Анализатор размера частиц - это прибор, который измеряет размеры и распределение частиц в различных средах: в порошках, суспензиях, эмульсиях и аэрозолях. С помощью данных о размерах и распределении можно оценить гранулометрический состав исследуемого материала, что критически важно для контроля качества, так как от этого напрямую зависят свойства материала.
Принцип работы большинства современных приборов основан на методе лазерной дифракции. Лазерный луч проходит сквозь образец, и разные частицы в зависимости от размера, отклоняют луч на разный угол. Частицы с большим размером отклоняют свет на меньшие углы, а мелкие - на большие. Детектор регистрирует картину рассеяния и программное обеспечение рассчитывает размеры частиц и их распределение. Данный неразрушающий метод довольно прост, и он не требует сложной пробоподготовки.
Виды анализаторов размера частиц
Приборы различают по методу и типу диспергирования образца.
По методу измерения выделяют следующие виды анализаторов:
- Лазерные дифракционные анализаторы: самый распространенный метод анализа, измеряют частицы от десятков нанометров до нескольких миллиметров (рис. 1).
Рисунок 1. Схема устройства лазерного дифракционного анализатора.
- Динамические анализаторы изображений: используют камеры для съемки частиц в потоке, что позволяет оценить не только размер, но и форму частиц. (рис. 2).
Рисунок 2. Схема устройства динамического анализатора изображений.
- Динамическое рассеяние света: применяются для наночастиц и коллоидных систем (рис. 3).
Рисунок 3. Схема устройства анализатора динамического рассеяния света
По способу диспергирования:
- С диспергированием в жидкости: частицы диспергируют в жидкости и циркулируют через измерительную ячейку. Подходит для материалов, которые не растворяются в жидкости.
- Сухое диспергирование: образец подается в измерительную зону с помощью потока сжатого воздуха. Применяется для материалов, которые растворяются или меняют свои свойства в жидкости.
- Комбинированное диспергирование: прибор поддерживает два вида диспергирования.
Как устроен процесс жидкостного диспергирования
Жидкостное диспергирование - это универсальный метод, подходящий примерно для 80% всех проб. Оно обеспечивает высокую точность и воспроизводимость результатов.
Процесс происходит в замкнутом контуре (циркуляционной системе). Проба вместе с жидкостью непрерывно движется по этому контуру, проходя через измерительную кювету, где лазерный луч рассеивается на частицах под определенным углом.
Особенности реализации диспергирования у разных производителей.
Некоторые производители, такие как Prosizer, предлагают полноценные модули для мокрого диспергирования. Система построена по обратной схеме Фурье и обеспечивает автоматическую юстировку лазерного луча.
В российских приборах, таких как ЛАСКА, используется более простой подход. Диспергирование проб в жидкости осуществляется с помощью встроенной магнитной мешалки. Магнитный якорь помещается непосредственно в кювету с образцом и непрерывно перемешивает суспензию.
Что нужно учитывать при выборе жидкости:
- Частицы не должны растворяться в жидкости.
- Жидкость должна хорошо смачивать поверхность частиц, снижая силы поверхностного натяжения.
- Для улучшения стабильности суспензии могут добавляться специальные диспергирующие агенты (поверхностно-активные вещества).
Как устроен процесс сухого диспергирования
Сухое диспергирование - это быстрый и удобный метод для анализа порошкообразных материалов, которые невозможно или нецелесообразно анализировать в жидкости. Оно незаменимо в тех случаях, когда контакт с жидкостью меняет свойства образца и когда требуется высокая производительность.
Процесс происходит в замкнутой пневматической системе. Образец подается в измерительную зону, сквозь которую проходит луч и происходит считывание углов рассеяния.
Преимущества и недостатки сухого диспергирования
Преимущества:
- Сухое диспергирование обычно быстрее мокрого, так как не требует приготовления жидкой среды, заливки образца и последующей промывки системы.
- Нужно контролировать только подачу образца и давление воздуха.
- Между измерениями разных образцов не требуется сложная промывка, достаточно продуть систему воздухом.
- Можно анализировать большие объемы пробы за короткое время.
- Подходит для материалов, которые растворяются, набухают или вступают в реакцию с жидкостями.
- Для некоторых материалов важно измерить частицы без воздействия жидкости
Недостатки:
- Для очень мелких частиц, сильно слипающихся порошков сухое диспергирование может быть менее эффективно, чем жидкостное.
- Результат сильно зависит от давления воздуха и скорости подачи, неправильные параметры могут разрушить хрупкие частицы или, наоборот, не разбить агломераты.
- Не подходит для токсичных материалов.
Таблица 1. Сравнение методов жидкостного и сухого диспергирования.
| Показатель | Жидкостное диспергирование | Сухое диспергирование |
| Среда | Вода, спирт или органические растворители | Сжатый воздух, инертный газ |
| Распространённость метода | 80% всех лабораторных проб | 20% для специфических материалов |
| Размер частиц | Наночастицы и мелкие частицы | Крупные частицы и порошки |
| Скорость анализа | Низкая, так как требуется заливка и промывка | Высокая, за счёт быстрой продувки воздухом |
| Ограничения | Невозможно в случае слипания гидрофобных порошков, в случае веществ, которые растворяются или набухают в жидкости | Возможность разрушения мелких и хрупких частиц за счёт давления, невозможность анализа токсичных материалов |
Области применения анализаторов размера частиц
- Фармацевтика - размер частиц активного вещества влияет на биодоступность, скорость растворения и срок годности лекарств.
