Velikost částic je jedním z nejdůležitějších údajů pro pochopení chování různých druhů materiálů. Ideálním řešením pro měření rozdělení velikosti částic s vysokým rozlišením je použití sedimentace v odstředivém poli ultracentrifugy
Analýza velikosti částic s vysokým rozlišením
Všechny metody měření distribuce velikosti částic (sedimentace v gravitačním poli, diferenciální sedimentace v odstředivém poli, laserová difrakce, analýza mikroskopického obrazu aj.) mohou být charakterizovány třemi parametry: rozlišením, přesností a opakovatelností. Přičemž rozlišení intuitivně velmi dobře chápeme jako schopnost dané metody vidět rozložení velikosti zřetelně. Abychom však byli schopni stanovit rozlišení objektivně, musíme nejprve mít jeho jasnou definici.
V případě analyzátorů velikosti částic se pod pojmem rozlišení standardně rozumí minimální rozdíl mezi dvěma velmi úzkými frakcemi počtu částic, při kterém je hodnota vzájemného překryvu odpovídajících píků menší jak 5%. Alternativně pro jednu frakci uniformních částic se rozlišení zavádí pomocí mediánu velikosti D50 (rozlišení = 100 x (D95 – D5)/D50). Obě tyto definice vedou ke stejnému výsledku.
Při posuzování dostupných přístrojů z hlediska dosažitelného rozlišení zaujímají přední místo tzv. diskové centrifugy, které používají metodu diferenciální sedimentace v odstředivém poli, díky které dokáží měřit s rozlišením ~ 2%.
Diskové centrifugy
Diskové centrifugy jsou analyzátory velikosti částic, které využívají metodu diferenciální sedimentace v odstředivém poli, díky které dovedou měřit podstatně menší částice, než je tomu v případě využití klasické sedimentace v gravitačním poli. Rychlost usazování je zde úměrná druhé mocnině velikosti částic (tj. částice o velikosti 1 µm budou sedimentovat 4x rychleji něž částice o průměru 0,5 µm).
Průběh analýzy můžeme popsat v několika bodech:
- Komora rotujícího disku je částečně vyplněna kapalinou s mírným hustotním gradientem, která přispívá ke stabilitě sedimentačního procesu.
- Zředěný vzorek se vstříkne do středu centrifugy a injektované částice nejprve vytvoří velmi tenký pás na povrchu kapaliny a pak začnou velmi rychle sedimentovat v radiálním směru.
- V určité vzdálenosti od osy otáčení prochází komorou monochromatický světelný svazek, jehož intenzita je po průchodu detekována.
- Hledané rozdělení velikosti částic se určí z naměřené doby sedimentace a detekovaného intenzitního profile pomocí výpočtů založených na skloubení Stokesova zákona pro odstředivé pole a Mieho teorie.
Teoretická hodnota rozlišení diskové centrifugy závisí na třech faktorech: šířka použitého světelného svazku (W), tloušťka pásu zformovaného na povrchu kapaliny při začátku analýzy (T) a hloubka sedimentace (H) – viz rovnice na níže uvedeném obrázku.
Pro H=20 mm (maximální prakticky dosažitelná hloubka sedimentace), T=0,033 mm (tloušťka pásu odpovídající vzorku o objemu 0,05 ml) a W=0,5 mm (typická hodnota šířky svazku) tak dostaneme rozlišení 1,4 %. Tj. přístroj by měl dokázat rozlišit částice, jejichž rozdíl ve velikosti je pouze 1,4 %. Skutečné rozlišení přístroj je vždy o něco horší než teoreticky určená hodnota. Existují tři hlavní faktory, které mohou snížit rozlišení - Brownův pohyb částic během sedimentace, nestabilita sedimentačního procesu (streaming) a širší tloušťka vzorku na povrchu kapaliny.
Tyto faktory jsou podrobně diskutovány v níže uvedené referenci. Faktické rozlišení se tak blíží ~ 2%.
Zdroj zprávy: Ultra-high resolution particle size analysis with the CPS disc centrifuge https://lot-qd.de
