颗粒材料的物理性质可以影响行为包括范围广泛的材料,例如,反应和溶解率,原料是多么容易流和混合,或压缩性和耐磨性。从生产和发展的角度来看,一些最重要的物理性质测量:
根据感兴趣的材料,部分或所有这些可能是重要的甚至可能是相互关联的:如表面积和粒子的大小。
本粒子表征指南的目的是提供一个基本的接地主要粒子的表征技术在工业和学术界目前使用。它假定没有先验知识的粒子表征理论或仪器,适合那些新粒子特性,或者那些希望加强他们的知识领域。指南涵盖入门基础,颗粒分级理论和粒子表征仪器,以及快速参考指南帮助你决定哪些技术可能是最适合您的粒子特性的需求。完整的指南粒子特征,请在下面注册免费的完整副本和PDF下载。
本指南的目的是提供一个基本的接地主要粒子的表征技术在工业和学术界目前使用。它假定没有先验知识的粒子表征理论或仪器,适合那些新粒子特性,或者那些希望加强他们的知识领域。指南涵盖入门基础,颗粒分级理论和粒子表征仪器,以及快速参考指南帮助你决定哪些技术可能是最适合您的粒子特性的需求。不包括所有粒子表征技术;更多信息可以在www.malvernpanalytical.com上找到。
在最基本的层面上,我们可以定义一个粒子作为一个离散物质的提高。本指南的目的,我们将狭窄的定义包括固体颗粒、液体液滴或气泡与物理维度从事实上到几毫米大小。
有两个主要原因许多行业经常采用粒子表征技术:
在竞争日益激烈的全球经济中,更好地控制产品质量提供了切实的经济效益等:
除了控制产品质量,更好的理解粒子属性如何影响你的产品,材料和工艺将允许您:
除了化学成分、颗粒材料的行为往往是由组成粒子的物理特性。这些可以影响广泛的物质属性包括,例如,反应和溶解率,原料是多么容易流和混合,或压缩性和耐磨性。从生产和发展的角度来看,一些最重要的物理性质测量:
根据感兴趣的材料,部分或所有这些可能是重要的甚至可能是相互关联的:如表面积和粒子的大小。本指南的目的,我们将集中在两个最重要的和容易测量属性:颗粒大小和颗粒形状。
到目前为止最重要的颗粒样品的物理性质颗粒大小。粒度测量经常进行跨广泛的行业,通常是一个至关重要的参数在许多产品的制造。粒度对材料性能有直接的影响,例如:
测量颗粒大小和理解它如何影响你的产品和流程可以对许多制造企业的成功至关重要。
粒子三维对象,除非他们是完美的领域(如乳剂或泡沫),他们不能完全描述由一个维度如半径和直径。
为了简化测量过程,往往是方便使用等效的概念定义粒子大小的球体。在这种情况下,粒子的直径大小是由一个等价的球体拥有相同的属性(如体积或质量)实际的粒子。重要的是要意识到不同的测量技术使用不同的等效球面模型,因此不一定每个给粒子直径相同的结果。
图1:说明概念的等价的球体
相当于领域概念非常适合常规形状的粒子。然而,它可能并不总是适合形状不规则的粒子,如针头或盘子,规模至少在一个维度可以从其他维度的显著差异。
图2:插图的针状粒子的体积等效杆和球
的杆状颗粒上图所示,一个卷等效球将给一个粒子直径198µm,这并不是一个非常准确的描述它的真实尺寸。然而,我们还可以定义相同的粒子作为一个气缸体积360µm的长度和宽度120µm。这种方法更准确地描述了粒子的大小和可能会提供一个更好的理解这个粒子的行为在处理或处理,例如。
许多粒子上浆技术是基于一个简单的维球体等效测量的概念,这是经常为所需的应用程序完全足够。测量两个或多个维度的粒度有时是可取的但也可以提出一些重要的测量和数据分析的挑战。因此仔细考虑建议在选择最合适的颗粒分级技术为您的应用程序。
除非样品你想描述完全是单分散的,即。每一个粒子它包含有完全相同的维度,它将包括不同大小的粒子的统计分布。代表这个分布是常见的做法在频率分布曲线的形式,或累积分布曲线(筛下)。
一个粒子大小分布可以用不同的方式表示对单个粒子的权重。加权机制取决于所使用的测量原理。
图像分析等计算技术将number-weighted分布,每个粒子的同等权重不考虑它的大小。时,这通常是有用的了解粒子的绝对数量是很重要的——比如在外国粒子检测或高分辨率(粒子的粒子)是必需的。
