partikül boyut ölçümünde ana ilkeler · düzlem dedektörü ... geçirme geri saçılma...
TRANSCRIPT
Temel Prensipler
Mevcut Analiz Yöntemleri
Lazer Kırınımı
Örnekleme
Ölçüm
Sonuçlar ve Kalite Değerlendirmesi
Size bir kutu ve cetvel
vererek boyutlarını
söylemenizi istediğimi
varsayın.
“Cevabınız ne olurdu?”
Temel problem
HACİMCE EŞDEĞER KÜRENİN HESAPLANIŞI
=
33 µm
60 µ
m
20 µm
V= .102.60 = 18840 µm
3 , d = 2. 3.18840/4 = 33 µm
3
Biz bir-iki tane partikül ölçmüyoruz.
Bir yığın düşünün..
Milyonlarca partikülün “ORTALAMA DEĞERİ” !
Bu değer nasıl alınır ?
Elimizde değişik çaplarda “1, 2, 3 birim” çapında küreler
olsun.
Bunlardan ortalama alalım.
Farklı istatisik yöntemlerle ortalama alındığında farklı
sonuçlar bulunur!!!
=> Yüzey alan moment ortalaması
=> Hacimsel moment ortalaması
Bu cevapların hiçbiri yanlış değil,
yalnızca değişik teknikler
kullanılarak hesaplandılar.
=> Çizgisel sayı dağılımı ortalaması
=> Yüzeysel sayı dağılımı ortalaması
=> Hacimsel sayı dağılımı ortalaması
P a rt ic le D ia m e te r (µ m .)
V o lu m e (% )
0
1 0
2 0
3 0
4 0
0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
1 0 0
0 .1 1 .0 1 0 .0 1 0 0 .0
SAYI DAĞILIMI
P a rt ic le D ia m e te r (µ m .)
%
0
1 0
2 0
3 0
4 0
0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
1 0 0
0 .1 1 .0 1 0 .0 1 0 0 .0
HACİM DAĞILIMI
38 mikrometre altındaki kuru tozların ölçümü çok zor
Yapışkan, topaklanmış materyallerin ölçümü zor
1 mikrometre kadar küçük materyallarin düzgün ayrıştırılması
neredeyse imkansız
Ne kadar uzun ölçüm yapılırsa sonuç o kadar küçük çıkar
Dezavantajları...
Elek
Oldukça eski bir teknik ama ucuz olması ve büyük
partiküller için (madencilik sektörü gibi) kolayca kullanılabilir
olması gibi avantajları var
“Materyali 110um’ye kadar eledim
ama Laser diffraction bana hala
110um’den büyük partiküllerim
olduğunu söylüyor. Bu nasıl
olabilir? ”
Olası sorun :
Elek
Elek Sonucu Difraksiyon Sonucu
= 20 Mikron
= 20 Mikron
Sonuç
Aynı !!!
Elek, bu iki farklı parçacık için aynı sonucu
verirken, lazer kırınımı aradaki farkı gösterir.
Kullanıcının partikülleri görebilmesine olanak verdiği için
mükemmel bir teknik! Şekil, dağılma veya topaklanma
mikroskop ile görülebillir.
Mikroskopi
“Ulusal Standartlar Bürosu,
imaj analizinde istatistiksel doğruluk için
en azından 10,000 farklı imajın (partikül değil)
ölçülmesinin gerektiğini belirtir”
Boya ve seramik endüstrisinde kullanılan geleneksel metod!
Ölçüm prensibi STOKES’ YASASI eşitliklerine dayanmaktadır.
Sedimentasyon
Ölçüm hızı – 25 dk ~ 1 saat
Sıcaklık düzgün olarak kontrol edilmeli (ör. 1oC lik bir değişim
viskoziteyi 2% arttırır)
Değişik yoğunluktaki karışımların üstesinden gelememesi
Kısıtlı boyut aralığı; 2um altında sistem oldukça hatalı
Dezavantajları
Partikül Yarıçapı
(mm)
10
1
0.1
0.02
0.001
0.000001
Boyut Düzeni
Çakıl
Kalın kum
İnce alüvyon
Alüvyon
Koloitler
Renkli parçacıklar
Yaklaşık Çökme
Zamanı
0.9s
9s
110s
1.5 saat
2.5 yıl
200 yıl
Sedimentasyon
Low Angle Laser
Light Scattering(Düşük Açılı Lazer Işını Saçınımı)
‘Laser Diffraction’ (Lazer Kırınımı)
Bu metot birçok sektörde 0.01-
3500um boyut aralığındaki partiküller
için tercih edilen standart haline
geldi.
Tekniğin bu kadar popüler bir hale
gelmesiyle, hakkında bir ISO
standardı oluşturuldu, ISO13320
Lazer difraksiyonu (Lazer Kırınımı)
Örnek hücresi Fokal
Düzlem
Dedektörü
İleri açı dedektörleri
Geri saçılım
dedektörleri
Lazer kırınımı nasıl çalışıyor ?
