پارتیکل سایز آنالایزر جامد برای بررسی دقیق اندازه ذرات
اندازه ذرات یکی از ویژگی های مهم بسیاری از مواد جامد است و می تواند بر رفتار آن ها در فرآیند تولید و همچنین عملکرد محصول نهایی اثر بگذارد. در مواد پودری، تنها دانستن یک اندازه متوسط معمولاً برای توصیف کامل نمونه کافی نیست؛ زیرا ممکن است نمونه ای از ذرات بسیار ریز و درشت تشکیل شده باشد و توزیع اندازه آن یکنواخت نباشد.
پارتیکل سایز آنالایزر جامد برای بررسی همین توزیع طراحی شده است. این دستگاه با تحلیل نحوه پراکندگی نور توسط ذرات، اطلاعاتی درباره توزیع اندازه ذرات در اختیار آزمایشگاه قرار می دهد.
در اندازه گیری خشک، نمونه به جای پراکنده شدن در یک مایع، در مسیر اندازه گیری به صورت پودر یا ذرات جامد عبور داده می شود. بنابراین انتخاب روش تغذیه نمونه، شدت پراکنده سازی و کنترل جریان ذرات اهمیت زیادی دارد.
این ویژگی به خصوص برای موادی اهمیت دارد که حل کردن یا پراکنده کردن آن ها در مایع می تواند ساختار واقعی ذرات را تغییر دهد یا فرآیند آماده سازی نمونه را پیچیده کند.
فناوری پراش لیزری در اندازه گیری ذرات جامد
یکی از روش های رایج برای تعیین توزیع اندازه ذرات، Laser Diffraction یا پراش لیزری است.
در این روش، ذرات از مسیر پرتو لیزر عبور می کنند و نحوه پراکندگی نور توسط مجموعه ذرات اندازه گیری می شود. شدت نور و زاویه پراکندگی به ویژگی های اندازه ای ذرات وابسته است.
ذرات بزرگ تر معمولاً نور را در زاویه های کوچک تر و ذرات کوچک تر در زاویه های بزرگ تر پراکنده می کنند. آشکارسازهای دستگاه این اطلاعات را ثبت کرده و نرم افزار با استفاده از مدل های محاسباتی، توزیع اندازه ذرات را استخراج می کند.
این روش به دلیل سرعت بالا و قابلیت بررسی تعداد زیادی از ذرات، در بسیاری از آزمایشگاه های کنترل کیفیت و تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرد.
استاندارد ISO 13320 نیز به الزامات و توصیه های مربوط به اندازه گیری توزیع اندازه ذرات با روش پراش لیزری می پردازد. انتخاب شرایط آزمون و تفسیر نتایج باید متناسب با ویژگی های ماده و روش مورد استفاده انجام شود.
تفاوت اندازه گیری خشک و مرطوب
یکی از مهم ترین تصمیم ها هنگام انتخاب دستگاه، تعیین این است که اندازه گیری نمونه به صورت خشک انجام شود یا مرطوب.
در روش مرطوب، ذرات در یک محیط مایع پراکنده شده و سپس وارد مسیر اندازه گیری می شوند. این روش برای موادی که به خوبی در محیط مناسب پراکنده می شوند، کاربرد زیادی دارد.
در مقابل، در اندازه گیری خشک، نمونه بدون استفاده از محیط پراکنده کننده مایع به دستگاه وارد می شود.
روش خشک برای نمونه هایی می تواند مناسب باشد که:
- به صورت پودر یا گرانول مصرف می شوند.
- در آب یا حلال مناسب حل یا متورم می شوند.
- تماس با مایع باعث تغییر ساختار یا رفتار ذرات می شود.
- آماده سازی مرطوب آن ها زمان بر است.
- تعداد زیادی نمونه باید با سرعت بالا بررسی شوند.
- مقدار نمونه برای آزمون محدود است.
البته اندازه گیری خشک همیشه جایگزین مستقیم اندازه گیری مرطوب نیست. اگر هدف آزمایش بررسی اندازه ذرات در شرایط پراکنده شده داخل یک فرمولاسیون باشد، روش مرطوب ممکن است اطلاعات متفاوتی ارائه دهد.
