🔬 Analiza granulometryczna — dyfrakcja laserowa
Wyznaczanie rozkładu wielkości cząstek (0,1 µm – 3 mm) w proszkach, zawiesinach, emulsjach i aerozolach metodą dyfrakcji laserowej. Szybka, niedestrukcyjna metoda z wysoką powtarzalnością.
Przegląd
Analiza granulometryczna metodą dyfrakcji laserowej jest jedną z najszerzej stosowanych technik wyznaczania rozkładu wielkości cząstek w przemyśle farmaceutycznym, chemicznym, budowlanym, spożywczym, kosmetycznym i materiałowym. Norma PN-EN ISO 13320:2020 definiuje zasady metody, wymagania dotyczące aparatury i procedury pomiarowej.
Metoda jest stosowana w zakresie wielkości cząstek od ok. 0,1 µm do 3 mm (a z rozszerzeniami — poniżej 0,1 µm i powyżej 3 mm). Próbka w postaci zawiesiny (dyspersja mokra) lub aerozolu (dyspersja sucha) przechodzi przez wiązkę monochromatycznego światła laserowego. Cząstki rozpraszają światło pod kątami zależnymi od ich rozmiaru — mniejsze cząstki rozpraszają pod większymi kątami. Rozkład kątowy światła rozproszonego jest rejestrowany przez matrycę fotodetektorów i przeliczany na rozkład wielkości cząstek.
Obliczenia opierają się na teorii Mie (dla cząstek sferycznych) lub przybliżeniu Fraunhofera (dla cząstek >> długości fali). Wyniki wyrażane są jako rozkład objętościowy ze wskaźnikami D10, D50 (mediana) i D90 oraz parametrami SPAN i średnią De Brouckere (D[4,3]).
Wiodącymi producentami analizatorów laserowych są: Malvern Panalytical (Mastersizer 3000), Horiba (LA-960V2), Beckman Coulter (LS 13 320), Sympatec (HELOS), Fritsch (Analysette 22). Koszt aparatury 80 000–600 000 PLN, czas pomiaru 1–5 minut.
Zasada metody
Monochromatyczna wiązka lasera (He-Ne 633 nm lub dioda 470 nm) oświetla próbkę zdyspergowaną w medium (ciecz lub powietrze). Cząstki rozpraszają światło — kąt rozproszenia jest odwrotnie proporcjonalny do rozmiaru cząstki (małe cząstki → duże kąty). Rozkład kątowy natężenia światła rozproszonego jest mierzony przez koncentryczną matrycę fotodetektorów (detektory pod kątami 0,01°–135°). Na podstawie zmierzonego wzorca dyfrakcyjnego, algorytm oparty na teorii Mie (wymagający znajomości współczynnika załamania próbki i medium) oblicza rozkład wielkości cząstek (objętościowy).
Zastosowania
- Kontrola jakości cementu, wapna, gipsu (przemysł budowlany)
- Analiza wielkości cząstek substancji czynnych w farmacji (API, granulaty)
- Kontrola proszków metalowych do druku 3D (SLM/SLS)
- Analiza emulsji i zawiesin w przemyśle kosmetycznym i spożywczym
- Kontrola pigmentów i farb (rozkład wielkości wpływa na kolor i krycie)
- Analiza gleb i osadów w geologii i ochronie środowiska
- Kontrola aerozoli i inhalatorów farmaceutycznych (MDI, DPI)
- Badania materiałów ceramicznych i ogniotrwałych
Kluczowe parametry
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| Zakres pomiarowy | 0,01–3 500 µm (zależnie od modelu i konfiguracji) |
| Wskaźniki rozkładu | D10, D50 (mediana), D90, D[4,3], D[3,2], SPAN |
| Powtarzalność | CV < 1% (D50) dla próbek jednorodnych |
| Model optyczny | Teoria Mie (wymagany współczynnik załamania n i k) lub Fraunhofer |
| Czas pomiaru | 1–5 min (łącznie z dyspersją) |
| Dyspersja | Mokra (woda, izopropanol, heksan) lub sucha (sprężone powietrze) |
Norma
- Numer normy
- PN-EN ISO 13320:2020
- Tytuł (PL)
- Analiza wielkości cząstek — Metody dyfrakcji laserowej
- Title (EN)
- Particle size analysis — Laser diffraction methods
Procedura krok po kroku
1. Przygotowanie aparatu
Włącz analizator i laser min. 30 min przed pomiarem. Uruchom oprogramowanie, wyzeruj układ optyczny.
