全系列粒徑分析儀、雷射粒度儀

發佈:2023-12-10, 週日

粒徑分析是材料研究分析,或材料品管上,所不可或缺的步驟。因為材料顆粒的粒徑大小,往往會顯著影響材料的穩定性、外觀、流動性、 以及化學反應特性。勢動科技為您引進推薦基於成熟技術所設計的粒徑分析儀器,不同的規格選擇,讓您更有效運用有限預算,達成最高效率的研究、品管需求。

粒徑分析儀產品 BT2600 溼式分散模組
乾濕兩用模組化粒徑儀+溼式分散器

粒徑分析儀是用來分析材料微粒尺寸的專用儀器,將測量的統計結果,以D10, D50, D90三種分佈尺寸呈現,並以跨度 (Span) 來表示微粒尺寸的一致程度。市面上有各種基於不同粒徑分析儀原理技術,所發展出來的粒徑分析儀,這些不同種類的基礎技術方法,所適用的場合條件不盡相同,分析的極限、精密度也不盡相同。當然,不同技術背後牽涉的複雜性,也會反映在儀器的成本價格上。因此,根據材料的尺寸特性,來選擇一部合適的粒徑儀,是材料研究非常重要的先決條件。

其中,雷射繞射法所涵蓋的範圍最廣,也是目前市面上最普遍的粒徑測量技術,機型齊全,品牌眾多,根據功能與自動化程度,價格差異也頗大。

主流雷射粒徑分析儀

一般在10nm 以上的材料微粒尺寸,多半會選擇雷射繞射法的粒徑分析儀來測量,並根據材料的特性,分為濕式量測與乾式量測兩種主流方法。兩者的差異,主要在於分散樣品的方式,以分散的均勻程度來說,溼式法更為理想,但有些樣品在溶劑中會溶解或懸浮,只能選用乾式粒徑儀。

溼式粒徑儀

溼式分散的原理,是利用液態流體(一般是純水)與超音波震盪,將樣品在液體中均勻分散、用溼式粒徑儀的雷射檢測分析。一般來說,若是樣品不容易被溶解,且不會在液態中團聚、懸浮,那麼溼式雷射粒徑儀將是首選。

乾式粒徑儀

乾式分散的原理,是利用加壓空氣吹散樣品。乾式粒徑儀的均勻度沒有溼式分散好,但針對一些無法放置於液態中的微粒材質,比如土壤會被溶解成更細微的顆粒,雷射震盪的過程也溶液破碎。諸如此類的樣品,乾式雷射粒徑儀則是必要的選擇。

電子影像輔助 

此外,高階的雷射粒徑分析儀,多半會佐以「型態攝影法」來輔助,以高倍率顯微鏡或SEM電子顯微鏡,實際觀察微粒的外型、尺寸,並對測量結果予以適當的比例調整。市面上也有純粹電子影像的粒徑分析儀,但這類粒徑分析儀受限於視野FOV過小的限制,只能獲得片面的結果,若要全面了解某一個樣品的特性,需要大量的影像與分析時間,比較適合學術研究或先期產品開發階段。

奈米級微量分析

小於 10nm 的超小微粒量測,則可以考慮採用「動態光散射法」或「泰勒離散分析法」。這類的粒徑分析儀,不採用大範圍的超音波分散方法,而是提取微量的樣品到特定空間進行量測,微量珍貴的奈米級樣品,更適合這類的粒徑分析儀。

專業粒徑分析儀代理

您在尋找一部合用的粒徑分佈儀嗎?勢動科技為您引進多種功能,高性價比的全自動雷射粒徑分析儀,乾式/溼式法各種機型,若您想了解更多有關於這些雷射粒徑分析儀的細節,請瀏覽粒徑分析儀產品網頁,或聯絡勢動科技,我們將有專人為您服務!或回覆您委測需求。

各種粒徑分析方法一覽

以下列出各種粒徑量測技術簡介,以及該技術所適用的粒徑尺寸範圍,由大至小排列。

粒徑分析方法以及適用的微粒尺寸:

    0.1nm 1nm 10nm 100nm 1um 10um 100um 1mm 10mm  
  型態攝影法
Morphological Imaging
1um - 3mm
                   
  空間濾波測速法
Spatial Filter Velocimetry
50um - 5mm
                   
  雷射繞射法
Laser Diffraction
10nm - 3.5mm
                   
  共振質量法
Resonant Mass Measurement
50nm - 5um
                   
  奈米粒子追蹤分析法
Nanoparticle Tracking Analysis
30nm - 1um
                   
  動態光散射法
Dynamic Light Scattering
1nm - 1um
                   
  泰勒離散分析法
Taylor Dispersion Analysis
0.2nm - 20nm
                   

 

