Die Partikelgröße ist eine der wichtigsten Größen zum Verständnis des Verhaltens verschiedener Materialarten. Die ideale Lösung für die hochauflösende Messung der Partikelgrößenverteilung ist die Sedimentation im Zentrifugalfeld einer Ultrazentrifuge
Hochauflösende Partikelgrößenanalyse
Alle Methoden zur Messung der Partikelgrößenverteilung (Sedimentation im Gravitationsfeld, differentielle Sedimentation im Zentrifugalfeld, Laserbeugung, mikroskopische Bildanalyse usw.) lassen sich durch drei Parameter charakterisieren: Auflösung, Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Dabei verstehen wir die Auflösung intuitiv sehr gut als die Fähigkeit einer bestimmten Methode, die Größenverteilung deutlich darzustellen. Um die Auflösung jedoch objektiv bestimmen zu können, müssen wir zunächst über eine klare Definition verfügen.
Bei Partikelgrößenanalysatoren versteht man unter dem Begriff „Auflösung“ standardmäßig den minimalen Unterschied zwischen zwei sehr schmalen Partikelanzahlfraktionen, bei dem der Wert der Überlappung der entsprechenden Peaks kleiner als 5 % ist. Alternativ wird für eine Fraktion einheitlicher Partikel die Auflösung anhand des Medians der Partikelgröße D50 definiert (Auflösung = 100 × (D95 – D5)/D50). Beide Definitionen führen zum gleichen Ergebnis.
Bei der Bewertung der verfügbaren Geräte hinsichtlich der erreichbaren Auflösung nehmen sogenannte Scheibenzentrifugen eine führende Rolle ein, die das Verfahren der differentiellen Sedimentation im Zentrifugalfeld nutzen und damit eine Auflösung von ~ 2 % erreichen können.
Scheibenzentrifugen
Scheibenzentrifugen sind Partikelgrößenanalysatoren, die das Verfahren der differentiellen Sedimentation im Zentrifugalfeld nutzen, wodurch sie wesentlich kleinere Partikel messen können als dies bei der klassischen Sedimentation im Gravitationsfeld der Fall ist. Die Sedimentationsgeschwindigkeit ist dabei proportional zum Quadrat der Partikelgröße (d. h. Partikel mit einer Größe von 1 µm sedimentieren viermal schneller als Partikel mit einem Durchmesser von 0,5 µm).
Der Ablauf der Analyse lässt sich in mehreren Punkten beschreiben:
- Die Kammer der rotierenden Scheibe ist teilweise mit einer Flüssigkeit mit einem leichten Dichtegradienten gefüllt, was zur Stabilität des Sedimentationsprozesses beiträgt.
- Die verdünnte Probe wird in die Mitte der Zentrifuge injiziert, und die injizierten Partikel bilden zunächst einen sehr dünnen Streifen auf der Oberfläche der Flüssigkeit und beginnen dann, sehr schnell in radialer Richtung abzusinken.
- In einem bestimmten Abstand von der Drehachse durchläuft ein monochromatischer Lichtstrahl die Kammer, dessen Intensität nach dem Durchgang gemessen wird.
- Die gesuchte Partikelgrößenverteilung wird aus der gemessenen Sedimentationszeit und dem erfassten Intensitätsprofil mithilfe von Berechnungen bestimmt, die auf der Kombination des Stokes-Gesetzes für Zentrifugalfelder und der Mie-Theorie basieren.
Der theoretische Auflösungswert der Scheibenzentrifuge hängt von drei Faktoren ab: der Breite des verwendeten Lichtstrahls (W), der Dicke des zu Beginn der Analyse an der Flüssigkeitsoberfläche gebildeten Streifens (T) und der Sedimentationstiefe (H) – siehe Gleichung in der untenstehenden Abbildung.
Für H = 20 mm (maximal praktisch erreichbare Sedimentationstiefe), T = 0,033 mm (Schichtdicke, die einer Probe mit einem Volumen von 0,05 ml entspricht) und W = 0,5 mm (typischer Wert für die Strahlbreite) ergibt sich somit eine Auflösung von 1,4 %. Das heißt, das Gerät sollte in der Lage sein, Partikel zu unterscheiden, deren Größenunterschied nur 1,4 % beträgt. Die tatsächliche Auflösung des Geräts ist immer etwas schlechter als der theoretisch ermittelte Wert. Es gibt drei Hauptfaktoren, die die Auflösung verringern können: die Brownsche Bewegung der Partikel während der Sedimentation, die Instabilität des Sedimentationsprozesses (Streaming) und eine größere Probendicke an der Flüssigkeitsoberfläche.
Diese Faktoren werden in der unten angegebenen Referenz ausführlich erörtert. Die tatsächliche Auflösung liegt somit bei etwa 2 %.
Quelle des Berichts: Ultra-high resolution particle size analysis with the CPS disc centrifuge https://lot-qd.de
