Farklı Ölçüm Teknikleri Farklı Sonuçlar- Peki, Doğrusu Hangisi?
Parçacık boyutunu belirlemek için en yaygın olarak kullanılan metotlar; Dinamik Görüntü Analizi (DIA), Lazer Işığı Saçılması (Lazer Kırınımı) ve Elek Sallama Sistemidir.Bu yazımızda bu teknikler ve teknikler arası karşılaştırmaları bulabilirsiniz.
Her yöntemin ölçüm aralıkları birbirinden farklı olup,ölçümün mümkün olduğu karakteristik boyutlar şekil 1‘de gösterilmiştir.
Bu yazımız; parçacık analizi için hangi yöntemin, hangi uygulamalar için daha uygun olduğuna karar vermeye yardımcı olacaktır. Bu yazımızda kullanılan cihazlar,Görüntü Analizi için Retsch Technology Camsizer P4, Lazer Kırınımı için Horiba LA-960 ve Elek Analizi için Retsch AS 200.
Elek Analizi: Geleneksel Metot
Elek analizi; parçacık boyutunun belirlenmesi için geleneksel ve en çok kullanılan yöntemdir. Bir elek takımı artan açıklık boyutuna sahip birkaç elekten oluşur ve numune üstteki elek üzerine yerleştirilir.
Elek seti sarsma cihazına yerleştirilir ve belirli bir süre ile elek seti titreştirilir.Sonuç olarak, parçacıklar ebatlarına ve eleklerin göz açıklıklarına göre (fraksiyonlar) dağılırlar. İdeal olarak, parçacıklar mümkün olan en küçük elek açıklığından en küçük projeksiyon yüzeyi ile geçer.
Küp parçacıklarını model olarak ele alırsak; bu, küpün kenar uzunluğuna denk gelir. Düzgün yapıda olmayan parçacıkları için, elek analizi ile belirlenen boyut, parçacık elek deliğine çapraz olarak yönlendirildiğinden (Şekil 2ve 3) kalınlık ve cismin çapı arasındaki bir değer olacaktır.
Bu nedenle elek analizi, çoğunlukla parçacık genişliğini belirleme eğilimi ile tercih edilen yönünde parçacıkları ölçen bir tekniktir.
Elek analizi; ilgili eleklerde numune kütlesinin artık değişmediği zaman kadar (sabit kütle) gerçekleştirilir. Her bir elek tek tek tartılır, her fraksiyonun hacmi ağırlıkça yüzde olarak hesaplanır ve kütle ile ilgili bir dağılım sağlanır.Elek analizinin sonucu, kullanılan boyut, fraksiyonlarının sayısı ile sınırlıdır.
Standart bir elek seti, en fazla 8 elekten oluşur ve bu da parçacık boyutu dağılımının yalnızca 8 veri noktasına dayandığına işaret eder. İşlemin otomatikleştirilmesi mümkün değildir, bu da zaman alıcıdır.
Elek analizinin basamakları şunlardır:
Başlangıç tartımı, 5-10 dakika eleme, geri tartma ve elek temizleme. Elek analizinde karşılaşılan yaygın hatalar şunlardır: Eleklerin aşırı yüklenmesi (elek deliklerinin bloke edilmesi, çok kaba sonuçlar); eski, yıpranmış veya hasar görmüş elekler (çok küçük sonuçlar) veya veri aktarımı hataları.
Ayrıca standartlara uygun yeni eleklerin açıklık boyutlarının bazı toleranslara tabi olduğu da dikkate alınmalıdır. Örneğin, 1mm’lik eleklerin ortalama gerçek açıklık boyutunun yaklaşık ± 30 µm sapmasına izin verilmektedir, 100 µm elek için ± 5 µm’dir (yani ortalama gerçek açıklık boyutu 95 ile 105 µm arasındadır).
Bununla birlikte, bu sadece bazı açıklıkların daha da büyük olabileceği anlamına gelen ortalama değerdir.Yeterli eleme süresi ile partiküller, elekten geçen eleklerin nominal açıklık boyutundan daha büyük parçalara neden olan en büyük açıklıkları bulurlar. Böylece, elek nominal aparat boyutunun gösterdiğinden daha büyük olur.
