Оборудование
Заявка на сервисное обслуживание Личный кабинет Корзина

Гранулометрический анализ пигментов методом лазерной дифракции

  1. Главная страница
  2. Пресс-центр
  3. Гранулометрический анализ пигментов методом лазерной дифракции

Любой человек сталкивается в повседневной жизни с различными пигментами и красками. Косметика, автомобильные и бытовые краски, чернила в шариковой ручке или принтере — их можно встретить повсюду. При изготовлении красок надо учитывать множество различных параметров. Например, при изготовлении красок для печати диаметр частиц краски не должен превышать диаметр каналов, через которые дозируется краска в принтере.

Покровные свойства или укрывистость конкретной краски или пигмента в значительной степени зависят от распределения частиц пигмента по размерам. Размер частиц определяет красящую способность и интенсивность цвета (не учитывая светорассеяние самого пигмента). Способность пигмента поглощать свет (красящая способность) увеличивается по мере уменьшения диаметра частиц и, соответственно, увеличения площади поверхности до тех пор, пока частицы не станут прозрачными для падающего света. Определение размеров частиц становится важной процедурой, позволяющей контролировать качество конечного продукта во многих современных отраслях производства красок и пигментов.

Метод анализа

Для определения распределения частиц пигментов по размерам используются различные методы и среди них лазерная дифракция — метод, который становится все более популярным. Преимущества метода: простота и небольшое время анализа, как правило, меньше минуты. Недостатки: в большей части пигментов присутствуют частицы субмикронных размеров, и чувствительности приборов не всегда хватает для точного измерения.

Почему возникают трудности при определении размеров частиц субмикронных размеров? Крупные частицы сильно рассеивают свет лазера под малыми углами, и при этом в профиле рассеяния легко идентифицируются максимумы и минимумы. Это означает, что детекторы, расположенные под малыми углами по отношению к направлению распространения падающего света и имеющие достаточное угловое разрешение, могут выявить тонкую структуру профиля рассеяния. Точное измерение интенсивности света в этих максимумах и минимумах позволяет определить средний размер, а также распределение частиц анализируемого материала по размерам.

Малые частицы, наоборот, слабо рассеивают свет под малыми углами, а заметные максимумы и минимумы появляются в профиле рассеяния только под большими углами. На рисунке показано, что при измерении размеров частиц меньше 1 мкм возникают серьезные трудности, связанные со слабыми сигналами и гладким угловым профилем. Профиль рассеяния не имеет каких-либо особенностей, которые можно было бы охарактеризовать, чтобы определить размер частиц.




Для увеличения диапазона измерений изготовители приборов нашли несколько решений. Одним из выходов было измерение интенсивности света, рассеянного в обратном направлении, и использование света с короткой (вторичной) длиной волны. Укорочение длины волны позволяет получить более интенсивный световой поток по сравнению со стандартным лазерным светом. Кроме этого, отношение размера частицы и длины волны увеличивается, что увеличивает точность измерения размеров малых частиц.

Компания Beckman Coulter пошла в другом направлении, разработав новый метод, позволяющий повысить точность анализа в субмикронном диапазоне в стандартных лазерно-дифракционных системах. Это достигается регистрацией рассеяния поляризованного света различных длин волн при использовании дополнительного источника лазерного излучения. Регистрация проводится в широком угловом диапазоне. Данный метод носит название «дифференциальная интенсивность рассеянного поляризованного света» (Polarization Intensity Differential Scattering, PIDS).

PIDS

Принцип, использующийся в методе PIDS, прост и основан на теории рассеяния света, разработанной Гюставом Ми в начале XX века. Свет представляет собой поперечную волну, он состоит из перпендикулярных друг другу векторов напряженности магнитного и электрического поля. Если вектор электрического поля перемещается, к примеру, вверх/вниз, говорят, что свет поляризован вертикально. При освещении образца светом известной длины волны и поляризации в нём под действием электрического поля возникают диполи. Электроны этих диполей осциллируют в плоскости поляризации падающего света. Осциллирующие в частицах диполи излучают свет во всех направлениях, за исключением направления осцилляции.

Метод PIDS основан на этом явлении. Образец последовательно облучается светом трех длин волн (в анализаторах Beckman Coulter LS 230
и LS 13 320 — 450 нм, 600 нм и 900 нм), сначала — поляризованным вертикально, затем — поляризованным горизонтально. Интенсивность рассеянного, или переизлученного, света измеряется в широком угловом диапазоне. Оценив разницу между рассеянием вертикально и горизонтально поляризованного света на каждой длине волны, можно получить информацию о распределении частиц по размерам. Важно помнить, что мы измеряем разницу сигналов от вертикально и горизонтально поляризованного света, а не просто значения, получаемые при определенной поляризации.

