מדריך לאפיון חלקיקים – חלק א

מטרת טקסט זה היא לספק ידע בסיסי בטכניקות אפיון החלקיקים העיקריות הנמצאות כיום בשימוש בתעשייה ובאקדמיה. הטקסט יהיה אידיאלי עבור החדשים באפיון החלקיקים, או המעוניינים לחזק את הידע שלהם בתחום. המדריך עוסק ביסודות היכרות, תורת אפיון החלקיקים ואמצעי אפיון חלקיקים, וכן מדריך עזר מהיר שיעזור לכם להחליט אילו טכניקות עשויות להתאים ביותר לצרכי אפיון החלקיקים שלכם.

מהו חלקיק? ברמה הבסיסית ביותר, אנו יכולים להגדיר חלקיק כחלק בודד/אינדיבידואלי של חומר.

למטרות מדריך זה, נצמצם את ההגדרה ונכלול חלקיקים מוצקים, טיפות נוזל או בועות גז בעלות ממדים פיזיים הנעים בין עשיריות ננומטר למספר מילימטרים בגודלם.

סוגי החומרים הנפוצים ביותר המורכבים מחלקיקים הם:

• אבקות וגרגירים למשל פיגמנטים, מלט, מרכיבים פרמצבטיים

• דיספרסיות, אמולסיות ותרחיפים למשל חיסונים, חלב, בוץ כרייה

• אירוסולים ותרסיסים למשל משאפי אסטמה, תרסיסים להגנה על הצומח.

מדוע למדוד תכונות חלקיקים?

ישנן שתי סיבות עיקריות לכך שתעשיות רבות נוהגות להשתמש באפיון חלקיקים בתוך עסקיהם.

1. שליטה טובה יותר באיכות המוצר בכלכלה עולמית תחרותית יותר ויותר, שליטה טובה יותר באיכות המוצר מספקת יתרונות כלכליים אמיתיים כגון:

• יכולת לגבות פרמיה גבוהה יותר עבור המוצר שלך

• להפחית את שיעורי דחיית הלקוחות והזמנות שאבדו

• להפגין תאימות בשווקים מוסדרים.

2. הבנה טובה יותר של מוצרים, מרכיבים ותהליכים בנוסף לשליטה על איכות המוצר, הבנה טובה יותר של תכונות החלקיקים המשפיעות על המוצרים, המרכיבים והתהליכים שלך תאפשר לך:

• לשפר את ביצועי המוצר

• לפתור בעיות בייצור ואספקה

• לייעל את תהליכי הייצור

• להגדיל את התפוקה או לשפר את התשואה

• לספק יתרון מול המתחרים.

אילו תכונות חלקיקים חשוב למדוד?

בנוסף להרכב הכימי, התנהגותם של חומרים חלקיקיים נשלטת לעתים קרובות על ידי התכונות הפיסיקליות של החלקיקים המרכיבים. אלה יכולים להשפיע על מגוון רחב של תכונות חומר כולל, למשל, קצבי תגובה והתמוססות, כמה החומרים זורמים ומתערבבים בקלות, או דחיסות ושחיקה. מבחינת ייצור ופיתוח, כמה מהמאפיינים הפיזיים החשובים ביותר למדידה הם:

• גודל חלקיקים

• צורת חלקיקים

• תכונות שטח פנים

• תכונות מכאניות

• תכונות מטען חשמלי

• מיקרוסטרוקטורה

בהתאם לחומר וליישום, חלק מהמאפיינים הנ"ל או כולם יכולים להיות חשובים והם עשויים להיות קשורים זה בזה: למשל שטח הפנים וגודל החלקיקים. לצורך מדריך זה, נתרכז בשניים מהמאפיינים המשמעותיים והקלים למדידה - גודל החלקיקים וצורת החלקיקים.