Bu toleranslar, cam boncuk numunesinin ölçüm sonuçlarını gösteren Şekil 4’te açıkça görülebileceği üzere, küresel numunelerin veya dar parçacık boyut dağılımına sahip numunelerin elek analiz sonuçlarında özellikle belirgindir.
Ölçümler, yalnızca elek fraksiyonlarını temsil eden noktalar vasıtası ile karşılaştırılabilir. Görüldüğü üzere, sonuçlar arasında mükemmel bir uyum bulunmaktadır.710 μm’de verilere daha yakından bakıldığında, Q3 (x) değerinin sapması %6 olarak görülür.
Bu ilk başta oldukça fazla görünmekteyse de boyuttaki sapma sadece 13 μm’dir ve bu sapma 710 μm’lik elek toleransı dahilindedir. Kümülatif eğri bu noktada çok dik olduğu için, boyuttaki küçük bir fark bile, Q3 (x) değeri üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir.
Dinamik Görüntü Analizi (DIA): Ne Görüyorsanız Onu Ölçersiniz
Parçacık karakterizasyonu için iki görüntü analizi tekniği vardır. Statik görüntü analizi temelde bir nesne slaydına yerleştirilen örneği adım adım ölçen bir mikroskoptur.Görüntülerin kalitesi çok iyi ve optik çözünürlüğü oldukça yüksek olmasına rağmen, bu yöntem parçacık boyutu dağılımlarını göstermek açısından bazı belirleyici dezavantajlara sahiptir.
Boyut aralığı sınırlıdır, işlem oldukça zaman alıcı ve analiz edilen parçacıkların miktarı genellikle tüm numune hakkında istatistiksel açıdan sağlam bir ifade elde etmek için yeterli değildir.
Sonuç olarak, bu yazımızda sadece dinamik görüntü analizinden bahsedeceğiz.Bu teknik, aydınlatılmış bir arka planın önünde bir kamera sistemi ve kamera önünden geçen bir parçacık akışını içerir. Şekil 5 CAMSIZER®X2’de uygulanan bu ölçüm prensibinin şemasını göstermektedir.
Sistem, serbest düşen parçacıkları ve süspansiyonları ölçmekte ve aynı zamanda topaklanma eğiliminde olan parçaların hava basıncıyla dağılmasını da göstermektedir.
Modern DIA sistemleri saniyede 300’den fazla görüntüyü gerçek zamanlı olarak analiz ederek milyonlarca bireysel parçacıkları yalnızca birkaç dakika içinde tespit eder. Bu performans hızlı kameralar, parlak ışık kaynakları,kısa pozlama süreleri ve güçlü yazılımları temel alır.
DIA, elek analizinin aksine, parçacıkları tamamen rastgele bir şekilde ölçer. Parçacık görüntülerine dayalı olarak, boyut ve şekil parametreleri belirlenir.
Tipik boyut parametreleri, örneğin eşdeğer dairenin genişliği, uzunluğu ve çapıdır (bkz. Şekil 6). Parçacık şeklini tanımlayan parametreler arasında küresellik, simetri, dışbükeylik ve en/boy oranı bulunur. DIA’nın önemli bir özelliği, büyük boyutlu taneler için son derece yüksek algılama hassasiyeti olmasıdır.
Örneğin, CAMSIZER® P4,bir numunenin her bir parçacığını algılamak üzere tasarlanmıştır. Büyük boyutlu parçacıklar için CAMSIZER® X2 modeli %0,1 hassasiyete sahiptir. DIA sistemlerinin çözünürlüğü de rakipsizdir.
Mikrometre aralığındaki en küçük boyut farkları güvenilir şekilde saptanır ve çok modlu dağılımlar mutlak doğrulukla belirlenir.
