분산이란? 습식 분산 최적화를 위한 방법 개발-2

레이저 회절 입자 크기 측정을 위한

습식 또는 액체 분산 방법 개발 

 

 

 측정 조건

레이저 회절 측정으로부터 견고한 결과를 얻으려면 적절한 측정 조건을 설정하는 것도 중요합니다. 설정 대상은 다음과 같습니다.


 Obscuration 범위
 측정 시간
 교반 속도

 

 

측정해야 할 시료의 양

시료 농도가 레이저 회절 측정에 적합하도록 하려면 충분한 신호 대 잡음비를 얻거나 대량 물질의 대표성 있는 시료를 얻을 수 있는 양의 시료를 추가하되, 다중 산란으로 인해 측정이 영향 받지 않도록 너무 많은 시료를 추가하지 않아야 합니다.

 

레이저 회절 시스템에서 시료 농도는 시료를 통과한 레이저 광의 손실 비율을 나타내는 obscuration이라는 매개 변수에 의해 측정됩니다.

모든 측정 시스템에는 일정 양의 잡음이 있으며 Mastersizer에서는 시료 추가 단계에서 배경 신호가 제거된 후에 나타나는 데이터의 임의 변동값으로 이 잡음을 확인할 수 있습니다(그림 6 참조).

 







따라서 이러한 임의 변동 레벨 위에서 안정적인 산란 신호 데이터를 얻으려면 충분한 시료가 추가되어야 합니다.

시스템에서는 잡음 레벨 위에서 많은 산란이 필요하지 않습니다. 예를 들어 그림 7은 3% obscuration에서 안정적인 재현 가능한 결과를 제공하는 300nm 시료로부터 얻은 산란 데이터를 보여 줍니다. 이런 이유로 미세 입자에 대해서는 시스템의 잡음 레벨에 의해 obscuration 하한이 정의됩니다.

 

 

 

굵은 입자에 대해서는 신호 대 잡음비 대신 시료채취에 의해 obscuration 하한이 정의됩니다. 굵은 물질의 표본 시료 여러개를 측정한 결과 높은 가변성이 나타나면, 표본 시료의 질량 및 측정이 수행되는 obscuration을 높여 보십시오.

레이저 회절 측정의 obscuration 상한은 다중 산란이라고 하는 효과에 의해 정의됩니다. 회절 시스템에서 산란 데이터를 해석하는 데 사용되는 이론에서는 검출기에 부딪치는 레이저 광이 입자 1개에 의해 산란된 것으로 가정합니다.

 

셀 안에 있는 입자의 농도가 너무 높은 경우, 레이저 광이 검출기에 부딪치기 전에 둘 이상의 입자에 의해 산란되었을 가능성이 높습니다. 이 효과는 아래에 그림으로 묘사되어 있습니다.

 

 

이러한 다중 산란 현상은 레이저 광이 더 높은 각도에서 산란되도록 합니다. 높은 각도에서의 산란은 더 미세한 입자와 관련되어 있기 때문에 다중 산란에 의해 입자 크기가 너무 적게 산출됩니다.

 

그림 9 5%와 18% 사이의 obscuration에서 동일한 시료에 대해 측정한 입자 크기 분포를 보여 줍니다. 5%와 7% obscuration에서 측정한 크기 분포가 매우 비슷하기 때문에 이 obscuration 범위에서는 다중 산란이 없음을 알 수 있습니다. obscuration이 9%를 넘어 증가하면 분포 형태가
변하고 더 미세한 입자가 나타납니다.

 

이로부터 9%를 넘으면 측정이 다중 산란에 의해 영향을 받고, 이 시료의 적절한 obscuration 상한은 9%임을 알 수 있습니다.

 

다중 산란 또는 시료채취에 의해 측정이 영향을 받을 수 있는 정도는 측정 대상 물질의 입자 크기에 따라 달라집니다. 미세 입자의 측정은 다중 산란에 의해 더 영향을 받고, 굵은 입자의 측정은 시료채취에 의해 더 영향을 받습니다. 아래의 표 3에는 입자 크기에 따라 달라지는 obscuration의 권장 범위가 나와 있습니다.

