Da die Oberfläche eines Partikels aufgrund der Anwesenheit von Elektronen ein elektromagnetisches Feld erzeugt und da Licht eine elektromagnetische Welle darstellt, entsteht bei der Wechselwirkung ein Phänomen, das als Mie-Streuung oder Beugung bezeichnet wird. Mie-Streuung bzw. die dazugehörige Mie-Theorie sind nach dem deutschen Physiker Gustav Mie (1868-1957) benannt, der Anfang des 20. Jahrhundert erstmals das Phänomen berechnete.
Bei der Mie-Streuung entwickelt sich in einiger Entfernung vom Partikel ein charakteristisches Muster, das von Partikelgröße und der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängig ist. Aus diesem Muster können Informationen gewonnen werden, die mit der Größe des Partikels zusammenhängen.
Einige Materialien transmittieren kein Licht, sondern sind opak bzw. absorbierend. In diesen Fällen kann man die Substanz wie ein Material behandeln, welches einen sehr hohen realen Brechungsindex sowie einen hohen Wert für den Imaginärteil aufweist (detailliertere Beschreibung weiter unten für transparente Partikel). Unter diesen Bedingungen kann die sogenannte Fraunhofer-Theorie zur Beschreibung und Interpretation des Beugungsmusters verwendet werden.
Licht kann auch von der Oberfläche eines Partikels reflektiert werden. Die Verwendung solcher Daten zur Partikelgrößenmessung stellt einen Sonderfall dar und wäre Gegenstand einer anderen Fragestellung.
Eine dritte Möglichkeit bei der Wechselwirkung von Licht mit einem Partikel tritt auf, wenn das Partikel für das einfallende Licht etwas transparent ist. In diesem Fall kann das Licht das Partikel ähnlich wie bei einem Diamanten durchdringen. Im Falle eines Diamanten wird es gebrochen und erzeugt das bekannte Glitzern; jedoch kann Licht, das durch ein Partikel hindurchtritt, das von diesem erzeugte Beugungs- bzw. Streulichtmuster beeinflussen. Dieser Effekt wird im Folgenden erörtert.
Mie-Streuung & Mie-Theorie in Microtrac Partikelanalysatoren
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Formulierung verschiedener Arten von Metallbearbeitungsflüssigkeiten (MWF)
MWFs sind komplexe Formulierungen, die Mineralöle (Petroleum-Emulsion) oder organische Öle sowie eine Vielzahl von Additiven und Stabilisatoren enthalten, die in bis zu 50 % Wasser emulgiert werden können. Die drei Hauptklassen von Metallbearbeitungsflüssigkeiten (MWF) sind:
- Direktöle: Auch als Schneidöle bekannt, bestehen sie entweder aus Mineralöl, tierischen, marinen oder pflanzlichen Ölen und werden ohne Wasserverdünnung formuliert.
- Lösliche Öle: 30-85 % stark raffiniertes – oder hydriertes – Erdöl, mit Emulgatoren und Wasserverdünnung.
- Semisynthetische MWFs: 5-30 % Mineralöle in einer 30-50%igen Wasserverdünnung.
Probleme mit der Stabilität von Metallbearbeitungsflüssigkeiten
Konventionell werden emulgierte Metallbearbeitungsflüssigkeiten (MWFs) durch das Mischen unterschiedlicher Zusammensetzungen hergestellt und die Auswirkungen der verschiedenen Additive einzeln bewertet. Obwohl diese Methode hilfreich ist, um den Einfluss einzelner Bestandteile auf die Funktionalität und Stabilität zu bestimmen, ist sie zeitaufwändig und kostspielig. Ebenso liefert es keine echten quantitativen Erkenntnisse über die Mehrfachfaktor-Wechselwirkungen zwischen einzelnen Bestandteilen oder Phasen im MWF unter Lagerungs- oder Anwendungsbedingungen.
Chemische und physikalische Instabilitätsprobleme in Metallbearbeitungsflüssigkeiten können die Leistung verringern und die Produktqualität nachteilig beeinflussen. Eine Vielzahl von destabilisierenden Phänomenen kann sie betreffen: Aufblühen, Koaleszenz von Öltropfen, Emulsionsbruch, Schaumbildung, Phasentrennung usw. Obwohl die Emulsionszusammensetzung und die Affinität der Komponenten die grundlegenden Faktoren der Emulsionsdestabilisierung sind, spielt die äußere Kraft ebenfalls eine entscheidende Rolle beim kolloidalen Zerfall. Die Kraft des Pumpens kann die Instabilitätsmechanismen beschleunigen, was bedeutet, dass Produkte unter realen Bedingungen schnell destabilisieren. Diese Eigenschaft steht in direktem Zusammenhang mit der Effizienz von MWFs.