Затем информация об угловой дифференциальной интенсивности рассеянного поляризованного света, полученная от детекторов PIDS, комбинируется с информацией об угловой интенсивности рассеянного света, полученной от обычных детекторов. В результате точно вычисляется непрерывное распределение частиц в диапазоне от доли микрона до миллиметра (от 0.04 мкм до 2 000 мкм в анализаторах Beckman Coulter LS 230 и LS 13 320).

Проблемы при анализе красящих пигментов

При анализе пигментов методом лазерной дифракции возникает уникальная проблема, редко встречающаяся при анализе других материалов. Подавляющее большинство анализируемых на серийных приборах образцов не окрашено, что упрощает их анализ. Однако для точного определения размеров частиц в окрашенных образцах пигментов необходимо знать действительную и мнимую часть показателя преломления материала.

Действительная часть показателя преломления — это значение, смысл которого хорошо понимают большинство специалистов, но с мнимой частью все несколько сложнее. Мнимая часть — это степень поглощения образца при конкретной длине волны света. Белые и прозрачные материалы не поглощают свет. Окрашенность пигментов объясняется тем, что они преимущественно поглощают свет определенных длин волн. Например, если синий пигмент с максимумом поглощения при 630 нм освещается гелий-неоновым лазером (длина волны 633 нм), который устанавливается в некоторых анализаторах в качестве первичного источника света, пигмент, в сущности, ведет себя как черный объект. Это необходимо учитывать при вычислении распределения частиц по размерам, особенно, если частицы имеют малые размеры. В противном случае будут допущены серьезные ошибки, причем величина ошибки будет тем больше, чем меньше диаметр частиц.

Определение мнимой части показателя преломления

Определение мнимой части показателя преломления пигмента можно выполнить с помощью оптического спектрофотометра, позволяющего измерить относительное поглощение материала при конкретной длине волны.

При выполнении спектрофотометрии необходимо выбрать раствор, в котором частицы пигмента растворятся до молекул. Уменьшение интенсивности света при прохождении через образец объясняется поглощением и рассеянием, поэтому, для того чтобы корректно измерить поглощение, необходимо минимизировать светорассеяние. Если подобрать подходящий раствор для растворения частиц невозможно, можно измерить поглощение очень малых частиц. Однако при этом существует вероятность появления ошибки вследствие рассеяния света частицами и получения завышенного значения поглощения. При анализе окрашенных материалов необходимо определить мнимую часть показателя преломления для каждой длины волны, а затем выборочно использовать найденные значения для того, чтобы для конкретного образца построить полную оптическую модель.

При анализе пигментов также рекомендуется в начале работы использовать другие источники информации, чтобы проверить или подтвердить полученные результаты. После того, как будет показана корреляция результатов и доказана пригодность модели для конкретного образца, ее можно уверенно использовать для анализа данного материала. Лучшие источники проверочной информации — микрофотографические снимки, которые можно получить с помощью оптического или электронного микроскопа. Этот подход особенно важен для определения небольших количеств частиц, превышающих допустимый размер. Они являются распространенной проблемой при производстве многих пигментов и появляются из-за неправильно подобранного способа измельчения или перемалывания. Шаровые мельницы могут давать примеси крупных частиц, которые нельзя обнаружить методом лазерной дифракции, особенно в тех случаях, когда мнимая часть коэффициента преломления не учитывается.

Пригодность оптической модели для анализа пигмента можно оценить наилучшим способом, если проконтролировать результаты процесса перемалывания в течение времени. Если для построения оптической модели используются правильные значения показателя преломления, средний размер будет постепенно уменьшаться. На рисунках показаны примеры использования правильной мнимой части показателя преломления. На нижнем рисунке представлены результаты, полученные при анализе того же образца, что и на верхнем, но с использованием значений мнимой части для синего пигмента. Обратите внимание на узкое распределение и отсутствие крупных частиц.




Распределение по размерам частиц оранжевого пигмента, перемалываемого в течение 30, 60, 90 и 120 минут. Максимум поглощения наблюдается примерно при 450 нм.




