Partikelformanalysatoren: Definition, Funktionsweise, Geschichte

Partikelformanalysatoren sind Messgeräte, die neben der reinen Partikelgröße auch morphologische Kenngrößen wie Rundheit, Seitenverhältnis, Konvexität oder Symmetrie einzelner Partikel bestimmen. Damit unterscheiden sie sich grundlegend von Verfahren, die nur eine Größenverteilung liefern, ohne die tatsächliche Gestalt der Partikel zu berücksichtigen.

Im Zentrum der meisten heute verwendeten Geräte steht die dynamische Bildanalyse (DIA), ein Einzelpartikelmessverfahren nach ISO 13322-2. Dabei werden Partikel während der Bewegung relativ zu einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen; jeder einzelne Partikel wird dabei in zufälliger Orientierung erfasst, wodurch sich dreidimensionale Information über eine zweidimensionale Projektion annähern lässt. Im Unterschied dazu arbeitet die statische Bildanalyse (SIA) mit ruhenden Partikeln und erreicht dabei zwar eine hohe Auflösung, analysiert aber deutlich weniger Partikel pro Messung und liefert damit eine geringere statistische Aussagekraft Vergleich unterschiedlicher Partikelanalyse-Methoden.

Funktionsprinzip

Eine Probe – Pulver, Granulat, Faser oder Suspension – wird über ein Dosier- oder Dispergiersystem der Messzelle zugeführt. Eine Kamera nimmt dort in hoher Bildrate Aufnahmen der vorbeifließenden Partikel auf. Eine Auswertesoftware berechnet aus den Bildkonturen für jedes einzelne Partikel Kenngrößen wie Länge, Breite und Formfaktoren und aggregiert diese zu statistischen Verteilungen über teils mehrere Millionen Einzelpartikel je Messung.

Historischer Hintergrund

Die dynamische Bildanalyse wird in der ISO 13322-2 normativ beschrieben und gilt heute neben der Laserbeugung und der klassischen Siebanalyse als anerkanntes Verfahren der Partikelcharakterisierung.

Welche Arten von Partikelformanalysatoren gibt es?

Kombinierte Laserbeugungs-/Bildanalysesysteme

Diese Geräteklasse verbindet zwei Messprinzipien in einer Probenzelle. Der MICROTRAC SYNC von Verder Scientific führt Laserbeugung und dynamische Bildanalyse synchron an derselben Probe zur gleichen Zeit durch und ergänzt so klassische Laserbeugungsdaten zur Partikelgröße um zusätzliche Forminformationen aus der Bildanalyse, sowohl bei nassen als auch bei trockenen Proben.

Dynamische Bildanalysatoren für Schüttgüter

Geräte dieser Kategorie sind auf die Charakterisierung von Schüttgütern mittels Hochgeschwindigkeits-Bildanalyse ausgelegt. Der MICROTRAC CAMSIZER X2+ Particle Size & Shape Analyzer von Verder Scientific ist ein Beispiel für einen hohen Probendurchsatz kombiniert mit einem breiten Messbereich zur Qualitätskontrolle und Prozessoptimierung.

Partikelanalysatoren für Labor und Prozess

Systeme wie QICPIC | PICTOS & Co. von Sympatec sind für einen sehr breiten Messbereich ausgelegt: Laut Produktbeschreibung deckt das Gerät Partikelgrößen von unter 1 µm bis 34.000 µm ab und ist damit sowohl im Labor als auch im Prozessumfeld einsetzbar. Eine 4-Megapixel-Hochgeschwindigkeitskamera liefert dabei die höchste Auflösung im erfassten Partikelspektrum.

Partikelgrößen- und -formanalysatoren mit erweitertem Messbereich

Der Litesizer DIA Series von Anton Paar deckt laut Produktbeschreibung einen Messbereich von 0,5 µm (Dispersionen) bis 16 mm (Pulver) ab und ist in eine Bediensoftware integriert.

Online-Partikelanalysatoren

Für die kontinuierliche Überwachung in Produktionsprozessen ist der ParticleMaster inspex von LaVision ausgelegt. Er ermöglicht laut Produktbeschreibung eine Echtzeit-Überwachung für den durchgehenden Produktionsbetrieb sowie eine dynamische Bildanalyse von Größe, Form und Geschwindigkeit unabhängig von Partikelgeometrie und -material.

Partikelformanalysatoren im Vergleich: Warum nicht Laserbeugung oder Siebanalyse?

Partikelformanalysatoren auf Basis dynamischer Bildanalyse sind Einzelpartikelmessverfahren, die im Gegensatz zu Kollektivmessverfahren wie Laserbeugung oder Siebanalyse direkte Formkennwerte für jedes erfasste Partikel liefern statt indirekt berechneter Kollektivwerte.

Bei der Laserbeugung werden Partikelgrößen aus winkelabhängigen Streulichtmustern berechnet; das Verfahren deckt laut Fachliteratur einen Messbereich von etwa 10 nm bis 4 mm ab und gilt als etabliertes, automatisierbares Verfahren, stößt bei der Erfassung der tatsächlichen Partikelform jedoch an Grenzen, da alle Signale wie von kugelförmigen Partikeln behandelt werden Methoden der Partikelgrößenanalyse erklärt. Die klassische Siebanalyse liefert massebasierte Ergebnisse und tendiert dazu, insbesondere die Partikelbreite abzubilden – ein direkter Formvergleich ist damit nur eingeschränkt möglich.