静态光散射技术,如激光衍射将成交量加权分布。每个粒子的贡献在粒子的分布与体积(相当于质量如果密度是均匀的),即。的相对贡献成正比(大小)3。这通常是非常有用的从商业的角度来看,代表样本的组成分布的数量/质量,因此其潜在的价值。
动态光散射技术会给一个intensity-weighted分布,每个粒子的贡献与光的强度分布分散的粒子。例如,使用瑞利近似,非常小的粒子的相对贡献将成正比(大小)6。
当比较相同的粒度数据样本来衡量不同的技术,重要的是要意识到类型的分布测量和报告可以产生非常不同的颗粒大小的结果。这显然是体现在下面的示例中,组成的一个示例相同数量的粒子直径5 nm和50 nm。number-weighted分布提供了平等权重两种类型的粒子,强调存在5纳米颗粒越细,而intensity-weighted分布有一个信号一百万倍粗50纳米粒子。成交量加权分布是两者之间的中间。
图3:例子的数量、体积和intensity-weighted粒径分布相同的样本。
是可能的粒度分布数据从一种类型转换为另一个;然而,这需要一定的假设粒子的形式和它的物理性质。不一定每个人都应该期待,例如,成交量加权粒度分布测量使用图像分析完全同意由激光衍射粒度分布测量。
“有三种谎言:谎言,该死的谎言,以及统计数据。”
吐温/迪斯雷利
为了简化的解释粒度分布数据,各种统计参数计算和报告。最合适的统计参数的选择对于任何给定的样本将取决于将如何使用这些数据和它相比。例如,如果您想报告中最常见的颗粒大小样本你可以选择以下参数:
•说——“平均”的人口规模
•中等大小的频率分布
•模式——与最高频率大小
如果粒度分布是不对称的形状,作为许多样品,通常情况下你不会期望这三个参数是完全等价的,如下图所示。
图4:插图的中值粒度分布模式和意思。
有许多不同意味着可以定义,根据分布数据进行收集和分析。粒子大小的三个最常用的描述如下。
1。号码长度意味着D(1,0)或Xnl
长度的意思,通常被称为算术平均,最重要的是当颗粒的数量是感兴趣的,如。在粒子数的应用程序。只能计算出如果我们知道样本粒子的总数,因此有限粒子计数应用程序。
2。表面积时刻意味着D[3 2]或Xsv
表面积的意思(索特平均直径)时最相关的比表面积是重要的如生物利用度、反应性、解散。是最敏感的细颗粒大小分布。
3所示。体积意味着时刻D[4 3]或Xvm
体积时刻意味着(De Brouckere平均直径)是许多样品,因为它反映了相关尺寸的粒子构成的大部分样品体积。是最敏感的存在大颗粒大小分布。
的一个例子所示的表面积和体积的时刻意味着下面的粒度分布。如果目标是监控粗颗粒的大小,这个示例的大部分,那么D[4 3]将是最合适的。如果,另一方面,它实际上是更重要的是监控的罚款比例存在,那么它可能更适合使用D [3 2]。
图5:插图的D(4 3)和D(3 2)的粒度分布,很大一部分罚款
等成交量加权粒度分布测量的激光衍射,往往是方便报表参数基于最大粒径对于一个给定的体积比例的样本。
百分位数被定义为XaB地点:
X =参数,通常直径D
n =分布权重,如数量,体积v,我为强度
B =比例的样品粒径如50%以下,有时写成小数即0.5
例如,Dv50将最大粒径低于50%的样本体积存在——也称为粒度中值。
最常见的百分位数报道Dv10, Dv50 Dv90,见下面的频率和累积的阴谋。
图6:插图体积百分位数的累积和频率的情节
通过监控这三个参数可以看到如果有重大变化的主要粒度,以及极端的分布变化,这可能是由于存在罚款,见下面的粒度分布,或超大颗粒/聚结。
图7:插图的Dv10 Dv50和Dv90典型的粒度分布,很大一部分的罚款
以及粒度组成粒子的形状也可以产生重大影响的性能或处理颗粒材料。许多行业也进行颗粒形状测量除了粒径测量为了更好地了解他们的产品和过程。一些粒子形状可以产生影响的领域包括:
颗粒形状也可以用来确定颗粒材料的分散状态,特别是如果聚集或初级粒子存在。
粒子是复杂的三维对象,与粒度测量,需要一些简化的描述粒子为了使测量和数据分析的可行性。颗粒形状最常使用成像技术测量,收集的数据是一个二维投影的粒子。颗粒形状参数可以计算出从这个二维投影使用简单的几何计算。
图8:粒子图像转化为一个二维二元投影形状分析
