DE2832091A1

DE2832091A1 - Optisches verfahren zur bestimmung der teilchengroesse kolloidaler loesungen und messgeraet zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2832091A1
Application number: DE19782832091
Authority: DE
Inventors: Henning Ing Grad Eidenschink
Original assignee: EIDENSCHINK GEB TREUDE MARIANNE ING
Current assignee: EIDENSCHINK GEB TREUDE MARIANNE ING
Priority date: 1978-07-21
Filing date: 1978-07-21
Publication date: 1980-01-31
Also published as: US4274740A

Description

Optisches Verfahren zur Bestimmung der Teilchengröße kolloidaler Lösungen und Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein optisches Verfahren zur Bestimmung der Teilchengröße kolloidaler Lösungen, insbesondere von Kunstharzdispersionen, bei dem der Streueffekt (Tyndall-Effekt) eines eine Lösungsprobe durchsetzenden Lichtstrahles ausgenutzt wird, sowie ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Meßgerät.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Teilchengröße von Kunstharzdispersionen bekannt. Während eines dieser Verfahren auf einer statistischen Auswertung elektronenmikroskopischer Aufnahmen basiert, wird bei anderen Verfahren die Teilchengröße aus der Winkelabhängigkeit und/oder Wellenlängenabhängigkeit der Lichtstreuung innerhalb der zu untersuchenden Dispersion ermittelt. Außerdem ist es bekannt, aufgrund einer statistischen Auewertung der BROWN'sehen Molekularbewegung über den Diffusionskoeffizienten den Teilchenradiue zu ermitteln. Weiterhin sind sogenannte Trübungsmessungen für diese Zwecke bekannt.

Während die durch Trübungsmessungen gewonnenen Ergebnisse zu ungenau sind, haben die anderen bekannten Verfahren den Nachteil, daß sie nur mit unverhältnismäßig hohem apparativen Aufwand und großem personellen Einsatz durchgeführt werden können.

Dispersionen liegen im allgemeinen in polydisperser Form vor, wobei in erster Linie die mittlere Teilchengröße von Interesse ist. Daneben interessiert in vielen Fällen auch die Teilchengrößenverteilung. In neuerer Zeit besteht bei den Herstellern und vor allem auch bei den.Verarbeitern von Lacken ein großes Interesse an einer

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schnellen Feststellung der Teilchengröße von Kunstharzdispersionen, weil die Teilchengröße Aufschluß über die Eigenschaften des Endproduktes, d.h. des entstehenden Films, vermittelt. Andererseits sind die Hersteller von Kunststoffdispersionen ohne weiteres in der Lage, durch geeignete Verfahren und Hinzufügung von Zusatzstoffen gewünschte Teilchengrößen bzw. Teilchengrößenverteilungen zu erhalten, so daß bei der Herstellung dieser Dispersionen die notwendigen Voraussetzungen für die Schaffung gewünschter Eigenschaften des Endproduktes getroffen werden können. Für diese und andere Zwecke fehlt bisher ein Meßverfahren, welches eine schnelle und hinreichend genaue Bestimmung der Teilchengröße von Kunstharzdispersionen ermöglicht.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Sie verfolgt das Ziel, ein für diese Zwecke besser geeignetes optisches Verfahren zur Bestimmung der Teilchengröße zu entwickeln und ein Meßgerät zu schaffen, mit dem das Verfahren auf einfache Weise durchgeführt werden kann.

Sie Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, daß der Lichtstrahl durch eine Probe mit kontinuierlich sich ändernder Schichtdicke geleitet wird, daß durch Relatiwerschiebung eine solche Meßstrecke in der Probe eingestellt wird, daß das aus der Probe austretende Licht, welches durch Zerlegung als Spektrum auf einen Bildschirm projiziert wird, gerade nur noch den langwelligsten Teil (Rotlicht) des sichtbaren Spektrums enthält, daß die eingestellte Länge d der Meßstrecke gemessen wird und danach die Teilchengröße nach der Formel

r ■

jyumj

berechnet wird, worin bedeuten:
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r · Teilchenradiua in yua

c * Konsentration der Lösung in VoX %

d - gemessene Meßatreck· in mm

£f»t ■ Konzentrationsfaktor bei der Konzentration c

η ■ konstanter Faktor * iO^u/ma .

