Cinco pasos prácticos para realizar una buena difracción láser

1. Preparación de muestras

La preparación adecuada de las muestras es fundamental para obtener unos resultados precisos con la difracción láser. Este paso se inicia con un buen muestreo representativo. En el caso de materiales a granel no homogéneos, la segregación de la masa complica el proceso. Las fuerzas externas, como el transporte o las vibraciones, pueden forzar la acumulación de partículas más pequeñas en espacios intersticiales, acumulándose en el fondo del recipiente. Por otro lado, las fuerzas de las operaciones de llenado o alimentación provocan la acumulación de partículas grandes en el fondo del recipiente. La remezcla o el submuestreo en múltiples ubicaciones es el primer paso para abordar el problema.

Sin embargo, dividir las muestras es la mejor solución para minimizar los errores en las mediciones posteriores del tamaño de partículas. En la figura 1 se muestra la variación cualitativa según la técnica de muestreo.

En la figura 1 se muestra la variación cualitativa asociada a las diferentes técnicas de muestreo. Un mal muestreo perjudica enormemente al análisis posterior del tamaño de las partículas. La división de muestras con un equipo como el PT100 de Retsch es el método de laboratorio que se prefiere cuando se trata de obtener datos repetibles y reproducibles.

Una gran ventaja del SYNC es el sencillo intercambio de los módulos de suministro húmedo y seco, sin necesidad de herramientas. El FLOWSYNC ofrece un amplio rango de compatibilidad química y una sonda opcional de sonicación interna.

Mediciones en húmedo

Las mediciones en húmedo pueden resultar complejas dada la variedad de opciones de dispersantes, mezcladores y procedimientos. Microtrac ha publicado unas guías para ayudarle a seleccionar el líquido portador, y dispersar y estabilizar las muestras. En la figura 2 aparece un ensayo de dispersión básica con un polvo de grafito de 5 micras. Inicialmente, el isopropanol podría parecer una opción adecuada, pero hay que tener en cuenta la adhesión de los aglomerados a las paredes laterales del vaso de precipitado. La celda de muestra está hecha de una composición de vidrio similar a la del vaso de precipitado, por lo que cabe imaginar que esta dispersión se incrusta fácilmente en la celda. También es importante observar el profundo efecto de una solución tensioactiva no iónico para humedecer el grafito y crear una dispersión estable. La sonda opcional de sonicación en el recorrido del líquido del FLOWSYNC sirve para mantener la estabilidad de la muestra durante el ensayo. Finalmente, los usuarios deben atender a la densidad y al tamaño previstos de las partículas, ya que ambos sirven para determinar cuál es el flujo real efectivo de una recirculación totalmente eficiente. Por ejemplo, las fuerzas del líquido para acelerar los polímeros submicrónicos son significativamente menores que las de los polvos metálicos más grandes y densos.

En la figura 2 se dan tres opciones diferentes de preparación de muestras para un polvo de grafito de 5 µm.
De izquierda a derecha: isopropanol, agua desionizada, solución tensioactiva al 2 % (agua DI).
La cantidad de la muestra sólida y el volumen de líquido son idénticos. Una ligera agitación del vaso de precipitado es la única forma de mezclado; no se aplicó la sonicación externa. La solución tensioactiva es la opción preferente en la preparación de muestras, ya que presenta una dispersión estable. Observar una gota de las muestras en un portaobjetos al microscopio ayuda a visualizar la calidad de la dispersión.

Estas estrategias tienen por objeto evitar errores habituales en el análisis del tamaño de partículas.

Mediciones en seco

En algunos casos no se dispone de un líquido adecuado, las partículas son estructuras secundarias, como los gránulos, o los resultados serían más significativos para los usuarios si los materiales se midieran en seco. Hemos publicado unas pautas similares para optimizar la metodología del TURBOSYNC. La elección de la presión de la dispersión y la cantidad de la muestra se simplifica, lo que permite realizar unas buenas mediciones con cualquier material, desde polvos finos estáticos hasta polvos grandes y fluidos. En la figura 3 se presenta un ejemplo de una valoración volumétrica de la presión realizada en un polvo fino de vidrio. Los especialistas en aplicaciones de Microtrac trabajan con los usuarios finales para asesorarles sobre la preparación de muestras según sus objetivos o expectativas.

En la figura 3 se muestran las distribuciones granulométricas en diferentes condiciones de dispersión de un polvo fino de vidrio. Dispersión con medición en seco de 500 mg a 0 psi (rojo), de 100 mg a 0 psi (verde), de 100 mg a 1,5 psi (naranja) y medición en húmedo (azul). La similitud de las curvas en amarillo y azul indica que la presión de 1,5 psi es el mejor ajuste.

2. Parámetros del software

Los analizadores de difracción láser de Microtrac generan distribuciones de tamaño basadas en la innovadora teoría de la dispersión de Mie, pero modificada. La información básica sobre las partículas a medir y el líquido portador sirven para calcular la distribución granulométrica. Este algoritmo genera unos datos precisos, tanto en partículas esféricas como irregulares, y se adapta a los diversos modos de interacción láser-luz-sólido.

En la figura 4 se muestran las entradas básicas del software DIMENSIONS LS.

Por ejemplo, la arquitectura de los métodos del DIMENSIONS LS se puede personalizar para un polvo metálico esférico de fabricación aditiva o para un principio activo farmacéutico que sea transparente e irregular. El software incluye una lista de referencia completa de los índices de refracción para sólidos y líquidos. También se pueden introducir valores personalizados, incluidos los coeficientes de adsorción.