Wesentliche Vorteile der dynamischen Bildanalyse gegenüber diesen Alternativen:

• Direkte Erfassung von Länge, Breite und Formparametern (z. B. Rundheit, Konvexität, Aspekt-Verhältnis) je Einzelpartikel statt eines reinen Äquivalentdurchmessers
• Auswertung mehrerer Millionen Einzelpartikel pro Messung möglich, wodurch auch mehrmodale Verteilungen sicher aufgelöst werden
• Geeignet für die Korrelation mit bestehenden, siebbasierten Produktspezifikationen, ohne diese ändern zu müssen

Ein Nachteil der Bildanalyse gegenüber der Laserbeugung ist der eingeschränkte untere Messbereich: Für Partikel unterhalb von etwa 1 µm stößt die Bildanalyse an ihre Grenzen, während die Laserbeugung hier laut Fachliteratur weiterhin einsetzbar bleibt.

In welchen Bereichen werden Partikelformanalysatoren angewendet?

Partikelformanalysatoren sind Messgeräte, die branchenübergreifend überall dort eingesetzt werden, wo Form und Größe von Partikeln direkte Materialeigenschaften wie Fließverhalten, Kompressibilität oder Abriebfestigkeit bestimmen.

Additive Fertigung: Pulver für 3D-Druckverfahren müssen enge Anforderungen an Partikelform und -größenverteilung erfüllen, da diese das Fließverhalten beim Auftrag beeinflussen. Der MICROTRAC SYNC von Verder Scientific wird laut Produktseite unter anderem in diesem Anwendungsfeld eingesetzt.

Akademische und allgemeine Forschung: In Forschungslaboren werden Partikelformanalysatoren zur Charakterisierung unterschiedlichster Materialien eingesetzt, von Pulvern bis zu Suspensionen. Sowohl der MICROTRAC SYNC von Verder Scientific als auch der Litesizer DIA Series von Anton Paar sind laut Produktseite für die allgemeine Forschung ausgelegt.

Batterieanalytik: Die Partikelform von Elektrodenmaterialien beeinflusst Packungsdichte und elektrochemische Eigenschaften von Batterien. Der Litesizer DIA Series von Anton Paar wird laut Produktbeschreibung unter anderem in der Batterieanalytik eingesetzt.

Qualitätskontrolle und Prozessüberwachung in der Produktion: Für die kontinuierliche Überwachung von Fertigungsprozessen kommen Online-Systeme zum Einsatz.

• Der MICROTRAC CAMSIZER X2+ von Verder Scientific wird laut Produktseite zur Prozessoptimierung bei der Charakterisierung von Schüttgütern eingesetzt
• Der QICPIC | PICTOS & Co. von Sympatec deckt laut Produktseite sowohl Labor- als auch Prozessanwendungen ab

FAQs zu Partikelformanalysatoren

Wie wähle ich den richtigen Partikelformanalysator für mein Labor aus?

Die Wahl richtet sich vor allem nach dem benötigten Messbereich, der Probenart (Pulver, Granulat, Faser, Suspension oder Emulsion) sowie danach, ob eine Laboranwendung oder eine kontinuierliche Prozessüberwachung im Vordergrund steht.

Welche Partikelformanalysatoren eignen sich für die kontinuierliche Prozessüberwachung?

Für die Online-Überwachung direkt im Produktionsprozess sind speziell dafür ausgelegte Systeme geeignet, der eine Echtzeit-Charakterisierung von Partikeln und Tröpfchen ermöglicht.

Welche Probenvorbereitung ist für einen Partikelformanalysator notwendig?

Je nach Gerät und Probenart kommen unterschiedliche Dosier- und Dispergiersysteme zum Einsatz, mit denen trockene Pulver, Granulate oder flüssige Suspensionen und Emulsionen der Messzelle zugeführt werden.

Wie unterscheiden sich dynamische und statische Bildanalyse?

Bei der dynamischen Bildanalyse werden Partikel in Bewegung relativ zur Kamera erfasst, wodurch pro Messung deutlich mehr Partikel in zufälliger Orientierung ausgewertet werden können. Die statische Bildanalyse arbeitet dagegen mit ruhenden Partikeln und erreicht eine hohe Auflösung, jedoch bei geringerer Partikelzahl je Messung.

Können Partikelformanalysatoren auch sehr kleine Partikel im Nanometerbereich erfassen?

Das hängt vom jeweiligen Gerät ab: Einzelne Systeme wie der Litesizer DIA Series von Anton Paar decken laut Produktbeschreibung Messbereiche bis 0,5 µm ab; für Partikel deutlich unterhalb dieses Bereichs stößt die Bildanalyse grundsätzlich an technische Grenzen.

Abschließende Zusammenfassung

Partikelformanalysatoren liefern über die reine Größenverteilung hinaus direkte Informationen zur tatsächlichen Gestalt einzelner Partikel und ergänzen damit klassische Verfahren wie Laserbeugung und Siebanalyse. Die auf dieser Seite gelisteten Produkte decken unterschiedliche Anforderungen ab – von Labormessungen an Pulvern und Suspensionen bis zur kontinuierlichen Prozessüberwachung. Die Wahl des passenden Geräts hängt maßgeblich vom benötigten Messbereich, der Probenart und dem Einsatzumfeld ab.