بنابراین روش اندازه گیری باید بر اساس هدف آزمون و وضعیت واقعی کاربرد ماده انتخاب شود.
اهمیت پراکنده سازی پودر
یکی از چالش های اصلی در اندازه گیری خشک، تشخیص تفاوت بین ذره منفرد و آگلومره است.
فرض کنید چند ذره ریز به یکدیگر چسبیده اند. اگر این مجموعه بدون جداسازی وارد مسیر اندازه گیری شود، ممکن است دستگاه آن را به عنوان ذره ای بزرگ تر ثبت کند. در نتیجه توزیع اندازه به سمت مقادیر بزرگ تر تغییر خواهد کرد.
برای کاهش این مشکل، دستگاه های اندازه گیری خشک از روش های مختلفی برای کنترل جریان و پراکنده سازی استفاده می کنند.
در برخی سیستم ها، هوای فشرده برای جدا کردن تجمع های ذرات به کار می رود. در برخی دیگر، نمونه با مکش یا جریان کنترل شده وارد مسیر اندازه گیری می شود.
شدت پراکنده سازی باید با ماهیت ماده سازگار باشد. استفاده از انرژی زیاد برای یک پودر شکننده ممکن است باعث شکستن ذرات یا گرانول ها شود و نتیجه ای ایجاد کند که با وضعیت واقعی نمونه متفاوت است.
کنترل جریان نمونه در اندازه گیری خشک
جریان یکنواخت نمونه یکی از عوامل مهم در تکرارپذیری آزمون است.
اگر در یک مرحله مقدار زیادی پودر وارد مسیر لیزر شود و در مرحله دیگر مقدار کمی از آن عبور کند، شرایط اندازه گیری ثابت نخواهد بود. در نتیجه ممکن است نتایج آزمون های تکراری اختلاف قابل توجهی داشته باشند.
به همین دلیل، سیستم تغذیه نمونه باید بتواند مقدار و سرعت ورود پودر را تا حد امکان کنترل کند.
در برخی تجهیزات، این فرآیند با فیدر ارتعاشی، مکش خلأ و جریان هوای کنترل شده انجام می شود. ترکیب این اجزا امکان ایجاد جریان مناسب برای طیف مختلفی از پودرها را فراهم می کند.
این موضوع برای نمونه هایی با جریان پذیری پایین، چسبندگی بالا یا تمایل زیاد به آگلومره شدن اهمیت بیشتری دارد.
اندازه گیری پودرهای شکننده و گرانول ها
تمام مواد جامد را نمی توان با یک شرایط پراکنده سازی اندازه گیری کرد.
برای مثال، یک پودر آزاد ممکن است به راحتی با جریان هوا پراکنده شود؛ اما یک گرانول متخلخل یا ذره شکننده ممکن است در اثر فشار هوای بالا شکسته شود.
در این حالت، نتیجه دستگاه به جای توزیع اندازه گرانول اولیه، توزیع ذرات حاصل از خردشدن آن را نشان خواهد داد.
بنابراین در هنگام استفاده از پارتیکل سایز آنالایزر جامد باید مشخص شود که هدف، اندازه گیری:
- اندازه گرانول اولیه
- اندازه ذرات منفرد
- یا اندازه ذرات پس از پراکنده سازی کامل
است.
برخی سیستم ها امکان غیرفعال کردن پراکنده سازی با هوای فشرده را نیز فراهم می کنند تا نمونه های شکننده بدون اعمال انرژی شدید بررسی شوند. در سیستم خشک PowderJet مورد استفاده در خانواده LA-960V2، HORIBA امکان اندازه گیری با پراکنده سازی اجباری و همچنین شرایط بدون پراکنده سازی را ارائه کرده است.
خروجی های مهم در تحلیل اندازه ذرات
نتیجه اندازه گیری تنها یک عدد نیست. دستگاه می تواند توزیع اندازه ذرات را به شکل نمودار و پارامترهای عددی مختلف ارائه کند.