מאפייני חלקיקים

גודל חלקיק

המאפיין הפיזי החשוב ביותר של דגימות חלקיקים הוא גודל החלקיקים. מדידת גודל החלקיקים מתבצעת באופן שגרתי במגוון רחב של תעשיות ולרוב מהווה פרמטר קריטי בייצור מוצרים רבים. לגודל החלקיקים יש השפעה ישירה על תכונות החומר כגון:

• תגובתיות (ראקטיביות) למשל זרזים, או שיעור פירוק והתמוססות טבליות

• יציבות בתרחיפים למשל אמולסיות, צבעים

• יעילות וזמינות ביולוגית למשל משאפי אסתמה

• מרקם ותחושה, למשל, מזון

• מראה, למשל, ציפויי אבקה ודיו

• יכולת זרימה ועיבוד, למשל, אבקות וגרגירים

• צמיגות, למשל, תרסיסי אף ומשחות

• צפיפות האריזה ופורוזיביות (נקבוביות), למשל, קֵרָמִיקָה.

מדידת גודל החלקיקים והבנת האופן שבו תכונה זו משפיעה על המוצרים והתהליכים שלך יכולה להיות קריטית להצלחת עסקים יצרניים רבים.

כיצד אנו מגדירים את גודל החלקיקים?

חלקיקים הם אובייקטים תלת מימדיים, ואלא אם מדובר בכדורים מושלמים (למשל אמולסיות או בועות), לא ניתן לתארם במלואם על ידי ממד אחד כגון רדיוס או קוטר. על מנת לפשט את תהליך המדידה, לעתים קרובות נוח להגדיר את גודל החלקיקים באמצעות המושג ספירות אקוויוולנטיות (equivalent spheres). במקרה זה גודל החלקיקים מוגדר על ידי קוטר של כדור שווה ערך בעל אותו מאפיין כמו החלקיק בפועל כגון נפח או מסה, למשל. חשוב להבין שטכניקות מדידה שונות משתמשות במודלים שונים של כדוריות שקולות ולכן לא בהכרח יתנו את אותה תוצאה בדיוק לקוטר החלקיקים.

מושג הכדור האקוויוולנטי פועל היטב עבור חלקיקים בצורה רגולרית. עם זאת, ייתכן שלא תמיד הוא מתאים לחלקיקים בצורה אי-רגולרית, כגון מחטים או פלטות, כאשר הגודל בממד אחד לפחות יכול להיות שונה משמעותית מזה של המידות האחרות.

[תמונה 1 בגלריה למטה]

במקרה של חלקיק בצורת מוט / מקל המוצג בתמונה למעלה, כדור שווה ערך נפח ייתן קוטר חלקיקים של 198 מיקרון, וזה אינו תיאור מדויק במיוחד של ממדיו האמיתיים. עם זאת, אנו יכולים גם להגדיר את החלקיק כגליל בעל אותו נפח שאורכו של 360 מיקרון ורוחבו של 120 מיקרון. גישה זו מתארת בצורה מדויקת יותר את גודל החלקיק ועשויה לספק הבנה טובה יותר של התנהגותו של חלקיק זה במהלך עיבוד או טיפול למשל. טכניקות רבות של גודל חלקיקים מבוססות על תפיסת מדידה זו ולעתים קרובות זה מתאים לחלוטין ליישום הנדרש. מדידת גודל החלקיקים בשני ממדים או יותר יכולה לפעמים להיות רצויה, אך יכולה גם להציג כמה אתגרי מדידה וניתוח נתונים משמעותיים. לכן מומלץ לשקול היטב בעת בחירת טכניקת גודל החלקיקים המתאימה ביותר ליישום שלך.

התפלגות גודל החלקיקים

אלא אם כן המדגם שברצונך לאפיין הוא פיזור אחיד מושלם, כלומר לכל חלקיק בודד יש אותן מידות בדיוק, הוא יכלול התפלגות סטטיסטית של חלקיקים בגדלים שונים. נהוג לייצג התפלגות זו בצורה של עקומת התפלגות חלקיקים או עקומת התפלגות מצטברת (cumulative).