型態攝影法 (Morphological Imaging) 粒徑分析

型態攝影法粒徑分析的原理

利用顯微鏡與高速攝影機捕捉微粒外型,透過測量微粒固體的長、寬、外觀型態、圓形度、凸度,組合評估,來計算更趨近於實際狀況的等效球體統計。

型態攝影法應用實例

比方說,我想要進一步了解微粒的紋理粗細,表面是亮是暗,就可以觀看高速攝影機所捕捉的微粒影像,以佐證雷射光學實測的結果。

型態攝影法優點

型態攝影法可看到微粒粉末的實際外觀,對於其他分析方法無法得知的樣品型態,邊緣粗糙度、長寬比例,等等這些樣貌,型態攝影法可一覽無遺。從SEM電子顯微影像中,可以觀察到現實中的粉末微粒,都不是完美的球狀。

型態攝影法缺點

對於差異大、形狀不規則的微粒,無法以巨觀的角度統計結果,而且外型多樣的粉末微粒,無法輕易用軟體統計出合理的樣品粒徑分佈。尤其高倍率的SEM電子顯微鏡,僅能片面觀察很小的可視範圍,若要客觀分析樣品,需要大量時間移動可視範圍採集足夠多更大面積的影像,才能獲得客觀的結果,對於顆粒大小不均程度高的樣品,或者需要大量、高效率粒徑分析的品管場合,建議採用其他的粒徑分析方法。


顯微成像的水泥粉末的實際樣貌,層層交疊且型態複雜

輔以型態攝影法的 S3 Plus 雷射粒徑分析儀

可以參考這部結合雷射繞射法與型態攝影法、功能最強的高階粒徑分析儀,「S3 Plus 頂級顯微雷射粒徑儀」。

空間濾波測速法 (Spatial Filter Velocimetry) 粒徑分析

空間濾波測速法的粒徑分析原理

讓微粒垂直通過橫向的雷射光束,然後在雷射光束軸向一端,放置線性光纖陣列光電感測器,來感測微粒的陰影移動,利用空間濾波器原理,獲得微粒的移動速度。

另外,利用施以一固定頻率的脈衝信號混合量測,便可以同時測出微粒的移動時間。有了微粒的移動速度跟經過時間,便能還原估算出微粒的弦長 (沿著移動方向的微粒長度)。

★雷射繞射法 (Laser Diffraction) 粒徑儀

雷射繞射粒徑分析法的原理

這是一種從巨觀角度,來統計一群微粒平均粒徑的方法,而不是實際去測量一顆顆微粉的尺度。根據米氏散射(Mie Scattering) 原理,當雷射光照射在不同尺寸的微粒上,會造成光波的波前產生不同的繞射結果。其原理就像水中的漣漪,碰到前方阻礙前進的石頭時,漣漪會分開型成兩個方向的漣漪,之後又會交疊形成更複雜的干涉波紋。當微粒的半徑接近或大於雷射的波長,大部分的光線會沿著行進方向前進,雷射光斑圖樣,看起來聚焦的程度越高。反之,照射在顆粒比較小的微粒,則會有更多的散射,雷射光斑的圖樣,看起來更分散模糊,一圈圈的繞射更分散。

網路上有些文章提到,雷射繞射法需要透明度高的樣品微粒,這種說法實屬誤謬、缺乏專業。透明度高的樣品微粒,反而需要考慮樣品的折射率,在軟體中預先輸入即可。對於透明度高的樣品,採用型態攝影法,一樣會遇到照明方式選擇(環形光、漫射光) 產生判讀失真的問題。

大小顆粒的繞射雷射光斑投影差異
不同尺寸顆粒的雷射光斑投影

雷射繞射法粒徑分析的應用實例

利用數十個光偵測器,覆蓋雷射散射光約莫170度的角度範圍,來測量散射光的角度與強度,甚至圖樣。並將數據轉換為粒度分布圖。根據 ISO13320 的規範,以分部百分數的 D10,D50,D90 作為描述數值的規範,將結果顯示在「粒徑分佈曲線圖」。目前雷射繞射法是使用最廣泛的粒徑分析法,勢動科技提供多種型號的雷射粒徑分析儀推薦給您。

乾濕兩用快速切換粒徑儀
乾式、溼式快速切換,自動校正

共振質量法 (Resonant Mass Measurement) 粒徑分析

共振質量粒徑分析方法的原理

跟原子力顯微鏡的設計有異曲同工之妙,共振質量法同樣是用微機電感測器 (MEMS),只是把懸臂上的探針改成微流體通道。當不同尺度的微粒組合,通過微流體通道,會對懸臂產生浮力,並在懸臂上產生共振頻率信號,透過雷射光來量測懸臂的共振頻率,便能得到微粒的質量,並換算為尺寸。

