Pět praktických kroků k úspěšné laserové difrakci

1. Příprava vzorku

Správná příprava vzorků je základem pro přesné výsledky laserové difrakce. Začíná to dobrým reprezentativním odběrem vzorků. U nehomogenních sypkých materiálů může proces komplikovat segregace hmoty. Vnější síly, jako je přeprava nebo vibrace, mohou vtlačit menší částice do meziprostorů, kde se shromažďují na dně nádoby. Alternativně mohou síly vznikající při plnění nebo podávání způsobit, že se velké částice shromažďují na dně nádoby. Problém lze řešit opětovným promícháním nebo odběrem dílčích vzorků z více míst. Nejlepším řešením pro minimalizaci chyb v následných měřeních velikosti částic je však rozdělení vzorků. Obrázek 1 ukazuje kvalitativní rozdíly na základě techniky odběru vzorků.

Obrázek 1 popisuje kvalitativní rozdíly spojené s různými technikami odběru vzorků. Špatný odběr vzorků má obrovský vliv na následnou analýzu velikosti částic. Rozdělení vzorků pomocí zařízení jako Retsch PT100 je preferovanou laboratorní praxí pro získání opakovatelných a reprodukovatelných dat. Hlavní výhodou SYNC je jednoduchá výměna mokrých a suchých dodávacích modulů bez použití nástrojů. FLOWSYNC nabízí širokou škálu chemické kompatibility a volitelnou interní ultrazvukovou sondu.

Mokrá měření

Mokré měření může být složité, protože existuje celá řada možností výběru dispergátorů, míchadel a postupů. Společnost Microtrac vydala příručky, které pomáhají při výběru nosné kapaliny a dispergaci a stabilizaci vzorků. Obrázek 2 ukazuje základní disperzní zkoušku pro 5mikronový grafitový prášek. Zpočátku se může zdát, že vhodnou volbou bude isopropanol, ale všimněte si přilnavosti aglomerátů ke stěnám kádinky. Vzorkovnice je vyrobena z podobného složení skla jako kádinka, takže si můžeme představit, že tato disperze snadno znečistí kádinku. Důležité je také všimnout si hlubokého účinku neiontového roztoku povrchově aktivní látky, který smáčí grafit a vytváří stabilní disperzi. Volitelná sonikační sonda uvnitř dráhy kapaliny FLOWSYNC pomáhá udržovat stabilitu vzorku během experimentu. Nakonec musí uživatelé vzít v úvahu hustotu částic a jejich předpokládanou velikost, protože ty se používají k určení efektivního průtoku pro plně účinnou recirkulaci. Například síly kapaliny pro urychlení submikronových polymerů jsou výrazně menší než u větších a hustších kovových prášků.

Suchá měření

V některých případech neexistuje vhodná kapalina, částice mají sekundární strukturu, jako jsou granule, nebo by výsledky byly pro uživatele smysluplnější, pokud by byly materiály měřeny v suchém stavu. TURBOSYNC má podobné zveřejněné pokyny pro optimalizaci metodiky. Výběr disperzních tlaků a množství vzorků je zjednodušen, takže úspěšná měření jsou možná s čímkoli od jemného statického až po velký sypký prášek. Obrázek 3 ukazuje příklad tlakové titrace provedené na jemném skleněném prášku. Aplikační specialisté Microtrac spolupracují s koncovými uživateli a radí jim s přípravou vzorků na základě jejich cílů nebo očekávání.

Obrázek 3 ukazuje rozložení velikosti částic pro různé podmínky disperze jemného skleněného prášku. Suché měření 500 mg při disperzi 0 psi (červená), 100 mg při 0 psi (zelená), 100 mg při 1,5 psi (oranžová) a mokré měření (modrá). Podobnost žluté a modré křivky naznačuje, že tlak 1,5 psi je preferovaným nastavením.

2. Parametry softwaru

Laserové difrakční analyzátory Microtrac vytvářejí rozložení velikostí na základě inovativní modifikované Mieovy teorie rozptylu. Základní informace o měřených částicích a nosné kapalině se zadávají do výpočtu rozložení velikostí částic. Tento algoritmus poskytuje přesné údaje jak pro sférické, tak pro nepravidelné částice a zohledňuje různé režimy interakce laserového světla s pevnými látkami.

Obrázek 4 ukazuje základní softwarové vstupy v programu DIMENSIONS LS.

Například DIMENSIONS LS architekt metody je přizpůsobitelný pro sférický kovový prášek pro 3D tisk nebo nepravidelnou průhlednou aktivní farmaceutickou složku. V softwaru je zabudován obsáhlý referenční seznam indexů lomu pro pevné látky a kapaliny. K dispozici jsou také možnosti zadávání vlastních hodnot, včetně adsorpčních koeficientů. Výpočetní pracovní prostor softwaru umožňuje uživatelům porovnávat různé modely tvaru a průhlednosti na základě existujících dat. Tato funkce šetří čas a poskytuje zpětnou vazbu pro doladění metod nebo pro složitější analýzy. Software také indikuje, kdy je síla signálu dostatečná a kdy byl přidán dostatečný počet vzorků. Existují snadno použitelné pokyny pro „index zatížení“, který je analogický množství zastínění laserového světla pevnými látkami.

