Temel Prensipler

Mevcut Analiz Yöntemleri

Lazer Kırınımı

Örnekleme

Ölçüm

Sonuçlar ve Kalite Değerlendirmesi

Partikül boyut ölçümünde ana ilkeler

Size bir kutu ve cetvel

vererek boyutlarını

söylemenizi istediğimi

varsayın.

“Cevabınız ne olurdu?”

Temel problem

Kum granülleri

Boyutları

nedir ?

Tek bir değer ile tarif edilebilecek

yalnız bir şekil vardır: Küre

Temel prensipler

Temel prensipler

Temel prensipler

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

Number Distribution

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3

Diameter

Fre

qu

en

cy

(n

um

be

r %

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3

Fre

qu

en

cy (vo

lum

e %

)

Diameter

Volume Distribution

~1 mikronluk 1000 partikül 10 mikronluk 1 partikül<=>

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

Eşdeğer hacimli kürenin çapı=

yaklaşık 124 mikrometre

Eşdeğer hacimli kürenin çapı =

yaklaşık 156 mikrometre

Elek Sonucu Difraksiyon Sonucu

= 20 Mikron

= 20 Mikron

Sonuç

Aynı !!!

Elek, bu iki farklı parçacık için aynı sonucu

verirken, lazer kırınımı aradaki farkı gösterir.

“Bu teknik

kullanılırken şekil

göz önünde

bulundurulmalıdır ! ”

Elek

dA

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

Lazer kırınımı nasıl çalışıyor ?

50 m

Lazer kırınımı nasıl çalışıyor ?

2 m

Lazer kırınımı nasıl çalışıyor ?

0.45 m

Lazer kırınımı nasıl çalışıyor ?

0.05 m

Lazer kırınımı nasıl çalışıyor ?

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

Annex A Note 2:

“50 mikrondan küçük parçaciklar icin en iyi

sonuç Mie Teorisi ile sunulur”

• 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

ÖRNEKLEME

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

Zaman

Boyut

Kararlı Bölge

Hava basıncıHava basıncı

Zaman

Boyut

Kararlı Bölge

Hava basıncıHava basıncı

ÖLÇÜM

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

10%

20%

30%

40%

60%50%

70%

80%

90%

100%

D(0.1)

D(0.5)

D(0.9)

Hacimce

yüzde dagilim

boyut

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