Die Partikelgrößenverteilung der dispersen Phase stellt einen Schlüsselparameter zur Beurteilung der Prozess- oder Weiterverarbeitungseigenschaften flüssiger Dispersionen dar. Zur Bestimmung dieses Parameters stehen prinzipiell eine Vielzahl von verschiedenen Analysemethoden zur Verfügung. Je nach Anwendung und Material verlangen die Verfahren jedoch eine spezielle Probenvorbereitung, da sie – z.B. im Falle optischer Methoden – oft nur in Verdünnung anwendbar sind. Dies beeinflusst aufgrund der Änderung der elektrochemischen Eigenschaften wiederum die Teilchengrößenverteilung der Probe. Mikroskopische Verfahren (REM, TEM) andererseits repräsentieren nur einen sehr kleinen Ausschnitt der gesamten Probenmeng, sind also kaum repräsentativ!
Um derartige, konzentrierte Suspensionen oder Emulsionen, wie sie z.B. in der Keramik-, Baustoff- oder Batterieindustrie Anwendung zu finden sind, repräsentativ hinsichtlich Partikelgrößenverteilung zu charakterisieren, bedarf es einer Messmethode, welche die Dispersionen im Originalzustand makroskopisch analysieren kann. Dies leistet die akustische Spektrometrie [1, 4]: die Bestimmung der Partikelgrößen erfolgt massenproportional durch Messung der Abschwächung von Ultraschallwellen in konzentrierten Dispersionen mit Partikelgrößen vom Nano- bis in den oberen Mikrometerbereich.
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Partikelgröße 1nm – 1000 µm (ISO 20998-1) | Partikelgröße 1nm – 1000 µm (ISO 20998-1) |
Das Prinzip der akustischen Spektrometrie oder Schalldämpfungsspektrometrie ist in folgender Abbildung zu sehen:
Es handelt sich um ein Transmissionsverfahren, d.h. Ultraschallsender und Detektor sind gegenüber liegend (180°), die zu charakterisierende Probe dazwischen. Die Probe wird in ihrem originalen Zustand in die Probenkammer gebracht. Bei sedimentierenden oder rahmenden Dispersionen kann gepumpt oder gerührt werden, stabile Systeme können auch ohne Bewegung gemessen werden. Kurze Schallimpulse (Bursts, Intensität IIn) werden direkt in die Dispersion eingekoppelt und bei ihrem Durchgang durch die Probe abgeschwächt, die abgeschwächten Pulse werden detektiert (Intensität IOut). Bei der Messung wird die Frequenz der Pulse zwischen 1 und 100 MHz variiert und ein komplettes Dämpfungsspektrum aufgenommen. Darüber hinaus wird der Abstand zwischen US-Sender und -Detektor variiert (maximal 0,15 – 20 mm), um deutlich stabilere Spektren zu erhalten und einen maximal breiten Probenkonzentrationsbereich (0,1 – 60 vol.-%) abzudecken
Für die akustische Dämpfung gilt in erster Näherung:
Dabei ist f die Wellenfrequenz und L der Abstand zwischen Sender und Detektor. Das gemessene, resultierende Dämpfungsspektrum hängt direkt mit der Partikelgrößenverteilung der dispersen Phase zusammen. Die Ultraschall-Absorptionsmechanismen der Teilchen sind dabei
Schallstreuung spielt nur bei Teilchen > ca. 5-7 µm eine Rolle. Dissipative Mechanismen sind Verlustmechanismen kleinerer Partikel, wobei der visko-inertiale Effekt bei Hartstoffen, eine Art Wärmeverlust durch Reibung an der Grenzfläche Partikel-Medium ist, der dominante Mechanismus ist [2]. Bei Emulsionen kommt der Energieverlust dagegen durch einen thermischen Effekt zustande, der durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung von kontinuierlicher und emulgierter Phase verursacht wird [2]. Bei pastenartigen, oftmals binderhaltigen Dispersionen kann es neben den oben beschriebenen Mechanismen zusätzlich zu Struktureffekten kommen, die die durchgehende Welle dämpfen [2]. Dabei spielen insbesondere die viskosen Verluste, weniger die elastischen Anteile eine Rolle.
Bei der Auswertung durch die DT-Gerätesoftware wird das gemessene Schalldämpfungsspektrum auf der Basis der implementierten Theorien zu den oben erwähnten Dämpfungseffekten [2,4] angefittet und die Partikelgrößenverteilung berechnet. Das folgende Beispiel zeigt die Messung einer wässrigen, 12 Gew.-%igen Aluminiumoxidsuspension bei verschiedenen pH-Werten (links: akustische Dämpfungsspektren, rechts: berechnete Partikelgrößenverteilung durch Anfitten auf der Basis des visko-inertialen Effekts, [3]).
/1/ ISO 20998-1 Measurement and characterization of particles by acoustic methods.
/2/ A. Dukhin, P. Goetz: Characterization of Liquids, Nano- and Microparticulates, and Porous Bodies using Ultrasound. 2nd Edition. Oxford: Elsevier, 2010.
/3/ 3P APPNOTE 6-01: acoustic in battery research
/4/ Brochure DT Series: Particle size and zeta potential using acoustic and electroacoustic Spectrometry
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