粒度分布測定方法開發策略——干法

最新 03-08

導讀

葯事縱橫在2018年01月03日發表了「粒度分布測定方法開發策略——濕法」一文，作者介紹了濕法開發中的注意事項。今天本文繼續介紹干法開發中的注意事項。

原料葯碎粉或微粉碎化後往往需要測定粒度分布，這兩篇文章將從更專業，更深入的角度分析每種類型測定方法的關鍵點，以及在方法建立、方法學驗證中需要重點考慮的參數。

如何提高粒度方法的準確性、耐用性、重複性？相信本文能夠給你帶來更多啟發。

干法測定的優點

物質在乾燥分散狀態下的粒度測定越來越多的被濕法或者液體分散方法取代。但是，用激光粒度儀的干法測定物質的粒度仍然有以下幾個優點：

（1）如果物料是在乾燥狀態下加工合成，那麼用干法測定其粒度比濕法更具有代表性；

（2）對於某些物料來說，干法是唯一選擇，因為這些物料會溶解在常見的分散劑中或者分散後由於水合作用使顆粒大小發生了變化；

（3）一般來說，干法測定比濕法測定更快速，可以在短時間內測定更多的樣品。對於獲得粗略的或者多分散樣品的可重現的結果特別有用。

但是，並不是每個樣品都適合用干法測定。非常細（粒徑非常小）或者有粘性的樣品可能更適合於濕法測量，因為可能需要表面活性劑或者其他分散劑來實現樣品完全和可重現的分散。由於干法的分散機制更具有破壞性，所以可能不適合極易破碎的樣品。綜上，儘管可以使用干法測定樣品量非常少的樣品，但通常使用濕法測定以獲得更好的結果重現性。

方法獲得可重複性結果的三要素

從任何種類的粒子表徵系統獲得可重複的結果取決於三個因素：

? 取樣的代表性

? 合適的分散狀態

? 適當的測量條件

每個因素的相對重要性取決於所測量的顆粒的大小。圖1顯示了與干法分散中細或粗顆粒的測量相關的相對風險因子。

圖1：干法分散體系中粗顆粒和細顆粒的風險因子

因此，如果你正在測量非常細小的顆粒，那麼分散壓力將會對結果產生最大影響，因為它會影響樣品的分散狀態。但是如果你測定的是粗顆粒（粒徑很大），最大可能的誤差則來自於取樣的代表性。

應該干法測定結果的關鍵參數

1、分散壓力

粒度測量獲得可重現的結果依賴於樣品處於穩定的分散狀態。顆粒分散的容易程度取決於顆粒尺寸，因為隨著顆粒尺寸的減小，顆粒之間的相對粘附力增加。這就是為什麼分散壓力是細小粒徑物質測定的首要風險因子的原因。

乾燥狀態下的樣品使用由文氏管（註：也叫文丘里管，一種流體流量測定裝置）驅動的壓縮空氣進行分散。對於每個文氏管而言，可用於分散樣品的能量的量值取決於壓縮空氣的壓力。乾燥樣品的分散狀態通過進行壓力滴定並將結果與充分分散的濕法測量結果進行比較來評估。壓力滴定顯示，通常隨著壓力增加，團聚體分散，粒度減小。另外，顆粒大小也會由於顆粒摩擦而降低，並且這兩個過程可以疊加。將壓力滴定的結果與良好分散的濕法測量進行比較，以確定團聚體分散時的壓力，但原始狀態的顆粒未被破壞。圖2顯示了奶粉的壓力滴定結果。

圖2：奶粉壓力滴定，標準文氏管

干法測定的結果顯示與良好分散的濕法測定結果最接近的一致性結果將提示適當的壓力。如果幹法測定的結果比濕法測定的結果更細小（粒徑更小），則表明在該分散壓力下，原始顆粒被破壞。圖3顯示了奶粉樣品濕法測定的結果與在分散壓力為0.5bar和3bar下干法測定結果的對比。與濕法測定結果相比，分散壓力為0.5bar時測得的粒徑更大，表明樣品在0.5bar的分散壓力下，分散不均勻。但是，分散壓力為3bar時，測定結果與濕法測定結果有很好的相似性。因此，對於這種物質，將樣品完全分散的分散壓力為3bar。

圖3：在0.5bar和3bar下分散干法測定結果於濕法測定結果的比較

圖2所示的壓力滴定是用Mastersizer 3000干法分散器Aero S提供的標準文氏管進行的。如圖4所示，該文氏管利用了干法分散的兩種可用機理：（a）由剪切力引起的速度梯度和（b）粒子-粒子之間的碰撞。

圖4：干法分散的分散機理

對於大多數物料來說，這兩種機制足以分散樣品。然而，一些高度團聚和堅固的樣品可能需要額外的更高的能量分散機制的粒子間壁碰撞，如圖4（c）。由於標準文氏管適用於絕大多數樣品，因此這將是開發干法測定的起點。但是，如果對於堅固的材料不能實現完全的分散，那麼可能需要使用所有三種分散機構的Aero的高文氏管。