Lazer kırınımı nasıl çalışıyor ?
Örnek hücresi Fokal
Düzlem
Dedektörü
İleri açı dedektörleri
Geri saçılım
dedektörleri
Büyük parçacıklar düşük açılarda saçılır
Lazer kırınımı nasıl çalışıyor ?
Örnek hücresi Fokal
Düzlem
Dedektörü
İleri açı dedektörleri
Geri saçılım
dedektörleri
Lazer kırınımı nasıl çalışıyor ?
Örnek hücresi Fokal
Düzlem
Dedektörü
İleri açı dedektörleri
Geri saçılım
dedektörleri
Lazer kırınımı nasıl çalışıyor ?
Örnek hücresi Fokal
Düzlem
Dedektörü
İleri açı dedektörleri
Geri saçılım
dedektörleri
Lazer kırınımı nasıl çalışıyor ?
Örnek hücresi Fokal
Düzlem
Dedektörü
İleri açı dedektörleri
Geri saçılım
dedektörleri
Küçük parçacıklar geniş açılarda saçılır
Ölçüm hücresi Fokal düzlem
detektorleri
Yan saçılım
dedektörleri
Geri saçılım
dedektörleri
633nm kırmızı
lazer
Precision
folded optics
466nm mavi
lazer
Yan saçılım
dedektörleri
Ölçüm hücresi
Geri saçılım
dedektörleri
466nm mavi lazer mikron altı
parçacıklar için kullanılmaktadır.
Fraunhofer
Yaklaşımı
Bu bir yaklaşım. Bunu seçtiğinizde cihaz varsayımlarda
bulunuyor.
1-) Bütün partiküller yuvarlak
2-) Bütün partiküller opak ..
Yani
a-) Işığı içinden geçirmiyor
B-) Işığı absorbe etmiyor
C-) Işığı geri yansıtmıyor; Sadece kırıyor
Eğer bu varsayımların hepsi tutuyorsa bu yaklaşımı ile
yapılan ölçüm iyi sonuç verir.
Daha çok büyük partiküller için güzel sonuç veriyor.
50 mikronun üzeri için İYİ SONUÇ
10 mikronun altı KÖTÜ SONUÇ
Fraunhofer Yaklaşımı
Bilinmeyen numuneler için uygun değildir!
Aşağıdaki şartlar sağlandığında gerçeğe
yakın bir tahminde bulunur:› Bütün parçacıklar>25m (ISO13320)
› Parçacıklar tamamen opak ise
FRAUNHOFER NE ZAMAN
KULLANILMALI ?
Mie Teorisi
Kırınım
Geçirme
Geri saçılma
Saçılma
Lazer Demeti
Soğurma
Mie teorisinde parçacık
-ışığı geçirir
-ışığı soğurur
-ışığı kırar
hepsini hesaba katan komple bir teoridir.
Optik parametreleri kullanarak hesap yapılır;
1. dispertant RI değeri
2. partikülün RI değeri
3. partikülün Abs değeri
Bu 3ü ne kadar doğru verilirse MS3000 o kadar
doğru analiz yapar.
Mie Teorisi
Particle Size Distribution
0.01 0.1 1 10 100 1000 3000
Particle Size (µm)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Volu
me (
%)
C400 Mie 1.52/0, 28 Mar 2000 11:37:17 C400 Fraunhofer, 28 Mar 2000 11:37:17
Ayni numuneye iki teori ile bakmak
• Oldukça hızlı ölçüm süresi
• İlk prensip ölçümü
• Kalibrasyon gerektirmez
• Geniş dinamik boyut aralığı
• Birçok değişik numune ile çalışma
• Yüksek üretilebilirlik ve tekrarlanabilirlik
• Geçerli ISO metodu
• Kolay kullanım
Avantajları
Başarılı bir parçaık boyut
analizinde anahtar nokta:
Örnekleme
0.5g olarak aldığınız numune 50 tonluk
depoyu temsil ediyor mu?
“Sampling:
probably the most under-
emphasised
part of any physical or
chemical
measurement”
Chapter 1: Particle Size
Measurement, Terry Allen
En üstten alınan
örnek ve en alttan
alınan örnek ile
birbirinden farklı
parçacık boyutları
raporlanacaktır!
ÖRNEKLEME
Lazer difraksiyon cihazı, farklı özelliklere sahip parçacıkların
ışıkla etkileşimi ölçer.
Işık saçılımı verilerini parçacık boyutu ile ilişkilendirirek parçacık
boyut dağılımını raporlar.
5 microns 800 nanometres
Data Graph - Light Scattering
1 3 5 7 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51
Detector Number
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Lig
ht
Energ
y
Glass Beads, 19 Oct 1999 11:12:39
Büyük parçacıkların saçılımı düşük açılı bölgeden sorumlu
dedektörlerde yoğunlaşmaktadır.