یکی از پارامترهای متداول D50 است که میانه توزیع را نشان می دهد. در کنار آن، D10 و D90 برای بررسی بخش های مختلف توزیع کاربرد دارند.
برای نمونه، بررسی همزمان D10، D50 و D90 می تواند دید بهتری نسبت به گستردگی توزیع ارائه کند.
در کنترل کیفیت نیز مقایسه این پارامترها میان بچ های مختلف می تواند برای بررسی یکنواختی محصول مفید باشد.
با این حال، تفسیر این اعداد باید با توجه به روش اندازه گیری، شکل ذرات و مدل محاسباتی انجام شود و نباید یک پارامتر منفرد به تنهایی مبنای ارزیابی قرار گیرد.
محدوده اندازه گیری و انتخاب دستگاه
محدوده اندازه گیری یکی از مشخصات اصلی هر پارتیکل سایز آنالایزر جامد است.
در سیستم خشک PowderJet مربوط به LA-960V2، محدوده اعلام شده حدود 100 نانومتر تا 5000 میکرومتر است. این محدوده به پیکربندی سیستم و تجهیزات جانبی وابسته است.
در مقابل، یکی از پیکربندی های خشک خانواده SALD شرکت SHIMADZU، یعنی SALD-2300 همراه با واحد SALD-DS5/DS5S، برای اندازه گیری خشک پودرها طراحی شده است و از مکانیزم تغذیه و پراکنده سازی سیکلونی استفاده می کند. خود SALD-2300 در مشخصات کلی، محدوده اندازه گیری 17 نانومتر تا 2500 میکرومتر را اعلام می کند؛ اما محدوده عملی اندازه گیری به پیکربندی و شرایط نمونه وابسته است.
بنابراین هنگام مقایسه دستگاه ها، نباید فقط بزرگ ترین عدد محدوده اندازه گیری را ملاک قرار داد. اندازه واقعی ذرات، شکل و چگالی ماده، جریان پذیری پودر و رفتار آن در برابر پراکنده سازی نیز باید بررسی شود.
نقش نرم افزار در تحلیل نتایج
بعد از ثبت سیگنال های نوری، داده ها باید به توزیع اندازه ذرات تبدیل شوند. نرم افزار دستگاه در این مرحله نقش مهمی دارد.
یک نرم افزار مناسب باید امکان مشاهده نمودار توزیع، بررسی پارامترهای اندازه ای، ذخیره نتایج و مقایسه آزمون ها را فراهم کند.
در آزمایشگاه های کنترل کیفیت، قابلیت ذخیره روش ها نیز اهمیت دارد؛ زیرا باعث می شود آزمون های یک ماده در دفعات مختلف با شرایط نزدیک تری انجام شوند.
در تجهیزات SHIMADZU، نرم افزار LabSolutions SALD برای مدیریت داده های مربوط به SALD-2300 ارائه شده و امکاناتی برای پردازش و مدیریت داده ها در محیط آزمایشگاهی فراهم می کند.
پارتیکل سایز آنالایزر جامد برای چه موادی مناسب است؟
کاربرد این تجهیزات محدود به یک صنعت خاص نیست. هرجا اندازه و توزیع ذرات جامد روی کیفیت یا رفتار محصول اثر داشته باشد، آنالیز اندازه ذرات می تواند بخشی از کنترل فرآیند باشد.
صنایع دارویی
در مواد اولیه دارویی، پودرها و برخی مواد کمکی، اندازه ذرات می تواند بر ویژگی هایی مانند سرعت انحلال، یکنواختی و رفتار فرآیندی اثر بگذارد.
صنایع غذایی
آرد، پودرهای نوشیدنی، مواد افزودنی و بسیاری از محصولات پودری را می توان از نظر توزیع اندازه ذرات بررسی کرد. SHIMADZU نیز استفاده از سیستم خشک SALD-DS5 برای نمونه هایی مانند پودرهای غذایی را مستند کرده است.
صنایع شیمیایی
مواد اولیه پودری، کاتالیست ها، نمک ها، پیگمنت ها و بسیاری از مواد شیمیایی جامد از جمله نمونه هایی هستند که اندازه ذرات آن ها می تواند در کنترل کیفیت اهمیت داشته باشد.