Sonuç olarak, aynı ölçüm için farklı dağılımlar üretebilir.Bu örnekte, kırmızı eğri parçacık genişliğinin ölçülmesine dayanır. Mavi, bir tanecik uzunluğunu temsil eder. X-alanı parametresi, parçacık boyutu olarak tanımlanan eşdeğer dairenin çapını belirtir. Sonuçlar; nihai olarak, ilgili olduğu orijinal soruya bağlıdır.
Lifleri veya ekstrüdatları incelerken, uzunluk parametreleri ilgi çekicidir. Elek analizi ile kıyaslama gerekliyse genişlik daha önemlidir. DIA, elek analizi ile karşılaştırıldığında, “genişlik” ortak parametredir.
Bununla birlikte, düzensiz şekilli parçacıkları ölçerken, DIA parçacıkları rastgele yönlendirmede ölçtüğünden elde edilen sonuçlarda sistematik farklılıklar bulunmaktadır. Şekil 2 ve 3, partikül büyüklüğü ölçümündeki farklılıkların nasıl ortaya çıktığı ve bunların nasıl yorumlanabileceği özel parçacık şekilleri ile göstermektedir.
Tanecik boyutu dağılımlarındaki farklılıklar tanımlanan her partikül şekli için sistematiktir. CAMSIZER® yazılımı, DIAsonuçlarını elek analizi ile elde edilenlere yaklaşık %100 ile ilişkilendiren algoritmalara sahiptir (Şekil 7).
Bu prosedür kalite kontrolü için partikül boyutu analiz uygulamalarında sıklıkla uygulanır, çünkü küreselleşmiş bir pazarda birçok ürün, farklı ölçüm teknikleriyle farklı laboratuvarlar tarafından analiz edilir ve durum karşılaştırılabilirlik ihtiyacı ortaya çıkartmaktadır.
Lazer Kırınımı: Küreler ve Korelasyon
Lazer kırınımı olarak da adlandırılan statik lazer ışığı analiz metodunda parçacık boyutu; parçacıklar tarafında saçılıma uğrayan lazer ışığının yoğunluk dağılımlarını tespit ederek dolaylı olarak ölçülür. Şekil 8, Horiba LA-960 gibi modern bir lazer parçacık boyut analizörünün kurulumunu göstermektedir.
Bu yöntem basitçe, büyük parçacıklar ışığı küçük açılarla saçarken, küçük parçacıklar geniş açı saçılım desenleri üretir. Büyük parçacıklar, tanımlanan açılarda belirgin maksimum ve minimumlarla oldukça keskin bir yoğunluk dağılımı üretirken, küçük parçacıkların ışık saçılım örüntüsü gittikçe dağılır ve genel yoğunluk azalır. Parçacıkların tek tek ışık saçan sinyallerinin birbirine uyması nedeniyle çok boyutlu partiküllerin farklı dağılımlı partiküller içinde ölçülmesi özellikle zordur.
Şekil 8. Lazer ışık saçılım spektrometresi Horiba LA-960, dağınık ışık görüntüsünü geniş açıya kaydetmek için iki ışık kaynağı ve 93 ölçüm kanalı kullanır. Emülsiyonları ve kuru tozları 0.01 nm ile 5.000 μm aralığında ölçmek mümkündür.
Statik lazerli ışık saçılımı (SLS), parçacıkların oluşturduğu dağınık ışık modelleri temelinde parçacık boyutu dağılımlarını hesaplayan dolaylı bir yöntemdir. Algoritmalar;parçacıkların küresel olması, kırılma indeksi (RI)ve emilim indeksi (AI) gibi optik özelliklerin iyi bilinen MIE teorisine dayanmaktadır.
SLS’nin en büyük avantajı ise geniş ölçüm aralığıdır. Bu yazıda bahsedilen diğer tekniklerden hiçbiri 1 mikrondan küçük partikülleri güvenilir şekilde tespit edememektedir.SLS metodu oldukça kullanıcı dostu olup,büyük oranda otomatik hale getirilebilirler.