一个粒子的整体形式可以使用相对简单的特点长宽比等参数。如果我们把作为一个例子图像下面的粒子,长宽比可以被定义为:
长宽比=宽/长度
图9:插图针形状的粒子图像的长度和宽度
长宽比可以用来区分常规对称粒子,如球体或多维数据集,不同尺寸和粒子沿着每个轴,如针的形状或卵圆形颗粒。其他形状参数可以用来描述粒子形式包括伸长和圆度。
以及使凝聚粒子的检测,一个粒子的轮廓可以提供表面粗糙度等属性信息。为了计算粒子轮廓参数,一个概念称为凸壳周边。简单来说计算凸壳周边从一个虚构的橡皮筋拉伸在粒子图像的轮廓,下图所示。
图10:凸包的说明两种不同形状的粒子
一旦凸包周长计算我们可以定义参数基础上,如凸性或可靠性地点:
•凸性=凸包周长/实际的周长
•可靠性=区域受实际周长/面积受凸包周长
粒子具有非常光滑的轮廓将有一个凸性/可靠性值接近1,而粒子与粗糙的轮廓,或者凝聚初级粒子,因此较低的凸性/可靠性值。
一些形状参数捕获粒子形式和轮廓的变化。监视这些可能是有用的形式和大纲可能会影响被测材料的行为。最常用的参数是循环,
•循环* =周长/等效面积圆的周长
*这是有时定义为:(周长/等效面积圆的周长)2
它也被称为HS(高灵敏度)循环与上述定义避免混淆。
循环通常是用来测量距离粒子是一个完美的球体,并且可以应用于监测磨料颗粒磨损等性能。但是,应该注意在解释数据,因为任何偏差可能是由于表面粗糙度的变化或物理形式,或两者兼而有之。
虽然循环可以是非常有用的对于某些应用程序,这不是适合所有的情况。到目前为止,没有定义一个通用的形状参数,将在任何情况下工作。在现实中,仔细考虑是必要的,以确定最合适的参数为每个特定的应用程序。
电动电势是衡量大小的粒子之间的静电电荷排斥或吸引液体悬浮。这是一个会影响分散稳定性的基本参数。它的测量提供了详细的见解分散的原因,聚合或絮凝,并可以应用于改善乳液的配方,乳剂和悬浮液。
可以介绍新配方的速度是产品成功的关键。测量电动电势的方法之一来缩短稳定测试,通过减少候选配方的数量,从而减少测试的时间和成本,以及提高保质期。
在水处理,监测剂量使用电动电势测量可以通过优化剂量减少化学添加剂的成本控制。
电动电势测量具有重要应用范围广泛的行业,包括:陶瓷、制药、医药、矿产加工,电子产品和水处理。
有一个广泛的商用表征技术,可以用来测量颗粒物样品。每一种都有其相对的优势和局限性,没有普遍适用的技术,所有样品和情况。
当你需要决定哪些粒子表征技术,许多标准必须考虑:
下表是为了提供一些基本的指导方针来帮助您决定哪一些常用的技术可能是最适合特定的应用程序。颗粒大小范围表示只是指导和具体规格可能会有所不同从一个到另一个工具。
几乎所有粒子表征技术将涉及一定程度的二次抽样测量。甚至粒子计数应用一个注射器的全部内容,例如,只会检查所有的一小部分注射器在生产线上。
值得指出的是,问题的根源不可靠的测量数据是抽样通常以某种方式相关。因此重要的子样品测量的仪器尽可能代表整体。
在仪器(例如激光衍射)要求提交样品的稳定分散,任何采样问题的影响被均质化最小化,搅拌和再循环的材料。然而,这并不是应对挑战的一批代表10 g整除从10000公斤为例。
一个常见的方法,被广泛用于增加粉末采样的鲁棒性是一个设备被称为一个旋转的曲锉。
图11:说明一个旋转沈沙槽设备
在旋转曲锉,许多次级样本被定期从粉流经一系列斗成一个旋转的容器。这将确保如果任何样本隔离发生在漏斗内,每个容器应该包含一个代表性的子样品。
许多粒子表征技术需要以分散的形式分析了样本的单个粒子在空间上分开。为了做到这一点有两种基本方法:
在潮湿的分散,单个粒子悬浮在液体分散剂。粒子表面的润湿分散剂分子降低其表面能,减少接触粒子之间的吸引力。这使他们分离,进入暂停。
分散剂与表面张力高,比如水,添加少量的表面活性剂可以显著提高润湿行为和随后的粒子分散。
为了分散单个粒子通常是一些能量应用于样品。通常这是通过搅拌或搅拌,但非常好的材料或强力束缚的团聚体,有时使用超声波辐照。
在microscopy-based技术,湿样品制备方法可以用来驱散样本在显微镜幻灯片。随后蒸发的分散剂然后允许分析分散粒子在干燥状态。