2. Pomiar tła
Napełnij celkę medium dyspersyjnym (bez próbki). Wykonaj pomiar tła (background). Absorbancja tła < 0,5%.
3. Dobór parametrów
Wprowadź współczynnik załamania próbki (n) i absorpcji (k) do modelu Mie. Wybierz medium, szybkość pompy, moc ultradźwięków.
4. Dozowanie próbki
Dodawaj próbkę do medium kroplami / szpatułką, monitorując zaciemnienie (obscuration). Docelowo 5–20% zaciemnienia.
5. Dyspersja
Włącz pompę cyrkulacyjną i ultradźwięki (mokra) lub strumień powietrza (sucha). Dysperguj 30–60 s.
6. Pomiar
Uruchom pomiar (zwykle 3–5 skanów, uśrednianie). Czas jednego skanu: 10–20 s. Sprawdź powtarzalność między skanami.
7. Weryfikacja wyniku
Sprawdź rezydua modelu Mie (< 1%), zaciemnienie, powtarzalność D50 (CV < 3% między pomiarami). Powtórz pomiar 3× na niezależnych naważkach.
8. Analiza wyników
Odczytaj D10, D50, D90, SPAN = (D90-D10)/D50. Porównaj z wymaganiami specyfikacji produktu.
9. Czyszczenie
Przepłucz celkę medium, następnie wodą oczyszczoną (3×). Dla próbek trudno rozpuszczalnych — izopropanol lub aceton.
10. Kontrola jakości
Co najmniej raz dziennie zmierz wzorzec certyfikowany (szklane kulki). D50 w zakresie ±3% wartości certyfikowanej.
Wymagany sprzęt i aparatura
| Sprzęt | Przykład | Orientacyjna cena |
|---|---|---|
| Analizator dyfrakcji laserowej | Malvern Mastersizer 3000, Horiba LA-960V2, Beckman Coulter LS 13 320 | 150 000–600 000 PLN |
| Moduł dyspersji mokrej | Malvern Hydro MV / Hydro SV, Horiba PowderJet | W zestawie lub 30 000–80 000 PLN |
| Moduł dyspersji suchej | Malvern Aero S, Horiba PowderJet Dry | 50 000–100 000 PLN |
| Łaźnia ultradźwiękowa | Wbudowana w moduł dyspersji lub zewnętrzna (Bandelin, Elma) | 3 000–8 000 PLN |
| Wzorzec wielkości cząstek | Malvern QAS3001B (15–150 µm szklane kulki), NIST SRM 1003c | 2 000–5 000 PLN |
Odczynniki, podłoża i materiały eksploatacyjne
| Odczynnik | CAS | Szczegóły |
|---|---|---|
| Woda oczyszczona | — | Medium dyspersyjne dla próbek hydrofilowych, odgazowana, filtrowana 0,2 µm |
| Izopropanol | 67-63-0 | Medium dyspersyjne dla próbek wrażliwych na wodę (cement, proszki metalowe) |
| Surfaktant (Tween 80 / Triton X-100) | 9005-65-6 | Zapobieganie aglomeracji — dodawany do medium mokrego (0,1–0,5%) |
| Wzorce kuliste (glass beads) | — | Certyfikowane szklane mikrokulki o znanym rozkładzie — weryfikacja kalibracji aparatu |
Bezpieczeństwo i higiena pracy (BHP)
- Laser klasy 1 (zamknięty w aparacie) — nie otwierać obudowy podczas pracy
- Izopropanol — łatwopalny, wentylacja, nie stosować w pobliżu ognia
- Proszki — unikać wdychania, stosować maskę przeciwpyłową przy dozowaniu
- Sprężone powietrze (dyspersja sucha) — hałas, chronić słuch