Küçük parçacıkların saçılımı geniş açılı bölgeden sorumlu
dedektörlerde yoğunlaşmaktadır
Data Graph - Light Scattering
1 3 5 7 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51
Detector Number
0
1
2
3
4
5
6
Lig
ht
Energ
y
1 mode 304nm latex, 11 November 1998 14:40:26
Parçacıkların kırılma indisi - RI
Parçacıkların absorbans değeri
› Imaginary RI olarak da bilinir
› Yüzey pürüzleri ve iç yapı dikkate alınır.
Gerekli optik parametreler ?
RI i elde etmek için 4 yol :
› Refraktometre ölçümleri
› Mikroskop görüntüleri
› Empirik/Semi-empirik modeller
› Referans kitaplar ve internet Mastersizer manual’indeki appendix
ISO 13320’deki appendix
Dispersantlarin tanitici brosürleri
CRC Handbook
Google, Google scholar, çeşitli makaleler
Luxpop.com
http://www.webelements.com/webelements/elements/text/periodic-table/phys.html
Kırılma indisi kaynakları
Birkaç malzeme karisik ise; (Kütle fraksiyonu * RI)x + (Kütle fraksiyonu * RI)y + …
0
0.001
0.01
0.1
1.0+
Latices
Emülsiyonlar
Az renkli parçaciklar
Kristalin ögütülmüs tozlar
Çok renkli ve metal parçacıklar
Mikroskop Görüntüsü Absorbans Örnekler
Mikroskop görüntülerine göre
absorbans değerleri
Temiz sistem
↓
Stabil background
↓
İyi sonuç
Data Graph - Light Scattering
1 3 5 7 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51
Detector Number
0
10
20
30
40
50
60
70
Lig
ht
Energ
y
Background data
Background ve Sistemin Temizliği
< 100 Temiz
100 – 200 Temiz Değil
> 200 Kirli
Kötü Background => Kötü Sonuç
Background stabil olmali
İlk dedektörden gelen data sonraki
dedektörlerde giderek azalmalı
İlk dedektörden gelen data 100 ün
altında olmalı
Her ölçümden önce background
alınmalıdır!
BACKGROUND
OBSCURATION
Particle Size Distribution
0.01 0.1 1 10 100 1000 3000
Particle Size (µm)
0
2
4
6
8
10
Volu
me (
%)
SiC 5% obsc, 21 July 2003 11:32:32 SiC 15% obsc, 21 July 2003 11:40:50
SiC 30% obsc, 21 July 2003 11:53:30
Kuru ölçümlerde;
Küçük (mikronaltı) parçacıklar için: 0.5%~3%
Büyük parçacıklar için: 1%~6%
Gereğinden yüksek obsc. dispersiyonun verimliliğini düşürür.
Dedektörler
Yüksek numaralı
dedektörler
Ölçüm hücresi
Küçük parçacıkları algılar
Çoklu saçınım, fazladan küçük parçacık sinyaline
neden olur.
SONUÇLAR
ve Kalite Değerlendirmesi
Fit raporu ölçülen saçılım datası ve saçılım modeli
ile tahmin edilen datayı kıyaslar
Bu iki datanın üst üste oturması data fit raporu
olarak bilinir
DATA FIT RAPORU
Data Graph - Light Scattering
1 3 5 7 9 11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50
Detector Number
0
50
100
150
200
Lig
ht
Energ
y
Fit data(weighted) 10 August 2001 16:52:43
İyi bir data fit raporu residual değeri ile anlaşılır.
51-52 numaralı dedektörlerin fit hali absorpsiyon
ile ilişkilidir.
DATA FIT RAPORU
Data Graph - Light Scattering
1 3 5 7 9 11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50
Detector Number
0
5
10
15
20
25
30
35
Lig
ht
Energ
y
Fit data(weighted) TC 1 during 100% u/s, 11 January 2005 13:36:27
Absorpsiyon
değerimden emin
miyim?
Data Graph - Light Scattering
1 3 5 7 9 11 14 17 20 22 25 28 31 33 36 39 41 44 47
Detector Number
0
5
10
15
20
25
Lig
ht
Energ
y
Fit data Compound A, 29 March 2005 15:16:52
.Kırılma indisi
değerimden emin
miyim?
DATA FIT RAPORU
Küçük parçacıklarla yapılan analizlerde iyi bir fit
raporu weighted residual değeri ile anlaşılır.
Genellikle residual değerinin %1-2 nin altında
olması idealdir.
ISO 13320 section 6.4
der ki;
Pes pese yapilan 5
ölçümde
DV50 <RSD %3
DV10, DV90 <RSD%5
10 mikron altı için limitlerin
iki kati kullanılır.
USP 429 & EP 2.9.31 der
ki;
Pes pese yapilan 5
ölçümde
DV50 <RSD%10
DV10, DV90 <RSD%15
10 mikron altı için limitlerin
iki katı kullanılır.
RSD = Rel. Std. Dev. = Std. Sapm. / Ortalama