התפלגות משוקללת

ניתן להציג התפלגות גודל חלקיקים בדרכים שונות ביחס לשקלול חלקיקים בודדים. מנגנון השקלול יהיה תלוי בעקרון המדידה בו משתמשים.

התפלגות משוקללת מספר – By Number

טכניקת ספירה כגון ניתוח תמונה Image Analysis תעניק התפלגות משוקללת במספר כאשר כל חלקיק מקבל שקלול שווה ללא קשר לגודלו. הדבר שימושי לרוב כאשר יש חשיבות לידיעת המספר המוחלט של החלקיקים - למשל בזיהוי חלקיקים זרים - או כאשר נדרשת רזולוציה גבוהה (חלקיק אחר חלקיק).

התפלגות משוקללת נפח – By Volume

טכניקות פיזור אור סטטי כגון שבירת לייזר Laser Diffraction יתנו חלוקה משוקללת בנפח.

כאן התרומה של כל חלקיק בהתפלגות מתייחסת לנפח של אותו חלקיק (שווה ערך למסה אם הצפיפות אחידה), כלומר התרומה היחסית תהיה פרופורציונלית לגודל בחזקת 3. זה לעתים קרובות שימושי ביותר מבחינה מסחרית מכיוון שההפצה מייצגת את הרכב המדגם מבחינת הנפח/המסה שלו, ולכן הערך הפוטנציאלי שלו.

התפלגות משוקללת עוצמה – By Intensity

טכניקות פיזור אור דינמיות יתנו התפלגות משוקללת בעוצמה, כאשר התרומה של כל חלקיק בהתפלגות מתייחסת לעוצמת האור המפזרת על ידי החלקיק. לדוגמה, באמצעות קירוב ריילי (Rayleigh), התרומה היחסית לחלקיקים קטנים מאוד תהיה פרופורציונלית לגודל בחזקת 6. כאשר משווים נתוני גודל חלקיקים לאותו מדגם הנמדד בטכניקות שונות, חשוב להבין כי סוגי ההתפלגויות הנמדדות ומדווחות יכולים לייצר תוצאות בגודל חלקיקים שונות מאוד. זה מודגם בבירור בדוגמה שלהלן, עבור מדגם המורכב ממספר שווה של חלקיקים בקוטר של 5 ננומטר ו -50 ננומטר. ההתפלגות המשוקללת מספרית נותנת שקלול שווה לשני סוגי החלקיקים, תוך הדגשת נוכחותם של חלקיקי 5 ננומטר קטנים יותר, ואילו להתפלגות המשוקללת בעוצמה יש אות גבוה פי מיליון לחלקיקים הגדולים של 50 ננומטר. ההתפלגות המשוקללת בנפח היא בינונית בין השניים:

[תמונה 2 בגלריה למטה]

אפשר להמיר נתוני גודל חלקיקים מסוג התפלגות אחד למשנהו, אולם זה דורש הנחות מסוימות לגבי צורת החלקיק ותכונותיו הפיזיות. אין בהכרח לצפות, למשל, התפלגות גודל החלקיקים המשוקללת בנפח הנמדדת באמצעות ניתוח תמונה כדי להתאים בדיוק עם התפלגות גודל החלקיקים הנמדדת על ידי שבירת לייזר Laser Diffraction.

נתוני ההתפלגות - סטטיסטיקה

"ישנם שלושה סוגים של שקרים: שקרים, שקרים ארורים וסטטיסטיקה".טוויין, דיסראלי

על מנת לפשט את הפרשנות של נתוני התפלגות גודל החלקיקים, ניתן לחשב ולדווח על מגוון פרמטרים סטטיסטיים. הבחירה של הפרמטר הסטטיסטי המתאים ביותר עבור כל מדגם נתון תהיה תלויה באופן שבו הנתונים האלה ישמשו ועם מה ישוו אותם. לדוגמה, אם ברצונך לדווח על גודל החלקיקים הנפוץ ביותר במדגם שלך תוכל לבחור בין הפרמטרים הבאים:

• ממוצע – Mean - גודל 'ממוצע' של אוכלוסייה

• חציון – Median - גודל שבו 50% מהאוכלוסייה מתחת/מעל

• שכיח – Mode - גודל בשכיחות הגבוהה ביותר.