如果我們使用高文氏管里測量奶粉樣品，那麼我們會看到不同的壓力滴定。由於較高的能量分散機制，樣品在較低的壓力下即可完全分散。圖5顯示使用高能文氏管在分散壓力為1bar時的干法測定結果與濕法測定結果顯示出良好的一致性。而在4bar時，干法測定的結果粒徑較小，表明顆粒被破壞。

圖5：用高能文氏管，分散壓力1bar和4bar下干法測定結果與濕法測定結果的比較

圖6顯示了使用標準文氏管和高能文氏管測量的Dv50與壓力的比較，其中將來自濕法結果的Dv50作為虛線添加以用於比較。這表明使用標準文氏管在3bar和4bar之間和使用高能文氏管在1bar時與濕法測量的結果相當。在這種情況下，建議使用標準文氏管，因為干法測量結果與更寬範圍壓力下的濕法分散結果相當，這提高了該方法的穩定性。

圖6：與濕法測定相比，使用標準和高能文氏管的Dv50與壓力的關係

振動進樣速度

2、振動進樣速度

進樣速率通過振動樣品盤來控制樣品通過文氏管進入測量單元的速率。通過測量單元的樣品量通過遮光度來記錄（激光通過測量單元時損失的百分比）。必須設定振動進樣速度，使大部分測量持續時間內的遮光度在合適的範圍內，如圖7所示。

Mastersizer 3000S軟體中的遮光度篩選功能可以確保檢測器掃描遮光度在目標範圍之外的地方未包含在結果中。遮光度越高，檢測器的掃描範圍越大，在遮光度允許的範圍內，結果就越具有代表性和可重複性。這是Mastersizer 3000s干法測量數據質量報告所檢查的參數之一，當檢測到不合適的遮光度時將顯示警告。

圖7：遮光度與時間的變化，對綠色的進樣速率有很好的控制，對紅色的控制不好。

合適的遮光度範圍取決於樣品量的大小和性質。為了使分散器的效率最大化，可能需要在較低的遮光度下測量粘性的細粒徑的樣品，而粒徑較大的物料可以在較高的遮光度下進行測量。如果物料的粘性大且粒徑較小，則應該縮小遮光度的上限以提高分散器的效率。

在Aero S分散裝置上，可以通過調節樣品盤和料斗的設置來優化進樣的穩定性。對於流動性特別的物料，較低的料斗高度可防止物料過快流出樣品盤。對於粘性物料，增加料斗高度可以改善流動性。籃子和滾珠也可以用來改善粘性物料的流動性。如果樣品量非常少，可以不用料斗，微量或微量樣品盤可能更適合。

3、樣品量

如果你要測量的樣品粒徑較大，那麼測量的樣品數量以及如何獲取代表性的樣品是最大的誤差來源。

要獲得有代表性的結果，需要測量最小數量的粒子。例如，要使D90的標準誤差達到5％以內，在分析過程中至少需要測量400個顆粒。因此，對於密度為1.5g/cm3和D90為500μm的物料，需要測量的樣品量約0.5g才能使D90的標準誤差達到5％。隨著顆粒尺寸的增加，含有足夠顆粒的質量增加，達到可重現結果所需的最小樣品量也會增加。

圖8：5％標準誤差時粒徑大小和最小樣品量的函數關係

圖8顯示了達到5％標準誤差所需的最小樣品量與粒徑的函數關係。您可以通過測量幾個單獨的樣本並評估結果的可變性來測試樣品量是否足夠。

激光粒度儀測量的精密度以變異係數來評估。

（也就是相對標準偏差，RSD）

激光粒度儀ISO標準[1]建議，對於中間參數，例如D50，RSD應小於3％；分布極值（邊緣）的參數，例如D10和D90，RSD應小於5％。Mastersizer 3000在其數據質量標籤中有一個可變性檢查，使您能夠根據ISO標準中設定的限制來檢查測量的可變性。

4、測量時間和耐用性

樣品測量時間也會影響結果的可變性，因為它可以成為另一個進樣步驟。當樣品盤振動時，樣品可能會分離。樣品中較大的、流動性更好的顆粒可能會在更細的粘性較大的顆粒之前到達測量單元。因此，在用干法測量時，最重要的是要確保測量放在進樣盤上的整個樣品。在方法開發過程中，為了幫助優化參數（例如遮光範圍），可以重複測量更短的持續時間，但是，一旦測量條件被設定為較長時間測量，並且具有足夠的持續時間來測量樣品盤上的所有樣品，測量時間應該被設置。

獲得可重現的結果所需的樣品的質量取決於樣品粒徑的大小和分散性。含有較大顆粒或具有非常多分散性的樣品將需要測量更多的樣品量，因此需要更長的測量持續時間。