La diffrazione laser è una tecnica largamente utilizzata per la misura della granulometria di materiali in un campo che va da centinaia di nanometri a diversi millimetri. La tecnica si basa sul principio che le particelle illuminate da un fascio laser diffondono la luce ad un angolo correlato alla loro dimensione. Al diminuire della dimensione delle particelle, l’angolo osservato di scattering (diffusione) aumenta in maniera logaritmica. L’intensità di scattering dipende anche essa dalle dimensioni delle particelle e diminuisce, con una buona approssimazione, in relazione alla superficie della sezione trasversale della particella. Semplificando, particelle grandi diffondono la luce con angoli stretti ed alta intensità, mentre particelle piccole con angoli più ampi e bassa intensità. La granulometria della particella viene riportata come diametro della sfera di volume equivalente.
La misura primaria per un sistema di diffrazione laser è la cattura di tutta la luce diffusa dalle particelle che si stanno analizzando. Un tipico sistema è costituito da:
- Un laser per fornire una fonte di luce con lunghezza d’onda fissa coerente ed intensa.
- Un sistema di presentazione del campione per garantire che il materiale in prova passi attraverso il raggio laser come un flusso omogeneo di particelle in uno stato di dispersione noto e riproducibile.
- Una serie di rilevatori utilizzati per analizzare la diffusione della luce ottenuta in una vasta gamma di angoli.
Il campo granulometrico accessibile durante la misura è correlato direttamente alla gamma di angoli di scattering misurabili. Gli strumenti moderni sono in grado di effettuare misure in un campo angolare che va da meno di 0.02 gradi fino a oltre 140 gradi. La sensibilità ottimale viene ottenuta utilizzando un detector logaritmico, in cui rivelatori sono raggruppati in modo più ravvicinato a piccoli angoli e più distanziato ad angoli ampi. Infine, la sequenza e la dimensione dei rivelatori è generalmente progettata in modo tale che volumi uguali di particelle di dimensioni differenti producano un segnale analogo misurato. Ciò richiede che la dimensione dei rivelatori aumenti all’incremento dall’angolo di diffusione misurato.
Analisi dei dati
Nella granulometria a diffrazione laser, le distribuzioni granulometriche sono calcolate confrontando lo scattering prodotto da un campione con un modello ottico appropriato ed usando un processo di inversione matematica. Tradizionalmente vengono utilizzati due diversi modelli: l’Approssimazione di Fraunhofer e la Teoria di Mie.
La Teoria di Mie fornisce una soluzione rigorosa per il calcolo delle distribuzioni granulometriche dai dati di scattering della luce e si basa sulle equazioni di Maxwell dei campi elettromagnetici. Si prevede l’intensità di scattering per tutte le particelle, piccole o grandi, trasparenti o opache.
“….. la teoria di Mie offre la migliore soluzione generale ” (ISO13320-1)
La teoria di Mie predice la risposta di scattering primario osservata dalla superficie della particella, con l’intensità prevista dalla differenza tra gli indici rifrazioni delle particelle e del mezzo di dispersione. Si prevede inoltre come l’assorbimento delle particelle influenzi il segnale di scattering secondario causato dalla rifrazione della luce all’interno delle particelle stesse – questo è particolarmente importante per le particelle inferiori a 50 micron di diametro specialmente quando queste sono trasparenti o traslucide, come indicato nello standard internazionale per le misure di diffrazione laser ISO13320:2009.
L’approssimazione di Fraunhofer veniva soprattutto usata in strumenti di vecchia generazione diffrazione laser, soprattutto perché è più semplice da calcolare e non richiede l’immissione di proprietà ottiche del campione. Essa presuppone che:
- Le particelle da misurare siano equivalenti a dischi opachi
- La luce sia diffusa solo ad angoli stretti
- Che particelle di tutte le dimensioni diffondano la luce con la stessa efficienza
- La differenza tra l’indice di rifrazione delle particelle e del mezzo circostante sia infinita.
Queste approssimazioni sono accettabili per particelle di grandi dimensioni (oltre i 50 micron di dimensione), o di dimensioni più piccole (fino a 5-10 micron) nel caso di particelle opache. In ogni caso in generale l’approssimazione di Fraunhofer introduce errori crescenti via via che si misurano particelle più piccole.
ISO13320 – Lo Standard Internazionale per le misure di Diffrazione Laser
Nel 1999 (l’ultima review è del 2009) l’Organizzazione internazionale di standardizzazione (ISO) ha pubblicato le ISO13320 – una guida indipendente che descrive esaurientemente come lavora un sistema per granulometria a diffrazione laser. Questo fornisce agli utenti la comprensione necessaria ad effettuare al meglio misure di diffrazione laser, come:
- Principi della granulometria a diffrazione laser: Vengono descritti i diversi sistemi ottici utilizzati per raccogliere i dati di scattering di luce ed sono riportati i vantaggi di ciascuno.
- Analisi dei dati: viene coperto l’uso di diversi modelli ottici, quali Teoria di Mie e l’Approssimazione di Fraunhofer, e valutato il campo di applicabilità di ciascuno.
- Validazione dei sistemi: sono indicate le linee guida per quanto riguardo i materiali di riferimento tipici che possono essere utilizzati per convalidare le prestazioni dei sistemi diffrazione laser.
- Manipolazione e dispersione del campione: Vengono descritti i requisiti per lo sviluppo di metodi di dispersione solidi e riproducibili sia ad umido che a secco.
- Errori nelle analisi: è fornita una guida per l’eliminazione degli errori, che elenca quelli tipici che devono essere compresi e controllati per effettuare buone misure.
- Report dei risultati: si indicano i parametri che dovrebbero essere inclusi nei report granulometrici di modo che tutte le condizioni delle analisi siano descritte correttamente.
I granulometri laser della Malvern Panalytical soddisfano o superano i requisiti del documento ISO13320, garantendo agli utenti di ottenere sempre dai loro campioni le migliori misure possibili.
