Ultraschall-Titration mit SOP Architect: Bestimmung der optimalen Bedingungen für die Nassprobendispersion

Einführung

Die Sicherstellung einer angemessenen Dispersion der Probe ist ein entscheidender Schritt im Methodenentwicklungsprozess für die Partikelgrößenbestimmung. Bei nassen Dispersionen bedeutet dies oft, dass Ultraschall als energetische Methode zum Aufbrechen von Agglomeraten verwendet wird. Allerdings kann es, insbesondere für weniger erfahrene Benutzer, herausfordernd sein, die ideale Einstellung für das Niveau und die Dauer des Ultraschalls zu finden, bei der eine Dispersion erreicht wird, unerwünschte Nebenwirkungen jedoch vermieden werden ... dachten wir zumindest! Mit der Ergänzung des SOP Architect des Mastersizer 3000 um Ultraschall-Titrationen ist das Optimieren der Dispersionsbedingungen für nasse Proben einfacher als je zuvor. 

Über SOP Architect

SOP Architect ist ein intelligentes Tool in der Mastersizer Xplorer Software zur Entwicklung von Nassdispersionsmethoden. Es verwendet eine Kombination aus Anweisungen auf dem Bildschirm, Links zu weiterführenden Informationen und automatisierten Messungen, um den Benutzer von Anfang bis Ende bei der Entwicklung einer hochwertigen Methode für seine Probe zu unterstützen. Es handelt sich um eine umfassende Lösung mit acht verschiedenen Phasen des Arbeitsablaufs, einschließlich der neuen Stufe der Ultraschall-Titration – siehe Abbildung 1.

Abbildung 1: Von SOP Architect verwendeter Workflow zur Methodenentwicklung

Die Bedeutung der Probendispersion 

In der Computerwissenschaft gibt es die Redewendung „Wo man Müll hineinsteckt, kommt auch Müll heraus“ oder, in anderen Worten: Fehlerhafte oder minderwertige Daten resultieren in Ergebnissen von ähnlich schlechter Qualität. Hinsichtlich der Partikelgröße kann dasselbe Prinzip auf die Beziehung zwischen Probendispersion und Methodenentwicklung angewendet werden: „Wo man nicht fachgemäß dispergiertes Material hineinsteckt, kommen ungenaue Daten heraus“. 

Ihre Probendispersionsbedingungen müssen geeignet und gut kontrolliert sein, um den Zustand der Probendispersion zu erreichen, der an Ihre beabsichtigten Ziele angepasst ist (z. B. Bestimmung der Primärpartikelgröße). Andernfalls werden Ihre Ergebnisse für die PSD (Partikelgrößenverteilung) nicht genau sein, egal, wie gründlich Ihre Methodenentwicklung in jeder anderen Hinsicht sein mag.

Dies unterstreicht die Bedeutung davon, Ultraschall-Titrationen durchzuführen. Die Anwendung von Ultraschall ist neben dem Sicherstellen einer guten Benetzung und Stabilisierung mit Tensiden einer der Schlüsselschritte bei der Dispersion nasser Proben. Ultraschall wird in den Fischgrätendiagrammen in Anhang G von ISO 13320:2020 [1] ^{als wichtiger Methodenparameter aufgeführt}. 

Aufgrund der Bedeutung von Ultraschall für die Dispersion nasser Proben sind einige Zubehörteile des Mastersizer 3000+ (Hydro EV, Hydro MV und Hydro LV) mit Inline-Ultraschallsonden ausgestattet. So kann Ultraschall direkt auf die Probe im Mastersizer angewendet und von der Mastersizer Xplorer Software gesteuert und sofortiges Feedback zu Änderungen der Partikelgröße aufgezeichnet werden. Und dank der Funktion Smart Manager ist es sogar möglich, den Zustand der Ultraschallsonde zu überwachen, damit Sie wissen, wann diese ersetzt werden muss, bevor die Datenqualität beeinträchtigt wird! 

Ultraschall-Titration – was ist das? 

