Analizzatori di particelle: definizione, funzionamento, storia

Gli analizzatori di particelle sono strumenti di misura che rilevano le proprietà fisiche di singole particelle o di interi insiemi di particelle, al fine di ricavarne distribuzioni granulometriche, parametri di forma o valori di stabilità. Vengono impiegati ovunque le proprietà delle particelle di un materiale abbiano un'influenza diretta sulla qualità del prodotto, sulla conduzione del processo o sulle proprietà applicative – dalla macinazione alla cristallizzazione, fino alla formulazione di dispersioni.

Gli strumenti elencati in questa pagina utilizzano diversi principi di misura. Nella diffrazione laser, un campione di particelle viene attraversato da luce laser; dall'angolo di diffrazione dell'intensità della luce diffusa si calcola la distribuzione granulometrica. Le particelle più piccole generano angoli di diffusione maggiori rispetto alle particelle più grandi. Nell'analisi dinamica dell'immagine, una telecamera ad alta velocità acquisisce otticamente le singole particelle e determina dimensione e forma direttamente dai dati dell'immagine. Un ulteriore principio è la diffusione dinamica della luce, utilizzata in particolare nel campo nanometrico.

Oltre a questi metodi ottici, esistono sistemi basati sulla tecnologia a raggi X, come il LUMiReader X-Ray di LUM, che caratterizza nano- e microdispersioni altamente concentrate senza necessità di diluizione preventiva. Un moderno sistema analizzatore di particelle è generalmente composto da un'unità di dispersione (per separare le particelle nella misurazione a umido o a secco), un'unità di misura o rilevamento (laser, telecamera o sensore) e un software di valutazione che converte i dati grezzi in una distribuzione granulometrica o in un valore di forma. La dispersione è determinante per la riproducibilità della misura, motivo per cui produttori come Fritsch, nell'ANALYSETTE 22 NeXT, puntano su unità di dispersione a basso consumo e manutenzione ridotta, che consentono tempi di misura generalmente inferiori a un minuto.

Quali tipi di analizzatori di particelle esistono?

Gli analizzatori granulometrici costituiscono il gruppo più numeroso di questa pagina. Strumenti come il sistema HELOS | RODOS | MYTOS & Co. di Sympatec coprono un intervallo di misura da meno di 0,1 µm a 8.750 µm, utilizzando a tale scopo fino a otto moduli di intervallo di misura distinti.

I granulometri come l'OPUS di Sympatec sono progettati appositamente per la misura in tempo reale in ambienti di processo e, secondo la descrizione del prodotto, misurano anche in liquidi otticamente densi con un contenuto di solidi fino al 70%, senza necessità di diluire il campione.

Gli analizzatori di nanoparticelle rilevano particelle nel campo nanometrico e forniscono spesso anche informazioni sulla carica superficiale delle particelle, come nel sistema combinato di misura di dimensione e potenziale zeta di Verder Scientific.

Gli analizzatori di particelle 3D come il MICROTRAC CAMSIZER X2+ puntano sull'analisi dinamica dell'immagine con elevata capacità di campionamento, per rilevare con precisione, oltre alla dimensione, anche la forma dei prodotti sfusi.

Gli analizzatori di particelle online sono progettati per il monitoraggio continuo del processo, come il ParticleMaster inspex di LaVision per il controllo qualità automatizzato direttamente nella produzione di particelle.

Analizzatori di particelle a confronto: perché non i metodi classici?

Un analizzatore di particelle è un sistema di misura automatizzato che presenta differenze significative in termini di velocità e riproducibilità rispetto ai metodi classici e manuali di caratterizzazione delle particelle. Metodi classici come la setacciatura o la microscopia ottica manuale forniscono anch'essi indicazioni sulla dimensione delle particelle, ma raggiungono i loro limiti con particelle fini o di forma irregolare.

