert das CILAS 1090 L in der Mischung keine Grobanteile größer 100 µm mehr. Im Gegensatz dazu misst der Bettersizer S3 Plus diese Grobanteile bis 200 µm mit der reinen Laserbeugungsmethode.

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Tab.1: Beispiele von Grobpartikeln ab 100 µm, aufgenommen durch die CCD-Kamera des Bettersizer S3 Plus während der Laserbeugungsanalyse der Gemischprobe (D(equ): Äquivalentdurchmesser, L: Partikellänge, B: Partikelbreite)
Tab.1: Beispiele von Grobpartikeln ab 100 µm, aufgenommen durch die CCD-Kamera des Bettersizer S3 Plus während der Laserbeugungsanalyse der Gemischprobe (D(equ): Äquivalentdurchmesser, L: Partikellänge, B: Partikelbreite)
(Bild: 3P Instruments)

Während es sich auch bei den Ergebnissen in Abbildung 2 um reine Laserbeugungsergebnisse handelt, wurden parallel zur eigentlichen Messung Partikelbilder aufgenommen. In Tabelle 1 sind in der Reihenfolge der erfassten Partikelflächen 15 Beispielpartikel größer 100 µm mit Länge, Breite und Zirkularität jedes Einzelpartikels aufgeführt. Diese Zusatzinformationen erhöhen die Messsicherheit und geben zudem Einblicke in die Formverteilung der Partikelprobe.

Wie das Verfahren der dynamischen Bildanalyse des Bettersizer S3 Plus funktioniert, ist in Abbildung 1 dargestellt. Dort ist auch zu erkennen, dass die Bildanalyse mit der ebenfalls neu entwickelten optischen Doppellinsentechnik (DLOIS) kombiniert ist. Wesentliche Charakteristika dieser Einlasertechnik sind der schräge Einfall des Laserlichtes sowie die Positionierung der zwei Fourierlinsen jeweils vor und hinter der Messzelle. Hierdurch wird die Aufnahme eines kontinuierlichen Streuspektrums über einen sehr breiten Winkelbereich (0,02 bis 165°) ermöglicht und damit eine sehr hohe Auflösung der Größenverteilung des zu untersuchenden Partikelkollektives gewährleistet. Neben dem Winkelbereich wird die Auflösung einer Messung auch durch die Detektoranzahl bestimmt. Dem Bettersizer stehen in Vorwärtsrichtung mit 82 Detektoren ungefähr doppelt so viele Detektoren zur Verfügung wie beim bisher in den firmeneigenen Laboren eingesetzten Lasergranulometer.

Fazit

Grundsätzlich konnten die untersuchten Basispulver und deren Mischungen im Praxistest mit beiden Messgeräten stabil und mit sehr guter Gerätereproduzierbarkeit hinsichtlich der Partikelgrößenverteilung gemessen werden. Der Bettersizer S3 Plus führte bei breitverteilten Pulvermischungen allerdings zu konsistenteren Ergebnissen im Grobbereich. Vorteilhaft ist bei der neuen Messtechnik neben der deutlich höheren Anzahl an Detektoren und der innovativen DLOIS-Technik insbesondere die Zuschaltmöglichkeit von zwei CCD-Kameras. Dadurch ist zusätzlich zur reinen Laserbeugungsmessung die Erfassung einer großen Anzahl von Partikelbildern an exakt der gleichen Probe möglich.

Den Gerätenutzern steht nun eine Messtechnik zur Verfügung, die durch unabhängige Bildanalyse das Vorhandensein von Partikeln in bestimmten Korngrößenklassen verifizieren kann. Die Messsicherheit und Interpretationsbasis der Messergebnisse kann mit dem Bettersizer S3 Plus deutlich erhöht werden. So wird durch Kombination der beiden Verfahren „statische Lichtstreuung“ und „dynamische Bildanalyse“ eine bestmögliche Charakterisierung der Partikelgrößenverteilung ermöglicht.

* Dr. Frederik Schleife, Michelle Grund, 3P Instruments, 85235 Odelzhausen

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