- Пищевая промышленность - размер частиц влияет на стабильность и свойства продуктов. Например, мука, специи, напитки.
- Строительство - гранулометрический состав цемента, песка определяет прочность бетона.
- Лакокрасочная промышленность - размер пигментов влияет на стабильность, цвет и выравнивающие свойства
- Экология - применяется для анализа почв, донных отложений.
- Химическая и нефтехимическая промышленность – применяется для анализа химических субстанций и нефтепродуктов
Выбор анализаторов размера частиц
Широкое распространение в мире получили анализаторы ведущих западных приборостроительных компаний, таких как Malvern Panalytical (Великобритания), HORIBA (Япония), Microtrac (США, Германия), Anton Paar (Австрия), Shimadzu (Япония), Fritsch GmbH (Германия), Beckman Coulter (США)
Среди российских заказчиков в последние годы пользуются популярностью более доступные, с точки зрения сервисного обслуживания и сроков поставки, анализаторы размеров частиц ProSizer и ЛАСКА.
Анализаторы размера частиц ProSizer
ProSizer - серия лазерных анализаторов размера частиц, приборы выпускаются в нескольких модификациях, различаются диапазоном измерения и типом диспергирования.
Ключевые особенности Proizer:
- Широкий диапазон измерения: от 0,01 до 3000 мкм.
- Приборы оснащены мощными полупроводниковыми лазерами (635 и 405 нм, 20 мВт), что обеспечивает стабильный сигнал.
- Многоканальный детектор (до 136 элементов) фиксирует рассеянный свет с высоким разрешением.
- Автоматическая калибровка оптического пути и юстировка луча.
- Время одного измерения менее 1 секунды.
ProSizer выпускается в трех основных исполнениях:
- С мокрым диспергированием (в жидкости) - проба циркулирует в жидком контуре. Способ исключает осаждение материала и обеспечивает легкую очистку. Подходит для большинства порошков и суспензий.
- С сухим диспергированием - проба подается сжатым воздухом. Подходят для материалов, которые растворяются или вступают в реакцию с жидкостью. Данная система подачи, предотвращает оседание частиц.
- С комбинированным диспергированием - сочетает в себе оба способа и является универсальным.
Анализаторы ProSizer соответствуют международным и китайским стандартам ISO 13320:2009, GB / T 19077-2016.
Анализаторы размера частиц ЛАСКА
Анализаторы размера частиц ЛАСКА - это российские лазерные приборы для измерения размера и распределения частиц в суспензиях, эмульсиях и порошках. Приборы работают на основе метода лазерной дифракции малоуглового светорассеяния с расчетом по теории Ми.
Ключевые технические характеристики ЛАСКА-ТД:
- Диапазон измерения от 0,1 до 1000 мкм.
- Источник света лазерный диод с длиной волны 650-670 нм и мощностью менее 10 мВт.
- 32 фотодиода в диапазоне углов от 0 до 110 градусов.
- Время стандартного анализа - не более 5 минут.
- Работа с агрессивными средами: кислотами, щелочами, органическими жидкостями.
Особенности ЛАСКА-ТД:
- Кинетический режим - возможность записи измерения частиц по размерам в течение 80 часов. Это дает возможность исследовать кинетику процессов и устойчивость систем.
- Автоматизированная гидравлическая система обслуживание кюветы.
- Возможность рассчитывать распределения частиц по диаметру (или клеток по объему) в 3D-формате.
- Автоматически обрабатывать экспериментальные данные с учетом градуировки.
Таблица 2. Сравнительные характеристики оборудования ProSizer и ЛАСКА.
| | ProSizer | ЛАСКА |
| Метод измерения | Лазерная дифракция (обратная схема Фурье) | Лазерная дифракция (малоугловое светорассеяние) |
| Диапазон измерений, мкм | 0,01-3000 мкм | 0,1-1000 мкм |
| Лазер | Полупроводниковый, 635 нм, 20 мВт | Лазерный диод, 650-670 нм, <10 мВт |
| Количество детекторов | 66-136 (в зависимости от модели) | 32 фотодиода |
| Время измерения | < 1 секунды | До 5 минут |
| Погрешность (D50), % | < ±1 | ±10 |
| Типы диспергирования | Мокрое, сухое, комбинированное | Мокрое |
| Термостатирование | Опционально | Опционально, 1-50 °С |
| Кинетический режим | Нет | Да |
| Объем пробы | Зависит от модуля диспергирования | 1-3 мл (до 8 мл) |
| Работа с агрессивными средами | Да | Да |
| Встроенный дисплей | Нет | Да, сенсорный |
| Производство | Китай | Россия |
Выбор подходящего прибора для решения аналитической задачи зависит от матрицы и состава образца, который необходимо анализировать.
Таблица 3. Сводные рекомендации по выбору оборудования.
| Широкий диапазон частиц (от нано до миллиметровых) | ProSizer (жидкостное диспергирование) |
| Анализ порошков, которым нельзя контактировать с жидкостью | ProSizer ( сухое диспергирование) |
| Максимальная точность и скорость | ProSizer |
| Исследование стабильности систем во времени | ЛАСКА |
| Стандартный контроль качества с ограниченным бюджетом | ЛАСКА |
| Работа без внешнего компьютера на объекте | ЛАСКА |
Вы можете купить анализаторы размера частиц ProSizer и ЛАСКА в компании Лабтех в Москве по наименьшей цене.