La setacciatura separa meccanicamente le particelle in base alla dimensione delle maglie ed è adatta soprattutto per le frazioni più grossolane; tuttavia non fornisce alcuna indicazione sulla forma delle particelle e non è praticamente più applicabile a particelle nel campo micrometrico o nanometrico. I sistemi basati sulla diffrazione laser, come il sistema HELOS di Sympatec, coprono invece un intervallo da meno di 0,1 µm a 8.750 µm in un'unica serie di misure.

La microscopia manuale consente sì la valutazione visiva delle singole particelle, ma richiede molto tempo per la valutazione statisticamente rilevante di grandi insiemi di particelle. I sistemi di analisi dinamica dell'immagine, come il QICPIC | PICTOS & Co. di Sympatec, automatizzano questo processo grazie a una telecamera ad alta velocità da 4 megapixel, valutando così un numero di particelle statisticamente significativo per ogni misura.

Un'ulteriore differenza riguarda la preparazione del campione: mentre molti metodi classici richiedono una diluizione o un'essiccazione del campione, sistemi come l'OPUS di Sympatec o il LUMiReader X-Ray di LUM sono progettati per misurare direttamente campioni ad alto contenuto di solidi o dispersioni altamente concentrate, senza diluizione. Ciò riduce le fonti di errore derivanti dalla preparazione del campione stessa e consente misure più vicine alle reali condizioni di processo.

In quali settori vengono impiegati gli analizzatori di particelle?

Gli analizzatori di particelle sono strumenti di misura utilizzati in quasi tutti i settori in cui le proprietà delle particelle determinano la qualità del prodotto o la stabilità del processo. Gli strumenti elencati in questa pagina coprono un'ampia gamma di applicazioni.

Sviluppo di batterie e ricerca sui materiali: secondo la descrizione del prodotto, il MultiScan MS 20 di DataPhysics viene utilizzato per l'analisi quantitativa di sospensioni di elettrodi per batterie agli ioni di litio, con misure in un intervallo di temperatura da -10 °C a 80 °C. Anche il LUMiReader X-Ray di LUM è progettato per applicazioni nello sviluppo di batterie.

Analisi dei materiali da costruzione: l'ANALYSETTE 22 NeXT di Fritsch viene impiegato, tra l'altro, nell'analisi dei materiali da costruzione e copre un intervallo di misura da 0,01 a 3.800 µm.

Manifattura additiva e ricerca accademica: il MICROTRAC SYNC di Verder Scientific combina diffrazione laser e analisi dinamica dell'immagine in un'unica misura ed è impiegato in questi ambiti.

Sviluppo di formulazioni e analisi delle dispersioni: sistemi come il NANOTRAC FLEX and STABINO ZETA Particle Analyzers DUO di Verder Scientific o il LUMiSpoc di LUM favoriscono il rilevamento precoce di instabilità in sospensioni ed emulsioni.

Esempi tipici di applicazione pratica includono:

• Controllo della finezza di macinazione nella triturazione di polveri
• Monitoraggio dei processi di cristallizzazione in ambiente di processo
• Valutazione della stabilità colloidale delle formulazioni prima dell'immissione sul mercato
• Assicurazione della qualità dei prodotti sfusi mediante analisi combinata di dimensione e forma

Per gli utenti che necessitano di una misura in tempo reale durante il processo in corso, l'OPUS di Sympatec rappresenta un'opzione elencata in questa pagina. Chi desidera combinare forma e dimensione delle particelle in un'unica misura troverà nel MICROTRAC SYNC di Verder Scientific un sistema adeguato. Per l'analisi di stabilità delle dispersioni, il MultiScan MS 20 di DataPhysics è presente tra i prodotti elencati.

Tecnologia e innovazioni

L'analisi delle particelle è un campo in cui i singoli principi di misura vengono sempre più combinati per rilevare più proprietà delle particelle in un'unica misura. Un esempio è il MICROTRAC SYNC di Verder Scientific che, secondo la descrizione del prodotto, esegue in modo sincrono e brevettato la diffrazione laser e l'analisi dinamica dell'immagine sullo stesso campione, nella stessa cella campione.