Typischerweise werden Metallbearbeitungsflüssigkeiten auf chemische oder physikalische Instabilität geprüft, indem eine Probe über einen längeren Zeitraum (Tage, Wochen, Monate) auf einem Prüfstand belassen und anschließend auf physikochemische Veränderungen untersucht wird. Die Prüfung von Instabilität unter realen Einsatzbedingungen ist anspruchsvoller. In der Vergangenheit wurden Zentrifugation und allgemeines mechanisches Rühren verwendet, um mechanisch bedingte Instabilitäten wie Destabilisierung unter Pumpbedingungen vorherzusagen. Alternative Methoden zur Prüfung von Instabilität wurden entwickelt, um die Stabilität im Ruhezustand zu testen und den Anforderungen der MWF-Entwicklung und Qualitätskontrolle gerecht zu werden.
Überwindung von Stabilitätsproblemen bei Metallbearbeitungsflüssigkeiten
Die derzeit für die Qualitätsprüfung von Kühlschmierstoffen (NMR) eingesetzten Technologien basieren auf der Messung der Tröpfchengrößenverteilung, können jedoch kostenintensiv sein, liefern keine direkten Informationen zur Alterung und sind möglicherweise im Bereich der Tröpfchengrößen begrenzt. Um eine echte Messung der Stabilität zu erreichen, ist eine analytische Lösung erforderlich, die eine direkte Messung der auftretenden Phänomene ermöglicht und nicht auf mechanische Agitation angewiesen ist.
Die TURBISCAN-Technologie ist ein großer Fortschritt für die direkte Messung der Stabilität und ermöglicht es, von Testmethoden wie Salz-Titration oder ionischer Leitfähigkeit Abstand zu nehmen. Es ist der Referenz-Stabilitätsanalysator, dem weltweit vertraut wird, um die Stabilität von Emulsionen und Dispersionen bereits in den frühesten Phasen bei einem breiten Tropfengrößenspektrum zu bestimmen. Diese auf SMLS basierende Technologie überwacht im Zeitverlauf alle Instabilitätsphänomene, liefert den mittleren Tröpfchendurchmesser und globale Stabilitätsrankings mittels eines direkten Messverfahrens und hat sich bereits als nützliche Lösung für Stabilitätstests und Effizienzanalyse von Metallbearbeitungsflüssigkeiten erwiesen.
TURBISCAN Stabilitätsanalysatoren für MWF-Tests
Microtrac bietet ein umfassendes Sortiment an Stabilitätsanalysatoren TURBISCAN für die Stabilitätsanalyse von konzentrierten Dispersionen, einschließlich Öl-Wasser-Emulsionen für Kühlschmierstoffe (MWFs), an. Diese Analysatoren helfen bei der Optimierung neuer Produktformulierungen und der Bewertung der Auswirkungen von Additiven auf die physikalische Stabilität der Emulsion und bieten Formulierern somit ein kosteneffizientes F&E-Werkzeug zur Steigerung der Leistungsfähigkeit produktiver und empfindlicher Metallbearbeitungsflüssigkeiten. Das Ergebnis: sicherere und effizientere Produkte, die die Metallbearbeitungseffizienz, die Arbeitssicherheit und die Nachhaltigkeit verbessern.
Wenn Sie weitere Informationen zur Durchführung von Stabilitätstests von MWF mit Produkten des Stabilitätsanalysators TURBISCAN benötigen, wenden Sie sich einfach noch heute an ein Mitglied unseres Teams.
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Letztendlich hängt die Entscheidung, welche Methode der Partikelgrößenanalyse für Sie am besten geeignet ist von Prüfvolumen, verfügbarem Budget und Personal sowie den spezifischen internationalen Normen oder Kundenanforderungen ab, die es zu erfüllen gilt.
Gerne unterstützen wir Sie mit einer kostenlosen Beratung, um die optimale Lösung für Ihre spezifischen Anforderungen zu finden.