FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Verfahren zur Bestimmung von Partikel-bzw. Tröpfchengrößen in Emulsionssystemen 08.06.2005 Prof. Dr. Gerd Kutz FH Georg Weerth Str. 20 32 756 Detmold
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Partikelgrößenanalyse : Gliederung Hintergrundinformationen Vorstellung laserbasierender Verfahren Photonenkorrelationsspektroskopie Laserdiffraktometrie Laserzählverfahren Turbidimetrie
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Partikelgrößenanalyse : Hintergrundinformationen zum Messen disperser Systeme Die Partikelgrößenanalyse gleichbedeutend werden z.b. die Begriffe Dispersitätsanalyse, Teilchengrößenanalyse, Feinheitsmessung verwendet ist die Messung der Feinheit eines dispersen Systems. Ein disperses System ist eine Anordnung von Materie, die aus wenigstens einer dispersen Phase und einem umgebenden Medium besteht.
Partikelgrößenanalyse : Anwendungsbereiche Kosmetisch relevante Dispersionstypen Aerosol Suspension Emulsion Schaum Pulver Kosmetische Produktgruppen disperser Systeme Aerosole/Sprays Make-up Pigmenthaltiger Sonnenschutz Cremes Lotionen Dünnflüssige Emulsionen Hydrodispersionsgele Zahnpasta Puder Schäume FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Partikelgrößenanalyse : Entscheidungshilfen zur Durchführung einer geeigneten Partikelgrößenanalyse Ist das Produkt dispers, bzw. enthält es ungelöstes active ingredient? Hat die Teilchengrößenverteilung einen kritischen Einfluss auf das Auftragverhalten oder das sensorische Empfinden? Hat die Teilchengrößenverteilung einen kritischen Einfluss auf die Wirkung? Hat die Teilchengrößenverteilung einen kritischen Einfluss auf die Prozessführung? Hat die Teilchengrößenverteilung einen kritischen Einfluss auf die Produktstabilität? Ja? Ja? Ja? Ja? Bestimmung der Teilchengrößenverteilung mindestens sinnvoll wenn nicht notwendig
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Partikelgrößenanalyse : Möglichkeiten zur Datenaufnahme Formulierung A off line B on line Prozess C in line in situ Probennahme Probennahme Probenmanipulation Rückkopplung Messung Messung Messung Auswertung
Partikelgrößenanalyse : Überlegungen zur Vergleichbarkeit Ideal-Partikel Real-Partikel D 1 0 D 3 10 x F 2 F 1 x D 1 D 2 D 3 [µm] 0 10 20 30 40 20 [µm] D 2 [µm] 0 10 20 30 40 D 1 = Martinscher Durchmesser D 2 = Ferretscher Durchmesser D 3 = Kreis- Äquivalentdurchmesser F 1 F 2 FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Partikelgrößenanalyse : Überlegungen zur Vergleichbarkeit Gerät/ Messprinzip Äquivalentdurchmesser 100µm 30µm Siebung Mikroskopie Messorientierung Maschenweite, minimale Partikelgröße Ferret-Durchmesser Martin- Durchmesser Kreisäquivalent- Durchmesser 30 100 30-100 100 30 100 94 30 30 100 47 30 62 62 62 30 Laserbeugung Querschnittsfläche 62 62 62 30
Partikelgrößenanalyse : Überlegungen zur Vergleichbarkeit Anzahlverteilung 1000 Partikel mit 1µm Durchmesser und 1 Partikel mit 100µm Durchmesser Volumenverteilung 1000 Partikel mit 1µm Durchmesser und 1 Partikel mit 100µm Durchmesser 1µm 99,9 % 100 µm 0,1 % V 1 /V 2 = 1/1000 1µm 0,1 % 100 µm 99,9 % FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005
Partikelgrößenanalyse : Erkenntnisse 1. Eine Ergebnisvergleichbarkeit ist in nur wenigen Fällen vorhersehbar bzw.überhaupt gegeben. Gründe: Probenvorbereitung, Messprinzip des Gerätes, Materialeigenschaften 2. Eine direkte Ergebniskorrelation über Korrekturfaktoren führt nicht zu einer 1:1 Übertragbarkeit 3. Ein Lösungsansatz stellt eine firmeninterne Standardisierung unter Einbeziehung präzise beschriebener Referenzmaterialien dar. FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005
Lichtstreuung am Partikel : Reflexion, Brechung, Beugung reflektierter Strahl Partikel einfallender Strahl reflektierter Strahl gebrochener Strahl einfallender Strahl x gebeugter Strahl x ~2/3 λ FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Photonenkorrelationsspektroskopie : Prinzip Sekundärelektronen- Vervielfacher (Photomultiplier) Projektionssystem Sammelsystem Laser Probeneinlass
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS) : Detektorsignal I (t) I (t) t t Kleines Teilchen Großes Teilchen
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 3-D Kreuzkorrelationstechnik (spez. PCS) : Prinzip Schirm Probe 1 2 3 4 A Laser B 4 1 2 3