Das Verfahren zur Bestimmung der optimalen Dispersionsbedingungen nasser Proben umfasst ein Experiment, das als „Ultraschall-Titration“ bezeichnet wird. Auf diese Weise können Sie das Niveau und die Dauer des Ultraschalls bestimmen, die erforderlich sind, um die Probe auf ihre primäre Partikelgröße zu dispergieren. Das Verfahren besteht in der Regel aus den folgenden Phasen:

1. Es wird eine Reihe von Messungen durchgeführt, um den Einfluss des Rührens ohne Ultraschall zu beurteilen. So kann festgestellt werden, ob Ultraschall erforderlich ist oder ob das Rühren allein ausreicht, um die Probe zu verteilen.
2. Bei einer eingestellten Intensität wird der Ultraschall in Schritten einer bekannten Dauer angewendet, und die Partikelgrößendaten (in der Regel Dv10, Dv50 und Dv90) werden nach jedem angewendeten Inkrement aufgezeichnet. 
3. Die Ultraschallintensität kann bei Bedarf je nach Ergebnis der vorherigen Phase auf höhere oder niedrigere Werte eingestellt werden. Die Verwendung externer Ultraschallgeräte (mit einem Schallkopf oder einem Bad) könnte ebenfalls in Betracht gezogen werden. 

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für eine Ultraschall-Titration. Die Probe wird unter Rühren allmählich dispergiert, beginnt aber erst bei Anwendung von Ultraschall damit, schneller zu dispergieren, bis sich die Partikelgrößenperzentile stabilisieren. Nach dem Anhalten des Ultraschalls bleiben die Ergebnisse stabil.

Abbildung 2: Beispiel für eine Ultraschall-Titration

Bei der Ultraschall-Titration können mehrere Ergebnisse erzielt werden, darunter:

• Dispersion: Wie oben beschrieben, nehmen die Partikelgrößenperzentile mit der Anwendung von Ultraschall ab, bis stabile Werte erreicht sind, wenn die Probe vollständig dispergiert ist. 
• Stabil: Wenn die Diagramme der Partikelgrößenperzentile (Dv10, Dv50 und Dv90) im Vergleich zur Ultraschalldauer flach sind und keine Verringerung der Partikelgröße festgestellt wird, kann die Probe ohne Ultraschall vollständig dispergiert werden.
• Kontinuierliche Größenverringerung: Wenn während des Ultraschalls eine kontinuierliche Abnahme der Partikelgröße festgestellt wird, können die primären Partikel durch den Ultraschall beschädigt werden. In diesem Fall wird eine niedrigere Ultraschallintensität empfohlen. 
• Kontinuierliche Größenerhöhung: Wenn während des Ultraschalls eine kontinuierliche Zunahme der Partikelgröße beobachtet wird, agglomeriert die Probe möglicherweise oder die Wärmeentwicklung führt zu Strahllenkung. 

Wenn möglich, sollten Sie den Zustand der Verteilung Ihres Probenmaterials mithilfe eines Mikroskops oder eines statischen oder dynamischen Partikelbildungsinstruments (wie des Hydro Insight) überprüfen. Wenn Sie vor und nach dem Ultraschall Beobachtungen machen, sollten Sie feststellen können, ob Agglomerate dispergiert wurden oder ob sich die Partikelform aufgrund von Bruch verändert hat.

In diesem Fall haben wir gezeigt, wie sich die Partikelgröße in Echtzeit ändert, wenn Ultraschall angewendet wird. Dies ist jedoch nicht immer möglich, da andere Faktoren die PSD (Partikelgrößenverteilung) während der Ultraschallanwendung verfälschen können, insbesondere wenn sich das Dispersionsmittel aufheizt. SOP Architect verfolgt einen anderen Ansatz, indem zunächst Ultraschall angewendet wird und anschließend, nach einer Verzögerung, Messungen durchgeführt werden. 

Wie führt SOP Architect Ultraschall-Titrationen durch? 

Während der Phase der Ultraschall-Titration verwendet SOP Architect die interne Ultraschalltechnologie der Zubehörteile Hydro EV, Hydro MV oder Hydro LV. 

Die Ultraschall-Titration kann, je nach Ihren spezifischen Anforderungen in Kombination mit anderen Tests (Stabilitätsprüfung, Titration der Rührgeschwindigkeit und Titration der Laserabschwächung), als Teil Ihres Prozesses zur Methodenentwicklung oder einzeln durchgeführt werden. Auch wenn Sie keine Ultraschall-Titration durchführen möchten, können Sie mit SOP Architect interne Ultraschallbedingungen definieren oder Details des externen Ultraschalls aufzeichnen. Siehe Abbildung 3 für Details zur Seite für die Titrationsauswahl.