مواد معدنی و سرامیکی
در مواد معدنی و سرامیک، توزیع اندازه ذرات می تواند روی فرآیندهای اختلاط، شکل دهی، تراکم و رفتار محصول نهایی اثرگذار باشد.
مواد باتری و مواد پیشرفته
در مواد فعال الکترودی و برخی مواد پیشرفته نیز کنترل اندازه ذرات می تواند بخشی از فرآیند تحقیق و توسعه و کنترل مواد اولیه باشد.
راهکار خشک در خانواده HORIBA
در خانواده Partica LA-960V2، امکان اندازه گیری خشک با استفاده از واحد PowderJet در نظر گرفته شده است. این سیستم برای انتقال و پراکنده سازی پودر از فیدر ارتعاشی، هوای فشرده و خلأ استفاده می کند.
یکی از ویژگی های مهم این سیستم، کنترل خودکار جریان پودر است. طبق اطلاعات سازنده، حلقه بازخورد می تواند برای حفظ شرایط مناسب عبور پودر و ثابت نگه داشتن انتقال نور لیزر استفاده شود. همچنین عملکرد Auto Measurement امکان کنترل پارامترهایی مانند فشار هوا، خلأ، جریان پودر، شروع و توقف اندازه گیری و زمان آزمون را فراهم می کند.
برای نمونه های مختلف نیز متعلقات متفاوتی مانند Standard Chute، V-Type Chute، Coated Chute و Vacuum Sampler ارائه شده است. این گزینه ها برای نمونه هایی با ویژگی هایی مانند مقدار کم، جریان پذیری پایین یا چسبندگی بیشتر کاربرد دارند.
راهکار خشک در خانواده SHIMADZU
در محصولات SHIMADZU، مدل SALD-2300 را می توان با واحد اندازه گیری خشک SALD-DS5/DS5S پیکربندی کرد. این واحد از سیستم تزریق سیکلونی برای مکش و پراکنده سازی پودر استفاده می کند.
طبق اطلاعات رسمی، امکان انتخاب بین مکانیزم های مختلف تغذیه نمونه مانند Cyclone Type، One Shot Type و Hand Shot Type و همچنین نازل های مختلف وجود دارد تا روش ورود نمونه بر اساس ویژگی و مقدار پودر انتخاب شود. این سیستم برای موادی مانند پودرهای دارویی، پودرهای غذایی و نمونه هایی که تمایل به آگلومره شدن دارند معرفی شده است.
این انعطاف پذیری اهمیت زیادی دارد؛ زیرا روش تغذیه مناسب برای یک پودر سبک و روان الزاماً برای ماده ای با چسبندگی یا آگلومراسیون بالا مناسب نیست.
مشخصات فنی و مقایسه دو راهکار
| مشخصه | پیکربندی HORIBA LA-960V2 + PowderJet | پیکربندی SHIMADZU SALD-2300 + DS5/DS5S |
|---|---|---|
| روش اندازه گیری | پراش لیزری | پراش لیزری |
| روش ورود نمونه | فیدر ارتعاشی | سیستم تزریق خشک |
| پراکنده سازی | هوای فشرده / شرایط بدون پراکنده سازی | سیستم تزریق و پراکنده سازی سیکلونی |
| محدوده اعلام شده برای واحد خشک | حدود 100 nm تا 5000 µm | وابسته به پیکربندی؛ SALD-2300 در مشخصات کلی 17 nm تا 2500 µm |
| کنترل جریان | فیدبک خودتنظیم | انتخاب مکانیزم تغذیه و نازل |
| مناسب برای نمونه کم | Vacuum Sampler | گزینه های One Shot / Hand Shot |
| نمونه های آگلومره | قابل استفاده با تنظیم پراکنده سازی مناسب | برای نمونه های آگلومره نیز گزینه های پراکنده سازی ارائه شده |
| نرم افزار | نرم افزار اختصاصی LA-960V2 | LabSolutions SALD |
مقادیر و قابلیت های جدول بر اساس پیکربندی های رسمی اعلام شده توسط سازندگان است و انتخاب نهایی باید با توجه به نوع نمونه و تجهیزات جانبی انجام شود.
