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Vergleich der unterschiedlichen Methoden zur Partikelcharakterisierung

Dynamische Bildanalyse (DIA), statische Laserlichtstreuung (SLS, auch Laserbeugung) und Siebanalyse sind die häufigsten Methoden zur Partikelgrößenmessung. In diesem Artikel lernen Sie die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden kennen und ihre Vergleichbarkeit untereinander.

Jede Methode hat einen charakteristischen Größenbereich, in dem Messungen möglich sind. Diese Messbereiche überlappen sich teilweise. Die hier vorgestellten Verfahren können beispielsweise Partikel in einem Größenbereich von 1 µm – 3 mm messen.

Dennoch liefern sie bei Analyse derselben Probe oft deutlich unterschiedliche Ergebnisse. Eine Übersicht über die Messbereiche der verschiedenen Techniken und die dazugehörigen Analysatoren von Microtrac liefert die untenstehende Tabelle.

Messmethoden im Vergleich
Partikelcharakterisierung - Produktübersicht


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Siebanalyse: Der Tradition verpflichtet

Die Siebanalyse ist die klassische und immer noch häufigste Methode zur Partikelmessung. Dabei werden mehrere Analysensiebe mit aufsteigender Maschenweite übereinandergestapelt und die Probe auf das oberste Sieb gegeben. Der Siebturm wird auf eine Siebmaschine gespannt und für eine gewisse Zeit in Schwingung versetzt. Dabei werden die Partikel gemäß ihrer Größe auf die einzelnen Siebe (Fraktionen) verteilt.

Im Idealfall passieren die Partikel dabei mit ihrer kleinsten Projektionsfläche die kleinstmögliche Siebmasche. Im Modellfall von würfelförmigen Partikeln entspricht dies der Kantenlänge des Würfels, bei linsenförmigen Partikeln wäre die mittels Siebung bestimmte Größe ein Wert zwischen der Dicke und dem Durchmesser der Linse, da das Partikel sich diagonal zur Siebmasche orientiert (s. Abbildung rechts).

Die Siebanalyse ist daher ein Verfahren, das Partikel in einer Vorzugsorientierung vermisst und dabei tendenziell vor allem die Partikelbreite bestimmt.

Eine Siebung wird so lange durchgeführt, bis sich die Masse der Probe auf den einzelnen Sieben mit zunehmender Siebdauer nicht mehr ändert (Massenkonstanz, d.h. die Probe ist „ausgesiebt“). Die Siebe werden anschließend ausgewogen und die Menge in den einzelnen Fraktionen wird in Gewichts-% umgerechnet. Man erhält also eine massebezogene Verteilung. Die Siebanalyse ist in der Auflösung durch die Anzahl der ermittelbaren Größenklassen begrenzt.

Ein Standard-Siebturm besteht aus maximal 8 Sieben, d.h. die Partikelverteilung basiert lediglich auf 8 Datenpunkten. Das Verfahren lässt sich kaum automatisieren und ist daher relativ zeitaufwändig. Die Arbeitsschritte sind: Einwaage, 5-10 Minuten Siebung, Rückwaage und Reinigung der Siebe. Hauptfehlerquellen sind Überladung der Siebe (Verstopfung von Siebmaschen, zu grobes Ergebnis), alte, verschlissene oder beschädigte Siebe (zu feines Ergebnis) oder Fehler bei der Übertragung von Messwerten.

Des Weiteren muss beachtet werden, dass auch neue, normgerechte Siebe in ihrer Maschenweite bestimmten Toleranzen unterliegen. So darf beispielsweise die mittlere reale Öffnungsweite auf einem 1 mm Sieb um ±30 µm abweichen, bei einem 100 µm Sieb sind es ±5 µm (d.h. die mittlere reale Öffnungsweite liegt bei 95 – 105 µm). Dabei handelt es sich jedoch nur um den Mittelwert, einige einzelne Maschen dürfen sogar noch größer sein. 

 

 

Dynamische Bildanalyse und Siebanalyse

Bei der dynamischen Bildanalyse wird eine große Menge an Partikeln in relativ kurzer Zeit (2 – 5 Minuten) an einem Kamerasystem vorbeigeführt und in Echtzeit analysiert. Moderne DIA Systeme analysieren mehrere Hundert Bilder pro Sekunde in Echtzeit und erfassen dabei viele Millionen Einzelpartikel innerhalb weniger Minuten.