Распределение по размерам частиц, представленных на предыдущем рисунке, но вычисленное с использованием неправильного значения мнимой части показателя преломления.




Желтый пигмент, перемалывание которого выполнялось от 45 до 245 минут. Получена ожидаемая динамика распределения. Для анализа использовались значения мнимой части показателя преломления, найденные с помощью оптической спектрофотометрии. Данное распределение также может быть подтверждено другими методами.

Форма частиц

Критика метода лазерной дифрактометрии заключается в том, что данный метод не принимает во внимание форму анализируемых частиц. Это объясняется теми базовыми допущениями, которые используются при преобразовании необработанных данных, полученных в ходе анализа, в конечное распределение частиц по размерам.

Математические модели, использующиеся для вычисления распределения, базируются на рассеянии света сферами. Поэтому любое найденное распределение, в сущности, это распределение сферических частиц, эквивалентных анализируемым частицам. В большинстве случаев модель работает.

Частицы размельченного пигмента не являются совершенными сферами, поэтому возникает вопрос: как это влияет на результаты определения их размеров описанным выше методом? Идеальный способ решения этого вопроса — анализ материалов известной формы и размеров. Один такой пример — монодисперсные субмикронные веретенообразные частицы гематита, имеющие, по данным сканирующей электронной микроскопии, 130.8 нм в длину и 46.9 нм в ширину (примерное соотношение сторон 3:1).




Микрофотография образца с веретенообразными частицами гематита, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Мнимая часть показателя преломления частиц гематита была определена методом оптической спектроскопии, действительная часть показателя преломления определена методом спектральной эллипсометрии. Средний размер, найденный с помощью анализатора Beckman Coulter LS 13 320, составил 78 нм, и этот результат хорошо попадает в диапазон ожидаемых значений, учитывая хаотическое движение частиц в процессе измерения.

Оригинальная статья.

Мы будем информировать вас об интересных новостях
и приглашать на предстоящие выставки и семинары
Регулярность рассылки — не более 1 письма в неделю.
23.11.2020

Новинки для контроля качества от производителя сухих питательных сред Oxoid.

12.11.2020

Сократите время анализа пищевых волокон с помощью приборов GDE, CSF6.

28.10.2020

Представляем новый лазерный анализатор частиц от Fritsch.

26.10.2020

Представляем новинку – винтовой насос VACUU·PURE®.

15.10.2020

Представляем новинку от Thermo Fisher Scientific.

08.10.2020

Набор для обнаружения патогенов в пищевых продуктах.

15.09.2020

Представляет линейку проточных гомогенизаторов KINEMATICA

01.09.2020

Камеры BINDER используют для оценки качества какао-бобов

26.08.2020

Оборудование Pharmag для пилотного или мелкосерийного производства.

24.08.2020

Представляем новый насос в серии турбомолекулярных насосов TwissTorr Agilent.

18.08.2020

Представляем FIWE Advance – новый автоматический анализатор для определения содержания сырой и детергентной клетчатки.

07.08.2020

В исследованиях коронавируса применяются камеры BINDER.

27.07.2020

Компания ASCOTT уже 30 лет производит специализированные камеры для испытаний на коррозионную стойкость.

13.07.2020

Компания Binder предлагает камеры в специальном исполнении, созданные под жёсткие условия испытаний аккумуляторов, батарей и прочих накопителей энергии.

26.06.2020

Одним из важнейших факторов при производстве фармацевтических препаратов является обеспечение надлежащей стерильности.

15.06.2020

Испытание аккумуляторов, батарей и прочих накопителей энергии в эпоху электромобильности приобретает все большую важность.

05.06.2020

Red Dot Product Design Award — это ежегодный крупнейший в мире конкурс дизайна. Девиз конкурса — «В поисках хорошего дизайна и инноваций».

28.05.2020

Компания Biolin Scientific расширила линейку оборудования для создания и анализа тонких плёнок KSV NIMA.

На сайте используются cookie-файлы, которые помогают показывать Вам самую актуальную информацию. Продолжая пользоваться сайтом, Вы даете согласие на использование ваших Метаданных и cookie-файлов. Побробнее о правилах использования cookie.
Запросить стоимость
Обратная связь
Рассчитать стоимость
Заказать звонок
Заявка на расчет
Мы будем информировать вас об интересных новостях
и приглашать на предстоящие выставки и семинары
Регулярность рассылки — не более 1 письма в неделю.
Личный кабинет
Забыли пароль?
Регистрация

* - Обязательные поля для заполнения