帶電粒子適合共振質量法

這種方法的優點特色,是可以測量帶正電或負電的樣品顆粒,比方說,區分出生物製劑中的蛋白質聚集體。

奈米粒子追蹤分析法 (Nanoparticle Tracking Analysis) 粒徑分析

奈米粒子追蹤粒徑分析的原理

這是一種基於顯微視訊影像技術的方法,以雷射光作為顯微鏡的光源,並以高速攝影機,追蹤視野範圍內,一顆顆微粉的位移狀況。根據 斯托克斯-愛因斯坦 動力學定律,小顆粒會比大顆粒移動的快。從微粒的遷移率與介質黏度,套進「斯托克斯-愛因斯坦」方程式,便能得到微粒的半徑。這個方法常見於生醫方面的粒徑量測。

動態光散射法 (Dynamic Light Scattering) 粒徑分析

動態光散射粒徑分析原理

一樣是基於 斯托克斯-愛因斯坦 動力學定律所設計的粒徑分析方法,實驗過程中,溶液中的微粒並不會完全靜止,而是不斷進行著布朗運動

動態光散射法 DLS,跟雷射偏振法的測量原理不一樣。它是利用雷射光照射在微粒分子上,讓分子中的電子產生振盪偏振,並因此成為二次光源產生散射光,散射光相對於入射光束呈 90° 角完全平面偏振,而且散射光的強度,跟微粒的直徑與偏振度成正比。透過測量計算散射光的強度,可獲得微粒的擴散係數。套入斯托克斯-愛因斯坦方程式,便能計算出微粒的半徑。

動態光散射粒徑分析的實際測量

然而,實際的測量,會比上述原理要複雜得多。因為當入射光束照射微粒時,溶液中的所有分子都會有散射光。這些散射光的相互作用下,將產生不同程度的相長干涉和相消干涉,而且相消干涉更為常見。這些相互作用的結果,是整體溶液散射發生波動,並且其強度(每個分子)通常遠小於理論上由單一分子產生的散射強度。因此,DLS 以光散射與時間相關的方式,測量散射強度的這些波動,並經過複雜分析,獲得微粒尺寸的分析資料。

動態光散射法的相關粒徑分析應用

動態光散射法,是目前常見用來測量 <1um 的奈米微粒,目前的技術,精密度能測量小於 10nm 的奈米微粒。

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泰勒離散分析法 (Taylor Dispersion Analysis) 粒徑分析

泰勒離散粒徑分析法的原理

這個方法,是將微粒樣品溶液注入微毛細管中,樣品會沿著毛細管擴散運動。在毛細管的一側,連續測量毛細管橫截面,樣品通過截面時的紫外光吸光值,便能獲得吸收值對 時間的動態曲線圖,也稱為泰勒圖 (Taylorgram)。這個圖會呈現鐘型曲線,代表微粒通過該截面的位置的濃度變化。分析泰勒圖的鐘形曲線寬度,便一樣能得到動力學原理的擴散係數。最後一樣透過斯 托克斯-愛因斯坦方程式,便能獲得微粒的半徑。

泰勒離散分析法的應用

泰勒離散分析是目前能夠偵測最小粒徑的技術,可以測定 <1nm 的微粒,目前被應用在生醫上的粒徑量測,如賦形劑、藥物載體的粒徑分佈儀。

粒徑分析儀如何應用在相關產業?

粒度分析可獲得微粒尺寸分佈的資訊,測量結果可用於計算微粒的不同屬性,以及它們在特定條件下的行為。這些資訊,對於工業製程上,實現不同的目標至關重要。

石化工業

在化學反應過程中,固體顆粒的表面積對於決定化學反應的速率很重要。比方說,碳氫化合物燃料的生產,涉及將CO和H2轉化為碳氫化合物,也稱為費託製程 (Fischer–Tropsch process) 。該製程使用鈷作為反應的催化劑,其表面積從200奈米減少到9奈米,將大大提高碳氫化合物的產出。

製藥業

小顆粒代謝更快

顆粒大小會影響物質溶解的速度。製藥業在設計藥物時會使用這些信息。水溶性藥物如果粒徑較小,溶解速度也會更快。

藥物設計

口服或鼻腔藥必須能夠穿透肺部,製藥公司在設計此類藥物時必須考慮顆粒大小。

藥物輸送

藥物的粒徑會影響擴散速率、免疫反應和藥物的攝取、遞送。因此,粒徑資訊至關重要。

建材工業

較大的顆粒比小的顆粒堆積更差,可以透過減少顆粒尺寸來提高填充密度,但這也會減少空隙率。粒徑分佈影響水泥漿體中,水泥顆粒的堆積密度、水化速率和水化量。分析水泥的粒徑,可以製作出最恰當的建材。

水處理業

懸浮液中的顆粒,從流體中沉降出來,通常會在流體下方。而沉降速率,取決於顆粒的大小。在水淨化過程中,懸浮在水中的固體會透過沉澱物被去除。如何能夠更有效率的處理,也是粒徑研究的範疇。

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