 

입자 크기

 Obscuration 범위

 미세 입자

 ~ 5 – 10%(1μm보다 작으면 5% 미만이 필요할 수 있음)

 굵은 입자

 5 – 12%

 다분산계 시료

 15 – 20%

 

표 3: 입자 크기에 따라 달라지는 obscuration의 권장 범위

 

 

측정 시간

습식 레이저 회절 측정에서의 측정 시간은 분산 장치에서 입자의 대표적인 시료가 측정 셀을 순환할 수 있을 만큼 충분히 길어야 합니다. 필요한 시간은 시료의 입자 크기 및 다분산성에 따라 달라집니다.

 

짧은 측정이 필요한 것은 미세한 단분산성 시료뿐이고, 굵은 입자 또는 폭넓은 분포의 경우에는 더 긴 측정이 필요합니다. 큰 입자 또는 다분산성 시료에 대해 동일한 시료의 반복 측정에서 높은 가변성이 나타날 경우, 측정 시간을 늘리면 반복성이 향상될 수 있습니다.

 

 

 

그림 10 넓은 크기 분포(1μm부터 700μm까지)를 갖는 물질을 포함하는 시료의 입자 크기 분포를 보여 줍니다. 1초부터 20초까지의 측정 시간 범위를 사용하여 이 시료에 대한 반복 측정이 수행되었습니다.

 

그림 11 측정 시간의 증가에 따라 5회 반복 측정에서 나타나는 상대 표준 편차의 감소를 보여 줍니다. 가변성은 10초를 넘는 측정 시간에 대해 ISO 표준 [1]에서 정의한 수용 가능한 범위를 벗어나지 않습니다.

 

 

 

 

 

교반기 속도

습식 분산 장치의 교반기는 분산이 균일하도록 해야 하고, 측정 셀을 통과하는 시료가 대표성을 갖도록 해야 합니다. 크거나 밀도가 높은 물질에 대해서는 교반 속도 적정을 수행하여 시료 내의 모든 입자가 부유되어 있는지 확인해야 합니다. 에멀젼 시료의 경우 교반기를 작동시킴으로써 액적이 어느 속도에서부터 부서지기 시작하는지 교반 속도 적정을 통해 알 수 있습니다.

 

 

 

그림 12에서는 구리 분말 시료에 대한 교반 속도 적정의 결과를 보여 줍니다. 교반 속도가 증가하면 시료에서 큰 입자가 더 많이 부유되기 때문에 측정되는 입자 크기가 증가합니다. 이 시료의 경우 입자 크기가 이 영역에서 안정적이기 때문에 2500rpm을 넘는 교반 속도가 권장됩니다.

 

 

결 론

습식 레이저 회절 측정으로부터 재현 가능한 결과를 얻을 수 있는지 여부는 세 가지 주요 요인에 의해 결정됩니다.

 

첫째 요인은 대량 물질의 대표성 있는 시료를 채취하는 것이고,

둘째 요인은 분산의 안정적 상태를 달성하는 것이고,

셋째 요인은 적절한 측정 조건을 설정하는 것입니다.

이 응용 노트에서는 이러한 요인에 의해 시료가 어떻게 영향을 받는지 평가하기 위해 수행할 수 있는 테스트를 다루었습니다.

여기에 설명된 테스트 중 일부를 수행하면 측정 대상 물질에 대한 이해도를 높이고 입자 크기 결과의 재현성을 향상시킬 수 있습니다.

 

또한 견고한 방법을 개발해 두면 입자 결과가 장비 및 방법의 수명 주기 동안 경험할 수 있는 측정 조건의 작은 변화에 민감하지 않게 함으로써 개발한 방법이 유지 관리되고 향후에도 계속 사용될 것이라는 확신을 가질 수 있습니다.

 

 

참고 문헌


[1] ISO13320(2009). 입도 분석 – 레이저 회절 방법, 제 1부: 일반 원리


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