Die bei der Messung vorzunehmende Belatiwerscaiebung, d.h. die Veränderung der Länge der durchstrahlten Meßstrecke wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zweckeäßigerweise dadurch bewirkt, daß die keilförmige Probe in Keilrichtung quer zur Sichtung des Lichtstrahles bewegt wird*

Die Erfindung basiert auf der Erfassung der Länge des Tyndall-Kegels, der bekanntlich erkennbar wird, wenn paralleles, gebündeltes Licht durch eine Dispersion geleitet wird. Für die Errechnung der Teilchengröße mit Hilfe der vorstehend wiedergegebenen Formel wird neben der ermittelten Länge d der Heßstrecke die Konzentration der Lösung in Volumenprozent, die eine Kenngröße der Lösung darstellt und vom Hersteller mitgeteilt wird, und der Konzentrationsfaktor benötigt, der sich errechnen läßt, wie nachfolgend noch gezeigt wird.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Meßgerät zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß eine zur Erzeugung eines Lichtstrahles dienende Lichtquelle vorgesehen ist und daß im Strahlengang der Lichtquelle nacheinander ein die Strahlen bündelnder Kondensor, ein verschiebbarer Probenbehälter in Keilform aus lichtdurchlässigem Material, ein Objektiv, ein Prisma und ein Bildschirm angeordnet sind.

Zweckmäßigerweise besteht der Kondensor in bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahles aus zwei plankon-

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vexen Linsen, wobei zwischen den beiden Linsen eine Blende angeordnet ist. Sine weitere Blende kann zwischen des Kondensor und dem Probenbehälter vorgesehen sein. Di· Lichtquelle wird zweckmäßigerweiee im Brennpunkt eineβ Parabolspiegels angeordnet«

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen vor allem darin, daB die Messungen zur Ermittlung der Teilchengröße unter Zuhilfenahme eines einfach zu handhabenden transportablen Meßgerätes schnell durchgeführt wer- den können und daß hei Dispersionen mit Teilchengrößen im Bereich von 0,01 bis 5/um hinreichend genaue Ergebnisse zu erzielen sind. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren kann das erfindungsgemäße Verfahren als Schnellverfahren bezeichnet werden, welches nach ent sprechender Einweisung auch von ungeschulten Fachkräften ausgeführt werden kann.

Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel a erläutert. Die einzige Zeichnung zeigt die prinzipielle Anordnung der Hauptbestandteile eines erfindungsgemäßen Meßgerätes.

Zum Meßgerät gehört eine Lichtqui-le 1 mit einem Parabolspiegel 2. Der austretende Lichtstrahl durchsetzt nacheinander eine erste plankonvexe Linse 3 und eine zweite plankonvexe Linse 4 eines Kondensors, wobei zwischen den beiden Linsen und hinter der zweiten Linse 4 je eine Blende 5 bzw. 6 vorgesehen ist. Nach dem Kondensor tritt der Lichtstrahl durch einen Probenbehälter 7 in Keilform aus lichtdurchlässigem Material, wie Glas, Kunststoff

o. dgl., der quer zur Strahlrichtung verschiebbar ist. Im Probenbehälter befindet sich die zu untersuchende Dispersion. Das aus dem Probenbehälter 7 austretende Licht gelangt durch ein Objektiv 8 zu einem Prisma 9,

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von dem es als Spektrum auf einen Bildschirm 10 projiziert wird.

Als Prisma wird sweckmäßigerweise ein Spezialprisma für die Darstellung eines Breitbandspektrums verwendet. Bei einem praktisch ausgeführten Meßgerät besteht der Probenbehälter aus Kunststoff, dessen Länge in Keilrichtung ca. 15 cm und dessen maximale Keilbreite ca. 2 cm beträgt.

Wird Licht in ein disperses System eingestrahlt, entsteht seitlich austretendes Streulicht, welches in seinem Verlauf als sogenannter Tyndall-Kegel erkennbar ist. Es wurde nun gefunden, daß die Länge des Tyndall-Kegels abhängig ist von der Größe der Teilchen und deren Konzentration in der Lösung. Hieraus folgt, daß aufgrund der Messung der Länge des Tyndall-Kegels bei bekannter Volumenkonientration eine Bestimmung der Teilchengröße möglich sein muß.

Für die Messung des Tyndall-Kegels geht die Erfindung von der weiteren Erkenntnis aus, daß der Tyndall-Kegel dort endet, wo paralleles, die Dispersion in Einstrahlrichtung durchsetzendes Licht durch Streuung verbraucht ist. Demzufolge besteht der Meßvorgang darin, den Probenbehälter mit sich ändernder Schichtdicke solange quer zur Richtung des einfallenden Lichtstrahles zu verschieben, bis das austretende Licht gerade nur noch den langwelligsten Teil des sichtbaren Spektrums enthält, d.h., daß auf dem Bildschirm reines Rotlicht vorhanden ist. Dies ist der Pail, wenn das Ende des Tyndall-Kegels in bezug auf die Einfallsrichtung gerade die rückwärtige Begrenzung der Probe tangiert. Jede Verringerung der Schichtdicke hat zur Folge, daß auch kurzer welliges Licht auf dem Schirm in Erscheinung tritt. Dies gilt auch für Teilchen mit Eigenfarbe, d.h. selektiver Ad-

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sorbtion. Die Richtigkeit dieser Aussage konnte durch Messung mehrerer Buntpigmente bestätigt werden.

