Titrations par ultrasons avec SOP Architect : détermination des conditions optimales pour la dispersion d'échantillon en voie liquide

Introduction

S'assurer que votre échantillon est correctement dispersé est une étape essentielle du processus de développement de la méthode de la taille des particules. Pour les dispersions en voie liquide, cela implique souvent d'appliquer les ultrasons comme un moyen énergique de séparer les agglomérats. Mais il peut s'avérer difficile, en particulier pour les utilisateurs moins expérimentés, de trouver ce « point idéal » en termes d'intensité et de durée des ultrasons pour obtenir une dispersion tout en évitant les effets secondaires indésirables, ou du moins c'est ce que nous pensions ! Avec l'ajout de titrations par ultrasons à SOP Architect de Mastersizer 3000+, l'optimisation des conditions de dispersion pour les échantillons en voie liquide n'a jamais été aussi simple. 

À propos de SOP Architect

SOP Architect est un outil intelligent intégré au logiciel Mastersizer Xplorer pour le développement de méthodes de dispersion en voie liquide. Il utilise une combinaison d'invites à l'écran, de liens vers des informations supplémentaires et d'actions de mesure automatisées pour guider l'utilisateur, du début à la fin, dans le développement en toute confiance d'une méthode d'excellente qualité pour son échantillon. C'est une solution complète dont le processus de travail comprend huit étapes distinctes, y compris la nouvelle étape de titration par ultrasons – voir Figure 1.

Figure 1 : Processus de travail de développement de méthode utilisé par SOP Architect

L'importance de la dispersion de l'échantillon 

Dans le domaine informatique, il existe un acronyme : « GIGO» (pour « garbage in, garbage out ») qui signifie que des données erronées ou de mauvaise qualité donneront un résultat de qualité similaire. Dans le domaine de la taille des particules, la même idée peut être appliquée à la dispersion de l'échantillon et au développement de la méthode : « qualité de l'entrée du matériau dispersé = qualité des données de sortie ». 

Les conditions de dispersion de votre échantillon doivent être adaptées et bien contrôlées pour obtenir l'état de dispersion de l'échantillon conformément aux objectifs prévus (par exemple, détermination de la taille des particules primaires). Dans le cas contraire, les résultats de la distribution granulométrique des particules (PSD) ne seront pas précis, quelle que soit la profondeur du reste de votre développement de méthode.

Cela souligne l'importance des titrations par ultrasons ; l'application des ultrasons est l'une des étapes clés de la dispersion d'échantillons en voie liquide, tout en assurant un mouillage et une stabilisation appropriés avec des surfactants. En effet, les ultrasons sont répertoriés comme paramètre de méthode important dans les diagrammes en arêtes de poisson de l'annexe G de la norme ISO 13320:2020 ^[1]. 

Compte tenu de l'importance des ultrasons pour la dispersion d'échantillons en voie liquide, de nombreux accessoires de dispersion en voie liquide du Mastersizer 3000+ (Hydro EV, Hydro MV et Hydro LV) intègrent des sondes à ultrasons en ligne dans leur conception. Cela permet d'appliquer les ultrasons directement à l'échantillon circulant dans le Mastersizer, contrôlé par le logiciel Mastersizer Xplorer, et d'enregistrer immédiatement les retours sur les changements de taille des particules. Et grâce à la fonctionnalité Smart Manager, il est même possible de suivre l'état de la sonde à ultrasons, afin de savoir quand il faut la remplacer pour ne pas détériorer la qualité des données ! 

Titrations par ultrasons – de quoi s'agit-il ? 

Le processus de détermination des conditions optimales de dispersion des échantillons en voie liquide implique une expérience appelée « titration par ultrasons ». Cela vous permet de déterminer la puissance et la durée des ultrasons nécessaires pour disperser l'échantillon jusqu'à sa taille de particule primaire. Les étapes sont généralement les suivantes :

1. Un ensemble de mesures est effectué pour évaluer l'impact de l'agitation sans application d'ultrasons. Cela permet de déterminer si les ultrasons sont nécessaires ou si l'agitation seule est suffisante pour disperser l'échantillon.
2. À une intensité définie, les ultrasons sont appliqués par incréments d'une durée connue et les données granulométriques (généralement Dv10, Dv50 et Dv90) sont enregistrées à chaque incrément. 
3. L'intensité des ultrasons varie si nécessaire, à des intensités plus ou moins élevées en fonction du résultat de l'étape précédente. L'utilisation d'ultrasons externes (à l'aide d'une sonde ou d'un bain) peut également être envisagée. 

Un exemple de titration par ultrasons est illustré à la Figure 2. L'échantillon se disperse progressivement sous l'action de l'agitation, mais c'est uniquement lorsque des ultrasons sont appliqués que l'échantillon commence à se disperser plus rapidement jusqu'à ce que les centiles de taille des particules se stabilisent. Une fois les ultrasons arrêtés, les résultats restent stables.