אם צורת ההתפלגות בגודל החלקיקים היא א-סימטרית, כפי שקורה לעתים קרובות בדוגמאות רבות, לא היית מצפה משלושת הערכים הללו להיות שווים בדיוק כפי שמוצג להלן:

[תמונה 3 בגלריה למטה]

ממוצעים - Means

ישנם ממוצעים רבים ושונים שניתן להגדיר בהתאם לאופן שבו נתוני ההתפלגות נאספים ומנותחים. השלושה הנפוצים ביותר עבור גודל החלקיקים מתוארים להלן:

1. ממוצע Number length[1,0]Dאו  Xnlהמכונה לעתים קרובות הממוצע האריתמטי, הוא המשמעותי ביותר, למשל, ביישומים בהם ספירת חלקיקים הם העניין. זה יכול להיות מחושב רק אם אנחנו יודעים את המספר הכולל של חלקיקים במדגם ולכן מוגבל ליישומי ספירת חלקיקים.

2. ממוצע שטח פנים Surface area[3,2] Dאו Xsv הוא הרלוונטי ביותר כאשר שטח הפנים הספציפי חשוב, למשל, ביישומי זמינות ביולוגית, תגובתיות, פירוק. ממוצע זה רגיש לנוכחות חלקיקים קטנים Fines בהתפלגות גודל החלקיקים.

3. ממוצע נפחי [4, 3] Dאו Xvm רלוונטי עבור רוב הדוגמאות כי הוא משקף את גודלם של אותם חלקיקים המהווים את עיקר הנפח בדגימה. הוא רגיש ביותר לנוכחות של חלקיקים גדולים בהתפלגות גודל החלקיקים.

דוגמה לממוצעי שטח הפנים והנפח מוצגת באיור הבא על התפלגות גודל חלקיקים שבה קיים חלק ניכר של חלקיקים קטנים Fines:

[תמונה 4 בגלריה למטה]

אחוזונים - Percentiles

עבור התפלגות גודל חלקיקים משוקללת נפח, הנמדדת בטכנולוגיית Laser diffraction, לרוב נוח לדווח על פרמטרים המבוססים על המקסימום. גודל החלקיקים עבור אחוז נתון של נפח הדגימה.

אחוזים מוגדרים כ-XaB כאשר:

פרמטר X= פרמטר, בדרך כלל D עבור קוטר

פרמטר a = שקלול התפלגות, למשל, nלמספר, v לנפח, i לעוצמה

פרמטר B = אחוז המדגם מתחת לגודל החלקיקים הזה, למשל, 50%, לפעמים נכתב בתור שבר עשרוני כלומר 0.5.

לדוגמה, ה-Dv50 יהיה קוטר החלקיקים המרבי שמתחתיו 50% מנפח הדגימה קיים - המכונה גם גודל החלקיקים החציוני לפי נפח.

האחוזונים הנפוצים ביותר שמדווחים הם Dv50, Dv10 ו-Dv90 כמתואר בעקומות מטה:

[תמונה 5 בגלריה למטה]

[תמונה 6 בגלריה למטה]

על ידי ניטור שלושת הפרמטרים הללו ניתן לראות אם יש שינויים משמעותיים בגודל החלקיקים העיקרי, כמו גם שינויים בקצוות של ההתפלגות, שיכולה להיות עקב נוכחות של חלקיקים קטנים מאוד Fines, או חלקיקים גדולים מאוד או צברים של חלקיקים כפי שמוצג בהתפלגות גודל החלקיקים מטה:

[תמונה 7 בגלריה למטה]