Bildanalyse

Partikelgrößen- und -formbestimmung mit Bildanalyse

Die meisten Verfahren zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung legen eine Kugelform der gemessenen Partikel zu Grunde. Sind die Teilchen z.B. blättchen- oder stäbchenförmig, führt diese Annahme zu signifikanten Fehlern in der Analyse. Insbesondere für solche stark formanisotropen Teilchen bieten Bildanalyseverfahren hervorragende Alternativen, um maßgeschneiderte Größenangaben zu bestimmen.

Bildanalytische Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung eines Materials bietet einen grundsätzlichen Vorteil gegenüber alternativen Methoden wie statische Lichtstreuung, Sedimentation oder Fraktionierverfahren (Siebung): Jedes Teilchen wird individuell fotografiert! Für die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung ergeben sich dadurch mehrere, wichtige Vorteile:

  • realistische Anteilswerte auch an den Rändern der Größenverteilung, d.h. Aufdeckung von Überkörnern oder Feinanteilen
  • visuelle Beurteilung des Dispergierzustandes einer Probe (Dispergierqualität, sind Agglomerate vorhanden)
  • Je nach Anwendung Berechnung sinnvoller Größenparameter, z.B. Geodätische Länge oder Feret-Durchmesser für Fasern
  • Ja nach Aufgabenstellung Auswahl der geeigneten Verteilungsart (Volumen, Anzahl)

Darüber hinaus ergibt sich durch die individuelle Fotografie der Teilchen die Möglichkeit, statistische Aussagen zur Teilchenform zu treffen, die in der Praxis Materialien zusätzlich differenzieren können. Beispielsweise spielt die Formanisotropie, die Abweichung von der idealen Kugel der Partikel also eine oftmals sehr entscheidende Rolle für deren Anwendung und Weiterverarbeitung – man denke an Förderung oder Kompaktierung von Pulvern, den Einfluss auf die Rheologie in Dispersionen oder beispielsweise spielt bei Schleifmitteln neben der Partikelgrößenverteilung die Rauigkeit der Partikeloberfläche eine wesentliche Rolle für den Erfolg einer Formgebung oder Politur.

Der Bedarf für maßgeschneiderte Partikelgrößen- und –formparameter, kombiniert mit immer größer werdender PC-Rechnerleistung, sorgen dafür, dass Bildanalyseverfahren sich zunehmend am Markt etablieren.

Messgeräte

Messmethode

Die Bestimmung der Partikelform mittels optischer Bildanalyse beinhaltet 4 grundsätzliche Schritte:
1. Bildaufnahme
2. Bildaufbereitung
3. Objekterkennung
4. Klassifizierung

Abbildung – Bildverarbeitungskette

Die Bildaufnahme erfolgt mithilfe spezieller Digitalkameras, ggf. in Kombination mit entsprechenden Objektiven zur Vergrößerung der Partikel. Die Teilchen können sowohl in Ruhe oder in Bewegung sein. Die Dispergierung (Vereinzelung) der Teilchen kann trocken (z.B. durch einfaches Fördern und Rütteln oder Einsatz von Druckluft) aber auch nass in einem Lösungsmittel erfolgen. Eine gute Qualität (hohe Auflösung und Bildschärfe, gute Probendispergierung mit vereinzelten Teilchen, geeignete Vergrößerung etc.) ist absolute Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Partikelformanalyse. Bei der Bildaufbereitung werden die Bilder softwaretechnisch verbessert: Zum Beispiel werden isolierte Pixel und Randpartikel eliminiert, Helligkeitsschwankungen und Rauschen korrigiert und zusammenhängende Teilchen getrennt. Der wesentliche Part bei der Objekterkennung ist die Binarisierung des Bildes, bei dem jeder Bildpixel über einen Schwellwert entweder einem Teilchen (schwarz), oder dem Hintergrund (weiß) zugeordnet wird. Die Objekte (Partikel) werden von der Software erkannt und ihre Merkmale (Größen- und Formparameter) bestimmt. Im letzten Schritt, der Klassifizierung, erfolgt die Einteilung der Partikel anhand ihrer zugeordneten Merkmale in Klassen (z.B. Äquivalentgrößenklassen).

Aus den Teilchenbildern lassen sich mit der geeigneten Software zahlreiche Größen- und Formparameter bestimmen. Wichtige Größenparameter sind zum Beispiel (CE)Äquivalentdurchmesser Deq, maximal einbeschriebener Durchmesser Din, minimaler und maximaler Feret-Durchmesser, Faserlänge XLG (geodätische Länge) oder die Faserdicke XFD. Der Äquivalentdurchmesser entspricht dem Kreisdurchmesser mit gleicher Fläche wie die 2-D Projektion des Teilchens und wird oft in der Verfahrenstechnik als Maß für die Größe unregelmäßig geformter Teilchen verwendet. Der maximal in die 2-D Projektion des Teilchens einbeschriebene Durchmesser hingegen entspricht in etwa dem Siebdurchmesser. Die geodätische Länge und die Faserdicke eignen sich sehr gut zur Größencharakterisierung von Fasern.

Abbildung - wichtige Größenparameter Bildanalyse

Abbildung – wichtige Größenparameter Bildanalyse

Es gibt zahlreiche und sehr anwendungsspezifische Formparameter. Das Ziel ist es, neben der Teilchengröße weitere morphologische Parameter zu bestimmen, mit deren Hilfe die Partikeleigenschaften besser oder überhaupt zu beschreiben sind. Beispiele sind „Aspect ratio AD“, also das Längen- zu Breitenverhältnis der Teilchen, „Zirkularität ZK“, ein Maß für die Abweichung des Teilchens vom idealen Kreis und „Konkavitätsindex C“, der das Verhältnis der Flächendifferenz von konvexer Hülle und Fläche des Teilchens zur konvexen Hülle wiedergibt. Ein weiterer wichtiger Formparameter ist der „Perimeter P“, welcher den Teilchenumfang beschreibt.

Abbildung – wichtige Formparameter Bildanalyse

Literatur und Normen

/1/ ISO 13322-2: Particle size analysis – Image analysis methods – Part 2: Dynamic image analysis methods

/2/ ISO 9276-6 Representation of results of particle size analysis – Part 6: Descriptive and quantitative representation of particle shape and morphology

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