Un'ulteriore direzione di sviluppo è la combinazione della misura di dimensione e carica in un unico sistema, come realizzato dal NANOTRAC FLEX and STABINO ZETA Particle Analyzers DUO di Verder Scientific: distribuzione granulometrica e potenziale zeta vengono qui rilevati in un flusso di lavoro comune, il che, secondo il produttore, facilita il rilevamento precoce delle instabilità di dispersione.

Anche al di fuori dei metodi ottici classici si registrano progressi: il LUMiReader X-Ray di LUM utilizza la tecnologia a raggi X per caratterizzare direttamente – senza diluizione – paste e pigmenti altamente concentrati e otticamente opachi, determinando contemporaneamente dimensione delle particelle e comportamento di sedimentazione. Per il monitoraggio continuo del processo, il ParticleMaster inspex di LaVision punta su una caratterizzazione online che consente un controllo qualità automatizzato direttamente nel processo produttivo, anziché analizzare il campione offline in laboratorio.

Domande frequenti

Come scelgo l'analizzatore di particelle adatto al mio laboratorio?

La scelta dipende dall'intervallo di misura richiesto, dal tipo di campione (solido, liquido, dispersione) e dal fatto che si debba misurare la dimensione, la forma o entrambe. Per intervalli di misura ampi sono adatti i sistemi a diffrazione laser, come il sistema HELOS di Sympatec; per l'analisi combinata di dimensione e forma, i sistemi di analisi dinamica dell'immagine, come il MICROTRAC CAMSIZER X2+.

Quali analizzatori di particelle sono adatti per misure nel campo nanometrico?

Per il campo nanometrico sono adatti i sistemi con diffusione dinamica della luce o conteggio ottico di singole particelle, come il NANOTRAC FLEX and STABINO ZETA Particle Analyzers DUO di Verder Scientific o il LUMiSpoc di LUM, che rileva particelle da meno di 100 nm fino ad alcuni micrometri.

Quanto dura una misura tipica con un analizzatore di particelle?

Dipende dallo strumento: nell'ANALYSETTE 22 NeXT di Fritsch, il tempo di misura, secondo la descrizione del prodotto, è generalmente inferiore a un minuto, poiché il processo di misura può essere programmato tramite procedure operative standard (SOP).

Gli analizzatori di particelle possono essere impiegati anche direttamente nel processo produttivo?

Sì, a questo scopo sono progettati strumenti online e di processo come l'OPUS di Sympatec o il ParticleMaster inspex di LaVision. Questi consentono una misura in tempo reale in ambiente di processo, in alcuni casi senza diluizione del campione.

Quale preparazione del campione è necessaria per un analizzatore di particelle?

L'impegno richiesto varia notevolmente a seconda del principio di misura: mentre alcuni sistemi richiedono una diluizione del campione, strumenti come l'OPUS di Sympatec o il LUMiReader X-Ray di LUM sono progettati per misurare direttamente campioni ad alto contenuto di solidi o dispersioni altamente concentrate.

Qual è la differenza tra diffrazione laser e analisi dinamica dell'immagine?

Nella diffrazione laser, la dimensione delle particelle viene calcolata dall'angolo della luce diffusa di un fascio laser, mentre l'analisi dinamica dell'immagine rileva otticamente le particelle mediante una telecamera e ne ricava inoltre parametri di forma. Sistemi come il MICROTRAC SYNC di Verder Scientific combinano entrambi i principi in un'unica misura.

Riepilogo conclusivo

Gli analizzatori di particelle coprono diversi principi di misura – diffrazione laser, analisi dinamica dell'immagine, diffusione dinamica della luce e metodi basati su raggi X – ciascuno adatto a determinati intervalli di dimensione delle particelle e tipi di campione. I prodotti elencati in questa pagina mostrano l'ampiezza delle applicazioni, dal laboratorio al processo. La scelta dello strumento adeguato dipende soprattutto dall'intervallo di misura richiesto, dalla natura del campione e dal fatto che, oltre alla dimensione, siano di interesse anche la forma o la stabilità di una dispersione. Un attento esame delle specifiche tecniche dei prodotti elencati aiuta a individuare il modello più adatto all'applicazione specifica.