Abbildung 3: Seite zur Titrationsauswahl in SOP Architect – ohne ausgewählte Ultraschall-Titration

Die Standardultraschallintensität für die Titration beträgt 100 %. Wenn es jedoch Zeit ist, mit der Ultraschall-Titration zu beginnen, bietet SOP Architect Flexibilität bei der Einrichtung. SOP Architect fragt Sie, ob Ihre Probe „zerbrechlich ist oder zum Zermahlen neigt“. Wenn Sie diese Option auswählen, wird das Ultraschallniveau auf 50 % gesenkt. Niedrigere Intensitäten können auch unter „Erweiterte Einstellungen“ aufgerufen werden – siehe Abbildung 4. 

Abbildung 4: Einrichtung der Ultraschall-Titration 

Die Ultraschall-Titration beginnt mit den üblichen vorbereitenden Schritten vor der Messung wie dem Einfüllen von Dispersionsmittel, der Justage und Hintergrundmessungen. Im Anschluss werden Sie dazu aufgefordert, Ihre vordispergierte Probe hinzuzufügen. 

Zunächst werden 6 Messungen an der Probe durchgeführt, ohne dass Ultraschall angewendet wird. Ultraschall wird dann in Schritten von 30 Sekunden bis zu einer kumulativen Summe von 210 Sekunden angewendet, wobei nach jeder Erhöhung 6 Messungen durchgeführt werden. Außerdem wird eine Verzögerung vor der Messung angewendet (30 Sekunden für Wasser und 180 Sekunden für nicht wässrige Dispergiermittel), um eine angemessene Wärmeableitung sicherzustellen, bevor die Daten aufgezeichnet werden.

Die Daten werden während der Ultraschall-Titration ausgewertet; die durchschnittlichen Datenpunkte, die nach jedem Ultraschallschritt erzeugt werden, werden von Algorithmen mit den Messungen vorher und nachher verglichen, um die Stabilität zu beurteilen. Wenn die %RSD-Werte unter die relevanten ISO 13320:2020-Kriterien fallen, wird die Probe als stabil eingestuft, und SOP Architect kann entsprechende Dispersionsbedingungen empfehlen. SOP Architect schließt die Titration auch frühzeitig ab, wenn die Probenstabilität erreicht wurde, was dem Benutzer Zeit spart.

Die von SOP Architect während der Ultraschall-Titration verwendeten Algorithmen wurden mit einer Reihe unterschiedlicher Probentypen getestet. Dabei wurde eine Erfolgsrate von 100 % bei der Empfehlung ähnlicher Bedingungen gegenüber Partikelgrößenexperten nachgewiesen – siehe Tabelle 1. 

Tabelle 1: Vergleich der Leistung von SOP Architect mit der eines erfahrenen Benutzers

Nach der Auswertung der Daten stellt Ihnen SOP Architect eines der nachfolgend aufgeführten Ergebnisse vor.

Wenn die Titration erfolgreich war, empfiehlt SOP Architect die Intensität und Dauer des Ultraschalls, der auf der Probe angewendet werden soll. Dabei ist es auch möglich, dass SOP Architect dazu rät, keinen Ultraschall anzuwenden. In beiden Fällen werden die Details der generierten SOP (Standardarbeitsanweisung) hinzugefügt, sobald SOP Architect den Vorgang abgeschlossen hat.

Alternativ kann SOP Architect darauf hinweisen, dass eine zusätzliche Methodenentwicklung erforderlich ist, und Empfehlungen für die nächsten Schritte geben, die Sie befolgen müssen. Nehmen wir zum Beispiel die Empfehlungen in Abbildung 5. 

Abbildung 5: Beispiel für Empfehlungen von SOP Architect nach der Ultraschall-Titration

In diesem Fall hat SOP Architect festgestellt, dass bei der angegebenen Ultraschallintensität das Probenmaterial nicht vollständig dispergiert ist oder die erforderliche Stabilität nicht erreicht hat. SOP Architect bietet Ihnen zwei Optionen:

• Entweder die Ultraschallintensität zu erhöhen 
• Oder dieselbe Probe erneut mit einer externen Ultraschallsonde zu dispergieren

 Sie können das Kontrollkästchen für die bevorzugte Option aktivieren und erhalten dann zusätzliche Unterstützung. Wenn Sie sich entscheiden, die Ultraschallintensität zu erhöhen, werden Sie dann zur Ultraschall-Titrations-Startseite zurückgeführt und die Ultraschallintensität wird automatisch erhöht.