Durch Veränderung der Konzentration der Teilchen in der Probe läßt sich die Länge des Tyndall-Kegels beliebig verändern. Eine Verringerung der Konzentration bedeutet eine Vergrößerung der Teilchenabstände und folglich eine bessere Passierbarkeit des Primärlichtes, d.h. eine Verlängerung des Tyndall-Kegels.

Der Konzentrationsfaktor E

(c)

ist von der Konzentration

der jeweils zu untersuchenden Lösung abhängig. Zweckmäßigerweise wird der Konzentrationsfaktor für Lösungen mit verschiedenen Konzentrationen vorher ermittelt und in einer Tabelle festgehalten.

Der Konzentrationsfaktor E rechnen:

(c)

läßt sich wie folgt be-

fr- *

"Kugel " J " ^r

hohlraum " ⁸<™>^? " | V^

r « Radius der Kugeln

s ■ -p Abstand Kugel - Kugel

Kugel

Hohlraum

Als Beispiel für die Berechnung diene eine Lösung mit 15 VoI %

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Kunststoffdispersion ( ^» 1,1) Kugelvolumen: 15 ! 1,1 ■ 13,64·% Hohlraumvolumen: 100 - 13,64· - 86,36 %

13,64

_8(r+8)3 .5

r + s - 1,56O5r

s - 1,5605 r - r

s « 0,56 r

s » E . r ΓΕ » Proportionalitätsfaktor) E - f - 0,56

Nach der vorstehenden Formel lassen sich die Proportionalitätsfaktoren für die zu untersuchenden Lösungen leicht errechnen.

Bei dem errechneten Teilchenradius r handelt es sich um einen Kugel-lquivalenthalbaesser, der aber allgemein zur Klassifizierung disperser Systeme zugrundegelegt wird. Ein monodisperses System kann mit einer einzigen Messung bestimmt werden, während polydisperse Systeme durch mehrere Messungen klassifiziert werden können.

Zur Erzeugung eines auswertbaren Tyndall-Kegels konnten folgende Konzentrationsbereiche für Kunststoffdispersionen festgestellt werden:

sehr feindispers ^10 VoI %

fein- bis mitteldispers 1 - 10 VoI %

mittel- bis grobdispers 0,1 - 1 VoI %

stark grobdispers 0,01 - 0,1 VoI %

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- ίο -

Das vorstehend beschriebene Verfahren ist für die Untersuchung aller Systeme mit in Schwebe befindlichen Teilchen geeignet, beispielsweise auch für Milch, Pigmente im Dispergierzustand usw«

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Claims

Radt, Finkener, Ernesti

Patentanwälte

Heinrich-König-Straße 1Si Bochum

Fernsprecher (0234) 477Ϊ7/ Ϊ8 Telegrdrnmihiressc:

78 140 WE/IK

Ansprüche

Optisches Verfahren zur Bestimmung der Teilchengröße Jcolloidaler Lösungen, insbesondere von Kunstharzdispersionen, bei dem der Streueffekt eines eine Lösungsprobe durchsetzenden Lichtstrahles ausgenutzt wird, d a -durch gekennzeichnet, daß der Licht strahl durch eine Probe mit kontinuierlich sich ändernder Schichtdicke geleitet wird, daß durch Relatiwerschiebung eine solche Meßstrecke in der Probe eingestellt wird, daß das aus der Probe austretende Licht, welches durch Zerlegung als Spektrum auf einen Bildschirm projiziert wird, geradt nur noch den langwelligsten Teil (Hotlicht) des sichtbaren Spektrums enthält, daß die eingestellte Länge (d) der Meßstrecke gemessen wird und danach die Teilchengröße nach der Formel

berechnet wird, worin bedeuten:

r * Teilchenradius in ^um

c * Konzentration der Lösung in VoI %

d * gemessene Mtßstrecke in mm

Ε/_Λ\ ■ Konzentrationefaktor bei der Konzentration c

η » konstanter Paktor ■ 10 /mm .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine keilförmige Probe in Keilrichtung quer zur Richtung des Lichtstrahles bewegt wird.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Erzeugung eines Lichtstrahles dienende Lichtquelle (1) vorgesehen ist und daß im Strahlengang der Lichtquelle (1) nacheinander ein die Strahlen bündelnder Kondensor (3, 4), ein verschiebbarer, die Lösung enthaltender Probenbehälter (7) in Keilform aus lichtdurchlässigem Material, ein Objektiv (8), ein Prisma (9) und ein Bildschirm (10) angeordnet sind.
4-, Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensor in bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahles aus zwei plankonvexen Linsen (3 bzw. 4·) besteht, wobei zwischen den beiden Linsen eine Blende (5) angeordnet ist.
5. Meßgerät nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kondensor (5, 4) und dem Probenbehälter (7) eine weitere Blende (6) vorgesehen ist.
6. Meßgerät nach den Ansprüchen 3 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) im Brennpunkt eines Parabolspiegels (2) sich befindet.

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