3. Interpretace výsledků laserové difrakce

Interpretace výsledků laserové difrakce může být náročná, zejména pro ty, kteří s touto technikou začínají. Rozložení velikosti částic lze znázornit různými způsoby. Grafická a tabulková forma mohou zobrazovat kumulativní nebo frekvenční rozložení velikostí částic. S základními možnostmi počtu, plochy a objemu je důležité zachovat všechny faktory v kontextu pro porovnání dat, hodnocení řízení procesu nebo závěr výzkumného projektu. Porozumění jednoduchým statistickým pojmům, jako je průměr, medián a modus, je mocným nástrojem pro interpretaci. Tyto pojmy se vztahují k podmínkám na úrovni částic, jako je rozpad, bobtnání, sedimentace nebo aglomerace. Rozpoznání těchto podmínek je praktickou zpětnou vazbou uživatelů k věcem, jako je změna základu distribuce, úprava množství povrchově aktivní látky, výběr modulu pro suché dodávání nebo zvýšení rychlosti čerpadla pro dosažení uspokojivých výsledků. Důležitou praxí je také zajištění opakovatelnosti a reprodukovatelnosti měření, čehož lze snadno dosáhnout pomocí statistických nástrojů DIMENSIONS LS. Obrázek 5 je příkladem toho, jak pomocí softwaru Microtrac interpretovat výsledky pro syntetický diamantový prášek elektronické kvality (SYNC 1R2B, FLOWSYNC, IPA). Relevantní značky, jako jsou d10, d50 a d90, lze snadno identifikovat spolu s korelací s výsledky prosévání.

Obrázek 5 je snímek nástrojů pro porovnávání dat DIMENSIONS LS, které zjednodušují interpretaci dat.

4. Výhody začlenění dynamické zobrazovací analýzy (DIA) s laserovou difrakcí

Charakterizace částicových systémů, která byla dříve založena výhradně na měření velikosti, se vyvíjí. DIA definuje velikost a morfologii částic a poskytuje podrobné informace o fyzikálních vlastnostech materiálů. Tyto klíčové vlastnosti a výsledný výrobek se mohou drasticky změnit, aniž by byly zaznamenány významné rozdíly v rozložení velikosti pomocí laserové difrakce. SYNC poskytuje analýzu tvaru částic ve stejném měření pomocí laserové difrakce pro mokrá i suchá měření, která jsou poté analyzována v jedné softwarové platformě. Neexistují žádné samostatné moduly, měřicí buňky ani software, což výrazně zvyšuje produktivitu laboratorní analýzy. Analýza obrazu umožňuje rychle identifikovat problémy a výrazně zkrátit dobu potřebnou k jejich řešení. Částice v proudícím toku, osvětlené vysokorychlostním stroboskopickým světlem, jsou fotografovány vysokým rozlišením digitální kamerou, aby se vytvořil video soubor obrázků proudících částic. Pro každou částici je zaznamenáno více než 30 parametrů velikosti a tvaru. Software DIMENSIONS LS obsahuje filtrační funkce pro vyhledávání, zobrazení a vyhodnocení částic se specifickými vlastnostmi nebo kombinací vlastností. Vylepšení difrakčních experimentů pomocí sekundární ortogonální techniky znamená snazší kontrolu čistoty vzorkové komory, detekci bublin nebo kontaminace, objevování nadměrně velkých částic a klasifikaci vzorků s vysokým poměrem stran. 

Detekce nadměrně velkých nebo nepravidelně tvarovaných částic

Laserové difrakční techniky předpokládají, že všechny částice jsou sférické, a nejčastěji se stává, že částice, které jsou nadměrně velké nebo mají nepravidelný tvar, nebudou detekovány pouze pomocí laserové difrakce. Důvodem může být nedostatečné množství těchto částic ve vzorku. To může ovlivnit výkonnost konečného produktu, jako je aditivní výroba, pokud jde o kvalitu kovových prášků. Obrázek 6 ukazuje, jak může DIA od společnosti Sync detekovat nadměrně velké částice v kombinaci s laserovou difrakcí. Kromě toho můžete použít pouze data DIA z měření Sync k porovnání tvarů částic ze dvou různých vzorků a určit tak přítomnost nadměrně velkých částic, jak je znázorněno na obrázku 7.

Obrázek 6: Data z laserové difrakce na levé straně ukazují typické rozložení velikosti částic. Graf na pravé straně však ukazuje detekci nadměrně velkých částic při kombinaci dynamického zobrazování s laserovou difrakcí z jediného měření.

Obrázek 7: Analýza tvaru kovových prášků ukazuje dva vzorky kovového prášku s mediánem (d50) 34 µm a 37 µm. Analýza tvaru dokazuje, že jeden vzorek se skládá téměř výlučně ze sférických částic, zatímco druhý obsahuje vysoký podíl nepravidelně tvarovaných částic.

Závěr

Laserová difrakce je široce používaná technika měření velikosti částic. Úspěšné použití této techniky vyžaduje zásadní zaměření na správnou přípravu vzorků, výběr parametrů softwaru a interpretaci dat. Začlenění simultánní ortogonální techniky (DIA) zvyšuje analytické schopnosti. Pravidelná údržba zařízení je prospěšná pro přesnost a opakovatelnost, stejně jako pro provozuschopnost přístroje.