Schnelle Kameras, helle Lichtquellen, kurze Belichtungszeiten und eine leistungsstarke Software sind hierfür die Voraussetzung. Das Bild rechts zeigt das Messprinzip der CAMSIZER Serie von Microtrac als Beispiel für einen DIA Analysator.

Anders als bei der Siebanalyse, werden die Partikel bei der DIA in völlig zufälliger Orientierung vermessen. Anhand der Partikelabbildungen können sowohl mehrere Größenparameter als auch Formparameter bestimmt werden. Typische Größenparameter sind z.B. Breite, Länge und Durchmesser des flächengleichen Kreises (s. Abb. unten).

Dual Camera Technologie

1. Die Basic-Kamera erfasst die größeren Partikel.
2. Der gesamte Partikelfluss wird von zwei Kameras aufgezeichnet.
3. Die Zoom-Kamera analysiert die kleineren Partikel. 

Abbildung 1

Parameter zur Beschreibung der Partikelform sind z.B. Rundheit, Symmetrie, Konvexität und Aspekt-Verhältnis. Auch bei der Auflösung sind DIA Systeme unschlagbar: geringe Partikelgrößenunterschiede im Mikrometerbereich werden problemlos erfasst, ebenso werden mehrmodale Verteilungen sicher aufgelöst.

Vergleicht man die DIA mit der Analysensiebung, so wird man dafür den Parameter „Partikelbreite“ verwenden, da die Siebanalyse ja tendenziell auch Partikelbreiten bestimmt (s. o.). Bei der Messung unregelmäßig geformter Partikel kommt es dennoch zu systematischen Unterschieden zwischen den Messergebnissen, da bei der DIA die Partikel in beliebiger Orientierung erfasst werden. Die Unterschiede in den Ergebnissen für die Partikelgrößenverteilungen sind für jede bestimmte Kornform charakteristisch.

Über Anpassungsalgorithmen, welche in die Software der CAMSIZER®-Analysatoren integriert sind, lassen sich die Ergebnisse der DIA-Messungen zu nahezu 100% mit der Analysensiebung korrelieren (s. Abb. unten). In der Praxis der Partikelgrößenmessung in der Qualitätskontrolle ist diese Vorgehensweise sehr oft notwendig, da Produkte in unterschiedlichen Laboratorien mit unterschiedlichen Methoden analysiert werden und eine Vergleichbarkeit hergestellt werden muss.

Dynamische Bildanalyse und Laserbeugung

Bei der statischen Laserstreulichtanalyse (SLS), auch Laserbeugung genannt, werden Partikelgrößen indirekt gemessen, indem Intensitätsverteilungen von an Partikeln gestreutem Laserlicht in verschiedenen Winkeln detektiert werden. Die Abbildung zeigt den Aufbau eines modernen Lasergranulometers am Beispiel des Microtrac SYNC mit der einzigartigen Tri-Laser Geometrie und zusätzlicher Bildauswerteeinheit.

Dynamische Bildanalyse und Laserbeugung

 

1. Kamera, 2. Laser 1, 3. Laser 2, 4. Detektorbereich, 5. Lichtquelle DIA, 6. Detektorbereich, 7. Laser 3

Man macht sich dabei das Phänomen zu Nutze, dass Licht an Partikeln abgelenkt (gestreut) wird, wobei bekannte Zusammenhänge zwischen Intensitätsverteilung und Partikelgröße bestehen. Große Partikel streuen das Licht zu kleinen Winkeln streuen, kleine Partikel bewirken große Streuwinkel. Während große Partikel noch recht scharfe Intensitätsverteilungen mit ausgeprägten Maxima und Minima bei definierten Winkeln produzieren, wird bei kleineren Partikeln das Streulichtmuster immer diffuser und auch die Gesamtintensität nimmt ab. Die Schwierigkeit liegt besonders darin, wenn in einer polydispersen Probe viele verschieden große Partikel vorliegen, deren einzelne Streulichtsignale sich überlagern.