Bu yöntemin tek dezavantajı ise nispeten zayıf çözünürlüğe sahip olmasıdır. En son çıkan analizör bile, hacim 2 Vol%’nın altında ise büyük boy fraksiyonları çok hassas bir şekilde tespit edememektedir.
Bir karışımdaki üçten fazla farklı bileşen esas olarak saptanamamaktadır.Şekil 9,polistiren-lateks standart parçacıkların bir karışımının örneğini göstermektedir.
Dinamik görüntü analizi, SLS’nin aksine, tam olarak dört farklı parçacık boyutunu saptayabilirken, lazer difraksiyon analizörü,10 μm ve 12 μm parçacıkları doğru bir şekilde çözememektedir.
Şekil 9. Bir karışımın ölçümü- Dört parçacık standardının (2.5 μm- 5 m- 10 μm- 12 μm). DIA dört bileşeni (kırmızı) ayırt edebilmesine karşın,lazer kırınımı yalnızca üç bileşeni ayırt eder.
Şekil 10’da ise öğütülmüş kahve örneğini kullanarak SLS, DIA ve elek analizi arasındaki karşılaştırılabilirliğini göstermektedir. Elek analizi iyi sonuçlar vermektedir.CAMSIZER® X2 ile parçacık genişliğinin ölçülmesi elek analizine en yakın sonuçları vermektedir.
Elek analizi ve lazer kırınımı arasında ise net bir karşılaştırılabilirlik bulunmamaktadır; SLS ile elde edilen sonuç kabaca X-alan parametresine (eşdeğer daireninçapı) karşılık gelir. Ölçülen çeşitli parçacık boyutlarının hepsi küresel şekilli parçacıklarla ilişkilendirilir.
Bu nedenle,SLS her zaman görüntü analizinden daha geniş boyut dağılımları vermektedir.
Şekil 10. Öğütülmüş kahveyi farklı yöntemlerle ölçme. DIA, parçacık genişliği (kırmızı); DIA, parçacık uzunluğu (mavi); DIA, eşdeğer dairenin çapı (yeşil); Lazer kırınımı (turuncu *); Elek analizleri (siyah *) Şekil 11’deki selüloz liflerinin ölçüm karşılaştırması, metotların karşılaştırmasınız daha belirgin hale gelir.
DIA, liflerin kalınlığı ve uzunluğu arasında ayrımı keskin bir şekilde yaparken yaparken, SLS bunu yapamaz. Lazer kırınımının ölçüm eğrisi önce DIA’nın genişlik ölçümüne paralel (kırmızı) ve daha sonra “fiber uzunluğuna” (mavi) yaklaşır.
Lazer saçılması sonucunda genişlik ve uzunluk bilgisi bulunur ve hepsi bir boyut dağılımı içine birleştirilir.
Şekil 11. Selüloz elyafının ölçülmesi. CAMSIZER® XT (görüntü analizi) partikül genişliğini (kırmızı), parçacık uzunluğunu (mavi) ve X alanını (yeşil) ölçer. SLS ölçümü(*), genişlik ve uzunluk karışımıdır ve sürekli bir geçiş gösterir. DIA, Genişlik ve uzunluk.
Sonuç
Bu yazımızda sunulan yöntemlerden dinamik görüntü analizi; şekiller de dikkate alındığı için parçacık boyutu hakkında en kesin bilgi sağlayabilen tekniktir. Bu, diğer yöntemlerle elde edilen sonuçların izlenmesi ve gerektiğinde karşılaştırılabilir olmasının mümkün olduğu anlamına gelir.
Parçacıkların doğrudan ölçümü sayesinde,DIA’nın bilgi içeriği ve çözünürlüğü, lazer kırınımı ve elek analizi daha göre çok daha belirgindir.Elek analizinin avantajları, geleneksel olarak geniş kullanım ve nispeten düşük cihaz maliyeti olmasıdır.
Lazer kırınımı ile parçacık boyutu analizi; 1 mikronun altında boyut ölçebilen güvenilir bir tekniktir.
Caner Pekel / Kimya Mühendisi / Kutay Laboratuvar Cihazları