En el software, el entorno destinado al cálculo permite a los usuarios comparar diferentes modelos de forma y transparencia utilizando los datos existentes. Esta función, que ahorra tiempo, proporciona información para ajustar los métodos o realizar análisis más complejos. El software también indica cuándo es adecuada la intensidad de la señal y si se han añadido suficientes muestras. Hay una serie de pautas fáciles de seguir para determinar el "índice de carga", que es el mismo que la cantidad de oscurecimiento de la luz láser por sólidos.

3. Interpretación de los resultados de difracción láser

Interpretar los resultados de la difracción láser puede suponer todo un reto, especialmente para quienes se inician en la técnica. Las distribuciones granulométricas se representan de diversas maneras. Los gráficos y las tablas reflejan la distribución acumulativa o de frecuencia de los tamaños de partícula. Con las opciones básicas de número, área y volumen, es importante poner en contexto todos los factores para comparar datos, realizar la evaluación de control del proceso o concluir un proyecto de investigación. Comprender los conceptos estadísticos fundamentales como la media, la mediana y la moda aporta mucho valor a la interpretación.

Estos conceptos están relacionados con los estados a nivel de la partícula como el hinchamiento, la desintegración, la sedimentación o la aglomeración. Reconocer estas condiciones ofrece información práctica a los usuarios en aspectos como cambiar la base de la distribución, ajustar la cantidad de tensioactivo, elegir un módulo de suministro en seco o aumentar la velocidad de la bomba para obtener unos resultados satisfactorios. También es importante garantizar la repetibilidad y reproducibilidad de la medición, lo cual se consigue fácilmente con las herramientas estadísticas del software DIMENSIONS LS. En la figura 5 se da un ejemplo de cómo utilizar el software de Microtrac para interpretar los resultados de un polvo de diamante sintético de grado electrónico (SYNC 1R2B, FLOWSYNC, IPA). Los marcadores relevantes como d10, d50 y d90 se identifican fácilmente junto con la correlación con los resultados del tamiz.

En la figura 5 se muestra una imagen representativa de las herramientas de comparación de datos del software DIMENSIONS LS, que simplifican la interpretación de los datos.

4. Ventajas de incorporar el análisis dinámico de imágenes (DIA) con difracción láser

La caracterización de los sistemas de partículas, que antes estaba estrictamente dominada por las mediciones del tamaño, está en un momento de evolución. El DIA define el tamaño y la morfología de las partículas, y ofrece información detallada sobre las propiedades físicas de los materiales. Estas propiedades clave y el producto fabricado resultante pueden cambiar drásticamente sin que haya diferencias relevantes en la distribución del tamaño de la difracción láser.

El analizador SYNC proporciona un análisis de la forma de las partículas en la misma ejecución de la medición por difracción láser, tanto para mediciones en húmedo como en seco, y posteriormente se analiza en una única plataforma de software. No se requieren módulos, celdas de medición ni software independientes, por lo que el análisis de laboratorio es muchísimo más productivo.

El análisis de imágenes permite identificar problemas rápidamente y reducir de manera considerable el tiempo de resolución de averías. Las partículas en una corriente fluida, retroiluminadas por una luz estroboscópica de alta velocidad, se fotografían con una cámara digital de alta resolución para crear un archivo de vídeo con las imágenes de las partículas. Se adquieren más de 30 parámetros de tamaño y forma para cada partícula. El software DIMENSIONS LS incluye filtros para buscar, mostrar y evaluar partículas con propiedades específicas o con una combinación de propiedades. Mejorar los experimentos de difracción con una técnica ortogonal secundaria facilita la inspección de la celda de muestra con fines de limpieza, la detección de burbujas o contaminación, el descubrimiento de partículas de gran tamaño y la clasificación de muestras con una alta relación de aspecto. 

Detección de partículas de gran tamaño o con forma irregular

En las técnicas por difracción láser se asume que todas las partículas son esféricas y, con frecuencia, las partículas atípicas de gran tamaño o con forma irregular no se detectan únicamente con la difracción láser. Esto podría deberse a una cantidad insuficiente de dichas partículas en el lote de muestra. Y, a su vez, podría afectar al rendimiento del producto final como es el caso de la fabricación aditiva y su calidad en los polvos metálicos. En la figura 6 se indica cómo el DIA de Sync puede detectar partículas de gran tamaño al combinarse con la difracción láser. Además, es posible utilizar solamente los datos del DIA a partir de las mediciones del Sync para comparar las formas de las partículas de dos muestras diferentes y determinar la presencia de partículas de gran tamaño, tal y como se refleja en la figura 7.

Figura 6: los datos de difracción láser de la izquierda revelan una distribución granulométrica típica. Sin embargo, el gráfico de la derecha refleja la detección de partículas de gran tamaño al combinar en una sola medición la imagen dinámica con la difracción láser.

Figura 7: el análisis de la forma de los polvos metálicos revela dos muestras de polvo metálico con una mediana (d50) de 34 µm y 37 µm. El análisis de la forma evidencia que una muestra se compone casi exclusivamente de partículas esféricas, mientras que la otra contiene una alta proporción de partículas irregulares.

Conclusión

La difracción láser es una técnica muy utilizada para medir el tamaño de las partículas. El uso satisfactorio de la misma requiere un principalmente hacer hincapié en la preparación adecuada de las muestras, la selección de los parámetros del software y la interpretación de los datos. La incorporación de la técnica ortogonal simultánea (DIA) mejora la capacidad analítica. El mantenimiento rutinario del equipo favorece la precisión y la repetibilidad, así como el tiempo de funcionamiento del instrumento.