Digitale Partikelgrößenanalyse von Titandioxid-Weißpigmenten

  • Abb. 1:Wie gut das Titandioxid-Pulver seine Aufgabe als Weißpigment erfüllt, hängt entscheidend von der Größenverteilung der Partikel ab:Wie groß sind die Partikel im Mittel? Wie viele Partikel sind um wie viel größer oder kleiner als der Mittelwert? Diese Fragen muss die Qualitätskontrolle beantworten. Elektronenmikroskopische Untersuchungen mit digitaler Bildanalyse bieten hier in besonderen Fällen gegenüber den Standardmethoden einige Vorteile.Abb. 1:Wie gut das Titandioxid-Pulver seine Aufgabe als Weißpigment erfüllt, hängt entscheidend von der Größenverteilung der Partikel ab:Wie groß sind die Partikel im Mittel? Wie viele Partikel sind um wie viel größer oder kleiner als der Mittelwert? Diese Fragen muss die Qualitätskontrolle beantworten. Elektronenmikroskopische Untersuchungen mit digitaler Bildanalyse bieten hier in besonderen Fällen gegenüber den Standardmethoden einige Vorteile.
  • Abb. 1:Wie gut das Titandioxid-Pulver seine Aufgabe als Weißpigment erfüllt, hängt entscheidend von der Größenverteilung der Partikel ab:Wie groß sind die Partikel im Mittel? Wie viele Partikel sind um wie viel größer oder kleiner als der Mittelwert? Diese Fragen muss die Qualitätskontrolle beantworten. Elektronenmikroskopische Untersuchungen mit digitaler Bildanalyse bieten hier in besonderen Fällen gegenüber den Standardmethoden einige Vorteile.
  • Abb. 2:Wie groß sind die Titandioxid-Partikel? Die Partikel werden elektronenmikroskopisch abgebildet (Bildausschnitt a) und von der Bildanalysesoftware analySis automatisch detektiert, vermessen und in Größenklassen eingeordnet. Die Software schreibt die Messdaten in eine Tabelle, wertet sie statistisch aus und stellt sie grafisch dar. Das Balkendiagramm (b) zeigt eine so gewonnene Anzahlverteilung.
  • Abb. 2:Wie groß sind die Titandioxid-Partikel? Die Partikel werden elektronenmikroskopisch abgebildet (Bildausschnitt a) und von der Bildanalysesoftware analySis automatisch detektiert, vermessen und in Größenklassen eingeordnet. Die Software schreibt die Messdaten in eine Tabelle, wertet sie statistisch aus und stellt sie grafisch dar. Das Balkendiagramm (b) zeigt eine so gewonnene Anzahlverteilung.
  • Abb. 3: Auch das Titanoxihydrat, eine Vorstufe der Titandioxid-Pigmente, wird bei Kronos bildanalytisch vermessen. Die Partikel können im elektronenmikroskopischen Bild ihrer Größe entsprechend farblich markiert werden. Die Software zeichnet die Farben in das sog. Overlay ein, das wie eine „digitale Folie“ über dem Bild liegt.

Titandioxid-Pulver ist das meistverwendete Weißpigment für Farben, Lacke, Kunststoffe, Papier und Kosmetika. Ein entscheidendes Qualitätsmerkmal ist die Größenverteilung der Pulver-Partikel. Um sie zu bestimmen, setzt der Titandioxid-Hersteller Kronos Titan - neben verschiedenen Partikelgrößen - Analysemethoden - Elektronenmikroskope und das Bildanalysesystem analySis ein. Die integrierte automatische Partikelanalyse übernimmt die Auswertung der Bilder.

Autolacke, Hausanstriche, Thermoskannen, Computergehäuse, Dekorbeschichtungen von Möbeln, Kunststofffenster, weißes und farbiges Papier, Lippenstifte, glasierte Schokokugeln – das sind einige Beispiele für Produkte, in denen fein gemahlenes Titandioxid verarbeitet ist.