عوامل مهم در انتخاب پارتیکل سایز آنالایزر جامد
انتخاب این تجهیز باید بر اساس نمونه واقعی آزمایشگاه انجام شود. مهم ترین عوامل عبارت اند از:
محدوده واقعی اندازه ذرات
ابتدا باید مشخص شود که بخش عمده ذرات در چه محدوده ای قرار دارند. انتخاب دستگاهی با محدوده بسیار بزرگ تر از نیاز، لزوماً به معنای مناسب تر بودن آن نیست.
جریان پذیری پودر
پودرهای روان، چسبنده و دارای جریان پذیری پایین رفتار متفاوتی در سیستم تغذیه دارند. بنابراین مکانیزم فیدر اهمیت زیادی دارد.
میزان آگلومراسیون
اگر نمونه به شدت تمایل به تجمع دارد، دستگاه باید امکان پراکنده سازی مناسب را داشته باشد.
شکنندگی ذرات
برای گرانول های شکننده باید مشخص شود که اعمال هوای فشرده یا انرژی مکانیکی باعث شکست آن ها نشود.
مقدار نمونه
در آزمایشگاه هایی که نمونه گران یا محدود است، قابلیت اندازه گیری با مقدار کم می تواند یک معیار مهم انتخاب باشد.
تکرارپذیری
اگر دستگاه برای کنترل کیفیت استفاده می شود، تکرارپذیری نتایج و قابلیت تعریف روش های ثابت اهمیت زیادی دارد.
امکان توسعه سیستم
قابلیت اضافه کردن متعلقات مختلف برای اندازه گیری انواع نمونه ها می تواند در بلندمدت ارزشمند باشد؛ به خصوص اگر آزمایشگاه در آینده نمونه های متنوع تری را بررسی کند.
پارتیکل سایز آنالایزر جامد در لاله تجهیز آزما
پارتیکل سایز آنالایزر جامد در لاله تجهیز آزما برای آزمایشگاه هایی در نظر گرفته می شود که نیاز به تعیین توزیع اندازه ذرات پودرها، گرانول ها و سایر مواد جامد دارند.
با توجه به تفاوت رفتار پودرها، انتخاب دستگاه و سیستم تغذیه باید بر اساس مشخصات واقعی نمونه انجام شود. در این فرآیند، عواملی مانند محدوده اندازه ذرات، جریان پذیری، آگلومراسیون، شکنندگی و مقدار نمونه قابل دسترس بررسی می شوند.
لاله تجهیز آزما می تواند در انتخاب پیکربندی مناسب از میان راهکارهای موجود، بررسی متعلقات مورد نیاز و تطبیق مشخصات دستگاه با کاربرد آزمایشگاه به شما کمک کند.
برای دریافت مشاوره تخصصی درباره انتخاب پارتیکل سایز آنالایزر جامد، با کارشناسان لاله تجهیز آزما تماس بگیرید.
جمع بندی
پارتیکل سایز آنالایزر جامد برای اندازه گیری توزیع اندازه ذرات در پودرها، گرانول ها و مواد جامد طراحی شده است و استفاده از روش پراش لیزری امکان تحلیل سریع و گسترده توزیع ذرات را فراهم می کند.
در اندازه گیری خشک، برخلاف روش مرطوب، نمونه بدون نیاز به پراکنده کننده مایع وارد سیستم می شود. در نتیجه انتخاب روش تغذیه، کنترل جریان پودر و شدت پراکنده سازی نقش مهمی در کیفیت نتیجه دارند.
راهکارهای ارائه شده توسط HORIBA و SHIMADZU هر دو امکان اندازه گیری خشک را در پیکربندی های مشخص فراهم می کنند، اما نوع سیستم تغذیه، پراکنده سازی و متعلقات هر کدام متفاوت است. بنابراین انتخاب بین آن ها باید بر اساس ویژگی واقعی نمونه، محدوده مورد نیاز و روش آزمون آزمایشگاه انجام شود.