干粉分散,分散剂通常是一个流动的气流,最典型的清洁干燥的空气。干燥的分散过程的本质意味着这通常是一个更高的能量比湿扩散过程。如下所示,三种不同类型的分散机制行动样本。为了提高能源的输入:
图12:插图的三个干粉分散机制与提高能源/攻击力
分散机制最主要取决于分散剂的设计,与particle-wall嵌入提供一个更激进的高能色散比粒子与粒子之间的碰撞和剪切应力。
通过消除需要处置成本和潜在的有害溶剂,干燥分散通常是一个有吸引力的选择。然而,干色散不适合极细粉(< 1微米),因为这些材料的高粒子与粒子之间的引力的力量很难克服。应该小心易碎的颗粒,确保只有足够的能源应用于样品获得分散,粒子在分散过程中不被打破。在这种情况下应该使用潮湿的分散方法作为方法验证参考。
激光衍射是一种广泛使用的粒子大小技术材料从几百纳米到几个毫米大小。其成功的主要原因是:
激光衍射测量粒度分布通过测量角的光散射强度的变化作为一个激光束通过分散颗粒样品。大型粒子散射光在小角度相对于激光和小颗粒在大角度散射光线,如下图所示。然后分析角散射强度数据来计算粒子的大小负责创建散射模式,利用米氏光散射理论。粒子大小是报道volume-equivalent球体直径。
图13:从小型和大型粒子散射的光
激光衍射利用米氏光散射理论计算粒度分布,假设volume-equivalent球体模型。
米氏理论需要知识的光学特性(折射率和虚构的成分)的分散剂和被测样品。
通常的光学性质分散剂相对容易找到发表的数据,和许多现代仪器内置的数据库,其中包括常见的分散剂。
样品的光学特性是未知的,用户可以测量它们或猜出个八九和使用迭代方法基于建模数据与实际的配合。
一个简化的方法是使用弗劳恩霍夫近似,不需要样品的光学特性。然而在处理样品时应该小心使用低于50µm可能包含粒子或粒子相对透明。
一个典型的激光衍射系统由三个主要元素:
1。光具座。分散的样本通过光学试验台的测量区域,一束激光照亮粒子的位置。一系列探测器然后准确地测量光强在样本内的粒子在一个广泛的角度。
图14:光学的布局的艺术激光衍射仪
2。样品分散单元。样品处理和分散控制的湿或干燥的样品分散单元。这些单位确保交付给粒子的测量区域光具座在一个合适的正确的浓度和稳定的分散状态。
湿样品分散单位使用液体分散剂,水或溶剂性,驱散的示例。为了保持示例暂停和均质连续循环通过测量区。
干粉样品分散单位暂停样本在流动的气流,通常干燥的空气。通常整个样本通过一次只能通过测量区,因此它是理想的速度快速捕获数据,通常10 kHz,为了确保代表性样本测量。
3所示。工具软件。仪器在测量过程中软件控制系统,分析了散射数据计算粒度分布。在更先进的仪器,它也提供了即时反馈在方法开发和质量专家建议的结果。
激光衍射的应用覆盖了国际标准ISO 13320: 2009,这是推荐阅读的人使用这种技术在常规的基础上。
动态光散射(DLS),有时被称为光子相关光谱(pc)或准弹性光散射(QELS),是一种非侵入式的、成熟的技术来测量颗粒的大小和大分子在亚微米地区通常小于1纳米。它可以用来测量样品由粒子悬浮在液体,如。蛋白质,聚合物胶束、碳水化合物、纳米颗粒胶体分散体系,乳剂
主要优势包括:
悬浮粒子进行布朗运动引起的thermally-induced悬浮粒子和溶剂分子之间的碰撞。
如果粒子激光照亮,散射光的强度波动在非常短的时间尺度,是依赖于粒子的大小;小颗粒被溶剂分子和流离失所的进一步更迅速。分析这些强度波动产量布朗运动的速度,因此使用Stokes-Einstein的颗粒大小的关系。
直径测量动态光散射称为水力直径,指的是一个粒子流体中的扩散。这种技术得到的直径是一个球体,平移扩散系数与粒子被测量。
图15:插图DLS报道水力直径的直径大于“核心”
平动扩散系数的大小不仅取决于粒子的“核心”,而且在任何表面上的结构,以及离子的浓度和类型的媒介。这意味着规模将比通过电子显微镜测量,例如,粒子从其原生环境。
重要的是要注意,动态光散射产生intensity-weighted粒度分布,这意味着超大颗粒的存在可以控制粒子大小的结果。