Figure 2 : Exemple de titration par ultrasons

Il existe plusieurs résultats possibles de la titration par ultrasons, notamment :

• Dispersion obtenue : Comme ci-dessus, les centiles de taille des particules diminuent avec l'application d'ultrasons. Des valeurs stables sont atteintes lorsque l'échantillon est complètement dispersé. 
• Stable : Si les tracés des centiles de la taille des particules (Dv10, Dv50 et Dv90) par rapport à la durée des ultrasons sont plats et qu'aucune réduction de la taille des particules n'est observée, alors l'échantillon peut être entièrement dispersé sans l'utilisation d'ultrasons.
• Diminution continue de la taille : Si une diminution continue de la taille des particules est observée lors de l'utilisation des ultrasons, cela peut indiquer que les particules primaires sont en train d'être brisées par les ultrasons. Dans ce cas, il est recommandé de diminuer l'intensité des ultrasons. 
• Augmentation continue de la taille : Si une augmentation continue de la taille des particules est observée pendant les ultrasons, l'échantillon peut s'agglomérer ou la génération de chaleur entraîne une déviation du faisceau. 

Si possible, vous devez vérifier l'état de dispersion de votre échantillon à l'aide d'un microscope ou d'un instrument d'imagerie de particules statique ou dynamique (par exemple, l'Hydro Insight). Les observations effectuées avant et après les ultrasons devraient vous indiquer si des agglomérats ont été dispersés ou si la forme des particules a changé en raison d'une rupture.

Dans ce cas, nous avons montré comment la taille des particules change en temps réel au fur et à mesure de l'application des ultrasons. Cependant, cela n'est pas toujours possible, car d'autres effets peuvent fausser la distribution granulométrique des particules pendant l'application des ultrasons, en particulier si votre dispersant chauffe. SOP Architect utilise une approche différente en appliquant d'abord les ultrasons, puis en autorisant un délai avant de commencer les mesures. 

Comment SOP Architect effectue-t-il les titrations par ultrasons ? 

L'étape de titration par ultrasons de SOP Architect utilise les ultrasons internes des accessoires Hydro EV, Hydro MV ou Hydro LV. 

La titration par ultrasons peut être sélectionnée en plus d'autres tests (contrôle de stabilité, titration de la vitesse de l'agitateur et titration d'obscuration laser), dans le cadre de votre processus complet de développement de méthode ou individuellement, selon vos besoins spécifiques. Et même si vous ne souhaitez pas effectuer de titration par ultrasons, SOP Architect vous permet de définir des conditions d'ultrasons internes ou d'enregistrer les détails sur des ultrasons externes. Reportez-vous à la Figure 3 pour plus de détails sur la page de sélection de la titration.

Figure 3 : Page de sélection de la titration dans SOP Architect – avec titration par ultrasons non sélectionnée

L'intensité des ultrasons par défaut utilisée dans la titration est de 100 %. Toutefois, lorsque la titration par ultrasons doit être commencée, SOP Architect peut être configuré de manière flexible. SOP Architect vous demande si votre échantillon est « fragile or prone to milling » (fragile ou sujet au broyage) et si vous sélectionnez cette option, l'intensité des ultrasons est réduite de 50 %. Les intensités plus faibles sont également accessibles sous « Advanced Settings » (Paramètres avancés) – voir la Figure 4. 

Figure 4 : Configuration de la titration par ultrasons 

La titration par ultrasons commence par les étapes habituelles de pré-mesure, telles que le remplissage du dispersant, l'alignement et les mesures du bruit de fond, avant que vous ne soyez invité(e) à ajouter votre échantillon dans son état pré-dispersé. 

Tout d'abord, 6 mesures sont effectuées sur l'échantillon sans application d'ultrasons. Les ultrasons sont ensuite appliqués par incréments de 30 secondes jusqu'à un total cumulé de 210 secondes, avec 6 mesures effectuées après chaque incrément. Un délai de pré-mesure est également appliqué (30 secondes pour l'eau et 180 secondes pour les dispersants non aqueux) pour garantir une dissipation adéquate de la chaleur avant l'enregistrement des données.

Les données sont évaluées pendant la titration par ultrasons ; les points de données moyens générés après chaque incrément d'ultrasons sont comparés par des algorithmes aux mesures avant et après pour évaluer la stabilité. Si les valeurs du pourcentage d'écart-type relatif sont inférieures aux critères pertinents de la norme ISO 13320:2020, l'échantillon est déterminé comme stable et SOP Architect peut recommander des conditions de dispersion appropriées. SOP Architect termine également le titration plus tôt s'il identifie que la stabilité de l'échantillon a été atteinte, ce qui permet à l'utilisateur de gagner du temps !

Les algorithmes utilisés par SOP Architect pendant la titration par ultrasons ont été testés avec un ensemble varié de types d'échantillons, montrant un taux de réussite de 100 % en recommandant des conditions similaires à des tailles de particules expertes – voir le Tableau 1. 