3-D Kreuzkorrelationstechnik (spez. PCS) : Detektorsignal 1 oben Streuclichtintensität 1 unten Zeit FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Photonenkorrelationsspektroskopie : Zusammenfassung Messbereich: 1nm bis 3µm Messzeit: Sekunden Ergebnisdarstellung: Mittlere Partikelgröße, bei Mehrwinkelanalyse auch Teilchengrößenverteilung Voraussetzung: Verdünnung bis zur schwachen Opaleszenz (gilt nicht für 3-D Kreuzkorrelationstechnik) Hinweise: Probleme beim Verdünnen Auf-/Anlösen Koaleszenz Gestaltänderungen Wasserqualität (Partikel) Lösung: Filtration Verdünnungsreihe
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Laserbeugungsverfahren : Aufbau Rührer dispergierte Phase Computersystem Ringsensor Laser Verarbeitungselektronik Absperrventil Probenzeile Auslass Pumpe
Laserbeugungsverfahren : Prinzip a) sich bewegende Teilchen b) Teilchen unterschiedlicher Größe Probeneinlass Probeneinlass FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Laserbeugungsverfahren : Detektorsignal Ringsensor Laser Probeneinlass Beugungsringe
Laserbeugungsverfahren : Prinzip I I ( r) x = max xmin Intensitätsverteilung von Fraunhofer Beugungsmustern I (r, x) = I f 0 (r, x) I n q ( x) I ( r, x) 0 dx Einzelnes Partikel mit Durchmesser x r Partikelgrößen- Verteilung q 0 (x) FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 r
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Laserbeugungsverfahren : Zusammenfassung Messbereich: Messzeit: Auswertemodus: 0,1µm bis 3mm Sekunden Fraunhofer bzw. Mie Prüfen für Teilchen <10µm Reproduzierbarkeit/ Genauigkeit: < 3% x 50 < 5% x 10 /x 90 Ergebnisdarstellung: Voraussetzung: Volumen-, Anzahl-, Flächenverteilung Verdünnung Hinweise: Probennahme Desagglomeration Zerstörung Quellung Luftblasen Messbereich Hintergrundsignal Mehrfachstreuung Referenzmaterialien (extern bzw. intern)
Optical reflectance measurement (ORM) : Komponenten Optischer Leiter Computersystem Software Drucker Prozessor Visualisierung Hardware Tastatur Maus Oszilloskop (optional) Messsonde Strom FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005
Optical reflectance measurement (ORM) : Aufbau der Messsonde Strahlenteiler Optischer Leiter Laserdiode Messkammer Fokuspunkt...... disperses System Photodetektor Linse Saphirlinse Saphirfenster FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Partikel Ls L B L S = V S * Δt S d S L S = Sehnenlänge V S = Tastgeschwindigkeit Δt S = Impulsdauer d s = Durchmesser des gescannten Kreises L B = Bogenlänge L S d S = sin L B d S
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Optical reflectance measurement (ORM) : Tastvorgang Ausgangssignal Laufzeitsignal Intensität t s t s Laserstrahl
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Optical reflectance measurement (ORM) : Ergebnisdarstellung Häufigkeit (%) Bogensehnenlänge (ACL)
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Optical reflectance measurement : Zusammenfassung Messbereich: Messzeit: Ergebnisdarstellung: Zählverfahren ca. 0,1µm bis 1mm nach Kalibration Sekunden Anzahl-, Volumenverteilung Bogensehnenlängen (bis zu 1024 Klassen) Hinweise: in-line in-situ unverdünnt Kalibrierung Impulszählrate Luftblasen Inhomogenitäten Bewegung repräsentative Probennahme Reproduzierbarkeit
Turbidimetrie : Prinzip max. 80 mm Laser 850 nm α =45 Rückwärtsstreuung Photodiode Transmission Photodiode Höhe [mm] Transmission Rückwärtsstreuung 80 µm 40 µm 0 µm Intensität FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005
Turbidimetrie : Mehrfachstreuung (Rück)- Streulichtintensität I (BS) als Funktion von Partikeldurchmesser und Phasenvolumenverhältnis θ: 1 I ( BS ) = f λ worin λ = mittlere freie Wegstrecke FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Turbidimetrie : Theorie Mehrfachstreuung λ * Überlegung δh Detektorsignal Zusammenhang δl λ = k d φ
Streulichtintensitat (%) Turbidimetrie : Mehrfachstreuung Einzelmessung Höhe (mm) Mehrfachmessungen ( Kinetik ) Höhe (mm) FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Streulichtintensitat (%)
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Turbidimetrie : Interpretation Demulgiervorgänge Sedimentation bzw. Aufrahmen Koaleszenz bzw. Flokkulation t= 0 t= n t= 0 t= n
FH Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Turbidimetrie : Zusammenfassung Messbereich: ca. 0,1µm bis 1mm Messzeit: Sekunden Ergebnisdarstellung: Rückstreuung (%) Transmission ( %) über Probenhöhe mittlere Teilchengröße bzw. Phasenvolumenverhältnis Hinweise: unverdünnt in-line Probennahme Reproduzierbarkeit Stabilitätsuntersuchungen Preformulation Prozesssteuerung Relativverfahren Inhomogenitäten
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