传统的动态光散射仪由激光光源、透镜聚集的焦点在示例。光散射粒子的角度和一个探测器,传统上放置在90°的激光束,收集散射光强度。散射光的强度波动转换为电脉冲,送入数字相关器。由此产生的自相关函数,计算粒子的大小。
在先进的仪器,上司(非侵入性的后向散射)技术延伸的范围大小和浓度的样品可以测量。
这些仪器的分级功能检测光散落在173°如下所示。这就是所谓的后向散射检测。此外,光学不接触样品,因此检测光学非侵入性。
使用非侵入性的后向散射检测有很多的优点:
图16:插图DLS的NIBS-based光学系统(一个)小粒子,或在低浓度样品,它有利于最大化散射从样本的数量。激光穿过墙上的试管,折射率的差异之间的空气和材料的试管原因“爆发”。这耀斑可能会干扰信号的散射粒子。移动测量位置远离小池壁向中心的试管将消除这种影响。(b)大颗粒或样品在高浓度分散更多的光。测量接近小池壁减少多次散射的影响通过最小化的路径长度的散射光。
自动成像是一种高分辨率的直接技术描述粒子从大约1微米到几毫米大小。从分散的单个粒子捕获图像样本和分析以确定其粒子大小、粒子形状和其他物理性质。具有统计代表性的分布可以由分析每个测量成千成千上万的粒子。
静态成像系统需要一个固定的分散的样本而在动态成像系统光学图像捕获样本流过去。这项技术通常用于结合ensemble-based粒子大小的方法,如激光衍射,更深层次的了解样品或验证ensemble-based测量。典型的应用包括:
一个典型的自动成像系统由三个主要元素:
1。示例演示和色散
这一步是至关重要的得到好的结果:空间的单个粒子和聚结分离领域的观点是我们的目标。一系列的示例演示方法可根据样品和仪器的类型。动态成像仪器使用流示例通过在测量细胞。静态成像技术使用平面如显微镜幻灯片,玻璃板或过滤膜。自动分散方法希望避免潜在的运营商的偏见。
图17:自动化的示例分散粒子成像的重要性
2。光学图像捕获
单个粒子的图像使用数字CCD相机捕获适当放大样品的光学问题。在动态成像系统样本通常从后面照亮的示例,而静态成像系统提供更大的灵活性的示例照明如。episcopic diascopic,暗视野等等。也可以使用偏振光学双折射晶体等材料。最先进的动态成像系统使用水动力鞘流机制实现一致的关注甚至微粒。
图18:插图的静态图像(左)和动态成像(右)光学安排
3所示。数据分析软件
典型的仪器测量和记录每个粒子的形态属性。在最先进的仪器,图表和数据分类选项在软件确保提取相关数据从测量尽可能简单,通过一个直观的可视化界面。Individually-stored灰度图像为每个粒子提供定性验证的定量结果。
图19:使用散点图的工具来显示分类的样本大小(延伸率)和形状(HS循环)
电泳光散射(ELS)是一种用来测量技术在分散粒子的电泳淌度,或分子在溶液中。这种流动通常转化为电动电势,使比较不同实验条件下的材料。
电泳的基本物理原理。色散是引入一个包含两个电极的电池。一个电场应用于电极和任何带电粒子或分子会对电荷相反电极迁移。他们的速度迁移被称为电泳淌度和与他们的电动电势。
这个速度是由激光多普勒测量技术,其中有两种实现:一个确定频移,可以给一个完整的ζ电位分布,和第二个阶段分析光散射(朋友),相移的测量。朋友是一个更敏感的方法,但只给平均泽塔潜在价值。
先进的仪器往往结合DLS和船在一个系统中,提供的能力测量颗粒大小和电动电势。
particulate-based材料的物理性质也会影响产品的批量或宏观属性和材料。
例如,流变(流/变形)制定产品可以直接相关的行为属性的成分,如粒径、颗粒形状和悬浮稳定性。因此测量公式给出了一个说明的流变学的胶体状态及其不同组分之间的相互作用。Rheology-based测量可以帮助预测制定行为等;
因此在处理particulate-based配方同样重要的是要考虑宏观性质,如流变学,为了更好地理解制定材料的行为。流变学理论和应用的详细信息不在本出版物的范围,但是有许多入门材料莫尔文Panalytical网站。
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ISO 13322 - 2:2006粒度分析,图像分析方法——第2部分:动态图像分析方法