Tableau 1 : Comparaison des performances de SOP Architect par rapport à un utilisateur expert

Après l'évaluation des données, SOP Architect vous présentera l'un des résultats donnés ci-dessous.

Si la titration a réussi, SOP Architect recommandera l'intensité et la durée des ultrasons à utiliser avec l'échantillon. Cela inclut la possibilité que SOP Architect conseille qu'aucun ultrason ne soit appliqué. Dans tous les cas, ces détails seront ajoutés au SOP généré, après l'exécution de SOP Architect.

De manière alternative, SOP Architect peut également indiquer que le développement d'une méthode supplémentaire est nécessaire et fournir des recommandations sur les prochaines étapes à suivre. Référez-vous par exemple aux recommandations de la Figure 5. 

Figure 5 : Exemple de recommandations fournies par SOP Architect après la titration par ultrasons

Dans ce cas, SOP Architect a identifié qu'à l'intensité définie des ultrasons, l'échantillon n'est pas complètement dispersé ou n'a pas atteint sa stabilité. SOP Architect vous propose deux options :

• augmenter l'intensité des ultrasons 
• disperser les ultrasons à l'aide d'une sonication externe

 Vous pouvez cocher la case correspondant à l'option de votre choix, puis bénéficier d'une assistance supplémentaire. Si vous choisissez d'augmenter l'intensité des ultrasons, vous serez redirigé vers la page de démarrage de la titration par ultrasons et l'intensité des ultrasons sera automatiquement augmentée.

Étude de cas : kaolinite 

La titration par ultrasons au sein de SOP Architect a été effectuée à l'aide d'un échantillon d'argile kaolinite, un matériau utilisé dans de nombreuses industries variées. Par exemple, la kaolinite est couramment utilisée comme matériau de remplissage dans l'industrie du papier. La taille des particules de la kaolinite utilisée peut avoir un impact sur la luminosité du papier, sa capacité d'impression et la rentabilité de son utilisation en tant que matériau de remplissage. Par conséquent, il est essentiel de disposer d'un rapport précis de la distribution granulométrique des particules avec des agglomérats efficacement dispersés. 

Comme le montre la Figure 6, l'échantillon de kaolinite est bimodal lorsqu'il est dispersé dans l'eau. Sans ultrasons, il existe un plateau distinct pour les grandes tailles, mais il est éliminé en appliquant 100 % des ultrasons (dans Hydro MV) au fur et à mesure de la dispersion des agglomérats. L'interrogation du tracé de la taille des particules par rapport à la durée totale des ultrasons montre qu'après 120 secondes d'application totale d'ultrasons, aucune autre réduction de la taille des particules n'est observée, et la dispersion complète à ce stade est confirmée par imagerie (Figure 7).

Figure 6 : Résultats de la titration par ultrasons dans SOP Architect lorsqu'elle est effectuée avec un échantillon de kaolinite - gauche : superposition de la distribution granulométrique des particules ; droite : données de tendance de la taille des particules par rapport à la durée totale des ultrasons

Figure 7 : Images de particules enregistrées par l'Hydro Insight. Les agglomérats sont observés avant l'application des ultrasons (à gauche), mais après une application suffisante d'ultrasons, seules les particules primaires restent (à droite)

Dans ce cas, SOP Architect a effectué automatiquement la tâche d'évaluation des données et est arrivé à la même conclusion : 120 secondes à 100 % est la bonne combinaison pour disperser cet échantillon de kaolinite (Figure 8).

Figure 8 : Conseils de titration par ultrasons de SOP Architect pour l'échantillon de kaolinite

Résumé

La nouvelle étape de titration par ultrasons de SOP Architect offre des conseils importants pour réaliser l'une des étapes plus avancées du développement de la méthode. Les utilisateurs inexpérimentés de la diffraction laser ne seront pas les seuls à bénéficier de cette fonctionnalité dans le cadre d'un ensemble complet de développement de méthodes. Les utilisateurs experts trouvent utile d'effectuer la titration par ultrasons en tant qu'expérience autonome, par exemple, en passant d'une sonication externe à une sonication interne dans un accessoire de dispersion Hydro. 

Mais quelle que soit la manière dont vous prévoyez d'utiliser la titration par ultrasons, soyez assuré(e) que SOP Architect avec le Mastersizer 3000+ vous aidera à :

• Standardiser ou simplifier le développement de méthodes
• Intégrer les meilleures pratiques dans le développement de méthodes et atteindre ainsi des normes élevées en permanence
• Réduire la dépendance au transfert de connaissances de personne à personne
• Intégrer l'expérience de Malvern Panalytical à votre processus de travail
• Renforcer l'indépendance de l'équipe grâce à la prise de décisions
• Passer à l'automatisation de vos mesures de diffraction laser avec le lecteur de SOP

Vous voulez renforcer votre développement de méthodes ? Découvrez-en plus sur SOP Architect sur le Mastersizer 3000+ dès aujourd'hui.

Références

• [1] ISO13320:2020 – Analyse granulométrique – Méthodes de diffraction laser