Warum gerade Titandioxid?

Was macht dieses auf den ersten Blick unscheinbare weiße Pulver für die verschiedenen Industriezweige so interessant? Dr. Frank Mersch von Kronos International: „Titandioxid-Pigment hat die höchste Brechzahl aller Weißpigmente und deshalb ein außerordentlich gutes Streuvermögen für Licht im sichtbaren Bereich.“ Je höher das optische Streuvermögen ist, desto besser deckt das Pigment den Untergrund ab. Das heißt: Schon wenig Pigment reicht für ein gutes Deckvermögen. Und was hat das Weißpigment Titandioxid in „bunten Farben“ zu suchen? Mersch: „Weil es das Licht so effektiv beugt und gleichzeitig den Untergrund hervorragend abdeckt, kommen die eigentlichen Farbpigmente brillanter zur Geltung.“ Das Ergebnis sind satte, volle Farben. Dr. Frank Mersch ist Leiter der Mikroskopie in der Gruppe Physik, der Abteilung Produktkontrolle und Qualitätsmanagement von Kronos, einem der weltweit größten Hersteller von Titandioxid. Etwa 450.000 t werden pro Jahr in den sechs Produktionsstätten der Kronos-Gruppe produziert. Diese Menge deckt ungefähr 11 % des globalen Jahresbedarfs von über vier Mio. Tonnen ab.

Partikelgrößenverteilungen

Das Streuvermögen der Pigmente hängt nicht nur von der Brechzahl des Materials ab, sondern auch sehr stark von der Größenverteilung der Partikel.

Charakteristisch hierfür sind der mittlere Partikeldurchmesser und die Verteilungsbreite. Weicht der Mittelwert nur wenig von der optimalen Partikelgröße ab oder wird die Verteilung zu breit, kann das zu nennenswerten Verlusten im Streuvermögen führen. Daher sind Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung unerlässliche Werkzeuge für jeden Pigmenthersteller.

Kronos setzt zur Partikelgrößenanalyse verschiedene Methoden ein. Dabei werden die Pigment- Partikel zunächst in einer Flüssigkeit, meist Wasser, gleichmäßig fein verteilt. Diese Dispersion wird dann untersucht – z. B. mit Sedimentations- oder Laserstreulichtverfahren. Mersch: „Diese Verfahren haben allerdings den Nachteil, dass man über die Partikel schon vor der eigentlichen Messung einiges wissen muss. Ist bspw. die Dichte oder Brechzahl nicht bekannt, ist keine physikalisch sinnvolle Messung möglich.“ Außerdem lässt sich in manchen Fällen von den Partikeln keine stabile wässrige Dispersion erzeugen. Eine Partikelgrößenanalyse von solchen Pigmente, die z. B. für den Einsatz in Kunststoffen extrem hydrophob hergestellt werden, ist nicht einfach.

Besser direkt abbilden

Elektronenmikroskopie plus digitale Bildanalyse bieten hier eine Alternative, die den genannten Einschränkungen nicht unterliegt. Ohne den Umweg über eine Dispersion werden die Pigmente elektronenmikroskopisch direkt abgebildet und dann von einer Software analysiert. In der Abteilung Produktkontrolle und Qualitätsmanagement steht dafür ein Tecnai20- Transmissionselektronenmikroskop (TEM) von FEI zur Verfügung. An seinem Weitwinkelport ist seitlich eine Digitalkamera vom Typ MegaView II angeflanscht.

Zur Bildaufnahme fährt das Umlenkprisma der Kamera druckluftgesteuert in den Strahlengang des Mikroskops ein und fängt die Elektronen in der Zwischenbildebene ab. Die Kamera überträgt das Bild in den angeschlossenen PC, auf dem das Bildanalysesystem analySIS installiert ist. Kamera und Bildanalysesystem stammen von Soft Imaging System. „Eine Auswertung der Bilder von Hand kommt nicht in Frage“, betont Mersch. „Das wäre viel zu aufwändig und zeitraubend.“ Allerdings ist die Elektronenmikroskopie nicht für Routineuntersuchungen geeignet.