Fallstudie: Kaolinit 

Die Ultraschall-Titration innerhalb von SOP Architect wurde mit einer Probe von Kaolinit-Ton durchgeführt, einem Material, das in einer Vielzahl von Branchen verwendet wird. Zum Beispiel wird Kaolinit häufig als Füllmaterial in der Papierindustrie verwendet. Die Partikelgröße des Kaolinits, das zur Herstellung von Papier verwendet wird, kann sich auf die Helligkeit des Papiers, seine Bedruckbarkeit und die Kosteneffizienz bei der Verwendung als Füllmaterial auswirken. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, einen genauen Bericht über die Partikelgrößenverteilung mit effektiv dispergierten Agglomeraten zu erstellen. 

Wie in Abbildung 6 dargestellt, ist die Kaolinit-Probe bimodal, wenn sie in Wasser dispergiert wird. Ohne Ultraschall gibt es bei größeren Größen eine eindeutige Schulter. Diese wird jedoch durch die Anwendung von Ultraschall auf einem Niveau von 100 % (innerhalb der Hydro MV) entfernt, indem Agglomerate dispergiert werden. Die Untersuchung des Diagramms der Partikelgröße im Vergleich zur Gesamtdauer des Ultraschalls zeigt, dass bei 120 Sekunden des gesamten Ultraschalls keine weitere Verringerung der Partikelgröße zu beobachten ist – und die vollständige Dispersion zu diesem Zeitpunkt wird durch Bildgebung bestätigt (Abbildung 7).

Abbildung 6: Ergebnisse der Durchführung einer Ultraschall-Titration in SOP Architect unter Verwendung einer Kaolinit-Probe – links: Überlagerung der PSDs (Partikelgrößenverteilungen); rechts: Trend der Partikelgrößendaten im Vergleich zur Gesamtdauer des Ultraschalls

Abbildung 7: Von Hydro Insight aufgezeichnete Partikelbilder. Agglomerate werden vor der Ultraschallanwendung beobachtet (links), aber nach ausreichendem Ultraschall bleiben nur primäre Partikel übrig (rechts).

In diesem Fall hat SOP Architect die Beurteilung der Daten für uns übernommen und ist zur selben Schlussfolgerung gelangt: 120 Sekunden bei 100 % ist die richtige Kombination für die Dispersion dieser Kaolinit-Probe (Abbildung 8).

Abbildung 8: Anleitung zur Ultraschall-Titration einer Kaolinit-Probe von SOP Architect

Zusammenfassung

Die neue Stufe der Ultraschall-Titration von SOP Architect bietet eine wichtige Anleitung bei der Durchführung einer der fortgeschritteneren Stufen der Methodenentwicklung. Und nicht nur unerfahrene Benutzer von Laserbeugungsverfahren können davon profitieren, dies als Teil eines umfassenden Prozesses für die Methodenentwicklung zu nutzen. Erfahrene Anwender finden Nutzen darin, die Ultraschall-Titration als eigenständiges Experiment durchzuführen, beispielsweise beim Wechsel von einer externen Ultraschallsonde zur internen Ultraschalltechnologie einer Dispergiereinheit für flüssige Dispersionen. 

Ganz gleich, wie Sie die Ultraschall-Titration verwenden möchten, können Sie darauf zählen, dass SOP Architect mit Mastersizer 3000+ Sie folgendermaßen unterstützt:

• Standardisiert oder vereinfacht die Methodenentwicklung
• Integriert Best Practices in die Methodenentwicklung, um konsistent hohe Standards zu erreichen
• Reduziert die Abhängigkeit vom internen Wissensaustausch
• Integriert die Erfahrung von Malvern Panalytical in Ihren Workflow
• Stärkt die Unabhängigkeit des Teams bei der Entscheidungsfindung
• Erleichtert die Automatisierung von Laserbeugungsmessungen mit SOP Player

Möchten Sie Ihre Methodenentwicklung straffen? Erfahren Sie noch heute mehr über SOP Architect beim Mastersizer 3000+.

Referenzen

• [1] ISO 13320:2020 Partikelgrößenanalyse – Laserbeugungsverfahren