Die SLS ist ein indirektes Messverfahren, bei dem aus einem überlagerten Streulichtmuster, das von einem gesamten Partikelkollektiv verursacht wird, auf eine Verteilung zurückgerechnet wird. Erschwerend kommt hinzu, dass für kleine Partikel die optischen Eigenschaften des Materials (Brechungsindex) bekannt sein müssen, damit die Auswertung zuverlässig funktioniert. Da die Theorie der SLS auf der Annahme von kugelförmigen Partikeln beruht, ist eine Formauswertung nicht möglich.

Ein Nachteil der SLS ist die relativ geringe Auflösung. Überkorn lässt sich auch bei modernen Analysatoren erst ab ca. 2 Vol% detektieren, um Mehrmodalitäten aufzulösen muss sich die Größe der beiden Komponenten mindestens um den Faktor 3 unterscheiden. Mehr als drei unterschiedliche Komponenten in einer Mischung lassen sich normalerweise nicht erfassen.

Der große Vorteil der Laserbeugung ist, dass es sich um ein schnelles, etabliertes Verfahren handelt, welches sehr vielseitig einsetzbar ist. Mit einem Messbereich von wenigen Nanometern bis in den Millimeterbereich ist die Methode für die meisten Anforderungen in der Partikelmesstechnik einsetzbar. Bildanalyse ist für Partikel < 1 µm nicht einsetzbar. Die Analysen mit SLS-Geräten sind einfach in der Durchführung und lassen sich weitgehend automatisieren.

Abbildung 2
Abbildung 3

Die Abbildung oben zeigt links zeigt die Vergleichbarkeit zwischen SLS, DIA und Siebung am Beispiel einer Probe gemahlenen Kaffees. Die Siebanalyse liefert das feinste Ergebnis, die Breitenmessung des CAMSIZER® X2 (DIA) ergibt ein vergleichbares Resultat. Mit der Laseranalyse ist keine Vergleichbarkeit zur Siebung möglich, das Ergebnis entspricht in etwa dem Xarea (Durchmesser des flächengleichen Kreises). Allerdings gehen alle Partikeldimensionen in das Ergebnis ein, die dann auf kugelförmige Partikel zurückgeführt werden. Daher liefert SLS immer breitere Verteilungen als die Bildanalyse.

Dies wird in der rechten Abbildung noch deutlicher. Hier wurde eine Probe Cellulosefasern mit dem CAMSIZER® X2 und vergleichend mit einem Lasergranulometer gemessen. Während die Bildanalyse zwischen Faserdicke und Länge unterscheidet, ist dies mit der Laserbeugung nicht möglich. Die Messkurve der SLS läuft zunächst parallel zur Breitenmessung und nähert sich dann der „Faserlänge“ an.

Dynamische Lichtstreuung und Laserbeugung

Die Dynamische Lichtstreuung (DLS) basiert auf der Brown'schen Bewegung von Partikeln in Suspensionen. Kleinere Partikel bewegen sich schneller, größere hingegen langsamer. Das von diesen Partikeln gestreute Licht beinhaltet Informationen zur Diffusionsgeschwindigkeit und somit zur Größenverteilung. Die ermittelte Partikelgröße ist ein hydrodynamischer Durchmesser. Der Stokes-Einstein Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen Partikelgröße, Diffusionsrate, Temperatur und Viskosität:

Der hydrodynamische Durchmesser der DLS ist meist etwas grösser als die durch statische Lichtstreuung ermittelte mittlere Partikelgröße. DLS eignet sich besonders für die Analyse von Nanopartikeln, wo die statische Lichtstreuung an Grenzen stößt. Andererseits funktioniert DLS nur für Partikelgrößen bis maximal 10 µm und ist ab 1 µm zunehmend ungenau. Darüber hinaus bieten viele DLS-Analysatoren die Möglichkeit, das Zeta-Potential und das Molekulargewicht zu bestimmen.

Messprinzip dynamischer Lichtstreuung

Messprinzip dynamischer Lichtstreuung

 

1. Detektor|  2. Reflektierter Laser & Streulicht | 3. Saphirglas |  4. Y-Beam-Splitter |  5. GRIN-Linse |  6. Probe |  7. Laserstrahl in optischer Faser |  8. Laser

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