Viele Partikel führen zum Ziel

Wichtig für eine erfolgreiche Partikelgrößenbestimmung mit digitaler Bildanalyse sind ausreichender Bildkontrast, örtliche Trennung der Partikel und große Partikelzahlen – für eine gesicherte Statistik. Der Bildkontrast kann über das Live-Bild vor der Aufnahme interaktiv optimiert werden. Auch für die Verbesserung der Bildqualität während und nach der Aufnahme stehen zahlreiche Funktionen zur Verfügung, etwa eine Abschattungskorrektur zur Beseitigung einer ungleichmäßigen Ausleuchtung. Die Filterfunktion „Trenner“ sorgt dafür, dass im Bild zusammenhängende Partikel korrekt als einzelne Partikel erkannt und erfasst werden. Um statistisch aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, lässt Frank Mersch die Software bei jeder automatischen Partikelanalyse mehrere Bilder hintereinander auswerten und die Ergebnisse in eine einzige, große Tabelle schreiben.

Die integrierte statistische Auswertung liefert die gewünschten Zahlenwerte für den mittleren Partikeldurchmesser und die Standardabweichung. Die Größenverteilung lässt sich grafisch darstellen. Am Ende jeder Partikelgrößenbestimmung wird mit dem Berichtgenerator ein Messbericht erzeugt. Die aufgenommenen Bilder werden zusammen mit der Auswertung und dem Bericht in einer Datenbank archiviert.

Digitalisierte Mikroskope

Kronos verfügt über mehrere analySISLizenzen. Sie setzen die Software auch an einigen ihrer Lichtmikroskope ein, die sie mit Digitalkameras vom Typ ColorView 12 oder CC-12 von Soft Imaging System „digitalisiert“ haben. Auch die Bilddaten des Rasterelektronenmikroskops (REM) werden mit dieser Software ausgelesen und in der Datenbank abgelegt. Frank Mersch arbeitet z. Zt. an einer weiter gehenden Automatisierung der Bildaufnahme im REM. Für die Steuerung des Mikroskops und dessen Motortisches nutzt er die Software-Erweiterung mia (Multiple Image Alignment) und die integrierte Imaging-C-Programmierumgebung.Durch die großen Probenflächen und die Möglichkeit der direkten Untersuchung der Korngrößenverteilungen z.B. in dünnen Lackschichten öffnet das REM hier eine Tür für die praktische Anwendung der Pigmente.

Erst in der Kombination von Lichtmikroskop, REM und anschließend TEM können wirklich alle Facetten der Pigmente deutlich werden. Bei diesen Proben wird zuerst der visuelle Eindruck mit Hilfe der Stereolupe und der ColorView 12 dokumentiert. Um das Verständnis für die Ergebnisse der Elektronenmikroskopie zu verbessern, werden die interessanten Bereiche dann mit dem Lichtmikroskop und der CC-12 dargestellt. Das erleichtert die Deutung der Bilder des REMs enorm, da hier ja eigentlich „elektronische“ Eigenschaften der Probe visualisiert werden. Die Bilder stellen Oberflächen oder Materialien in der Nanowelt dar, während im TEM dann der Schnitt durch das Material und der Schritt in die Sub-Nanowelt erfolgt.

Dieser Text entstand mit freundlicher Unterstützung von Dr. Frank Mersch, Produktkontrolle und Qualitätsmanagement, Physik – Mikroskopie, Kronos International Inc., Leverkusen.

Bildquelle: Kronos International Inc. Elektronenmikroskopische Aufnahmen mit einer MegaView II an einem Tecnai20- TEM.

Dr. Peter Stallknecht Soft Imaging System Tel. 0251/79800-0 info.de@soft-imaging.net www.soft-imaging.net

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.