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穩健的粉體、劑型激光粒度儀顆粒粒徑質控評價-中

歐美克 2020-09-14 | 閱讀：2410

4 粒徑質控方法的確立

4.1樣品質控適用粒度相關參數的選擇

如上文中所提，一般大多數行業皆采用D50、D10、D90分別代表樣品的總體代表性粒徑，小顆粒代表性粒徑和大顆粒代表性粒徑，在工業品的來料，過程產品和終產品的質控中發揮著積極的作用。隨著工業原材料和工業制品質量水平的不斷提高，不少行業對顆粒產品的質量提出了更高的要求，如下圖所示，紅色曲線和黑色曲線代表的兩個電池材料粉體樣品之間僅在大顆粒處存在細微差異，由于這些差異遠小于總含量的10%，如果我們仍選用D90作為質控參數，兩個樣品的結果差異極小，顯然對于準確反應樣品極少量大顆粒的質量風險是非常不利的。此時，選用D99作為質控參數，則可以體現出明顯的隨樣品差異的數據差異，當然相對于D90來說，D99的測量誤差相對也會更大，對測試儀器性能和樣品取樣分散等處理方法的重現性水平也提出了更嚴格的要求。在一些極端的情況下，配合高性能的粒度分析儀器，可能還會選用D99.99來表征取樣中的最大顆粒。

通常情況下可以通過在標準樣品中添加少量不同粒徑級配的粉體以改善粉體的填充性能和流動性。一個典型的混合物料的粒徑分布的例子如下圖所示，如果要對混合物料的混料過程進行質控，需要準確地進行各組分配比的測量。此時，如選用D10不能準確反應質控目的，可以選用10um累計含量或1~10um區間含量作為質控指標，通過這些指標的變化了解混料的均勻性和比例變化。

除了以上的例子外，有時候在質控中還會用到峰值粒徑表征顆粒含量最豐富的粒徑段，用跨度、分布寬度等表征顆粒群體的粒徑離散程度，采用峰度、偏度、一致性等參數表征大小顆粒的分布偏移特征等等。如果關注的是顆粒的化學反應催化特性、包覆特性等，通常會把體積加權的粒徑分布轉換成表面積加權的粒徑分布，通過相關的表征參數能較好地建立應用性能相關的線性表述。在半導體摻雜等應用中，甚至需要將結果轉換成數量分布來進行質控。

綜上所述，粒徑相關的質控指標宜選用與產品質量要求關注點及質量相關性最高的參數作為質控指標。除了常規的D50、D10、D90之外，一些特殊情況宜增加能積極地反應質量變化的指標進行質控，使得儀器所測得的質量參數具有有效、可控（滿足重現性/耐用性要求）和先進行的要求。

3.1 質控數據的真實性水平評價

粉體/懸浮液/乳液顆粒粒徑分布的質控體系的確立建立在以上對質量相關參數的測量結果及測量結果的偏差，即真實性，的充分了解基礎上。在實際工作中，是通過對顆粒表征結果重復性、重現性和分辨能力等概念和參數來進行評估的。相關的概念定義如下：

重復性：同一操作者、同一臺儀器、同一份分散樣本的多次測量，不包含取樣和分散差異。

重現性：同一樣本不同等份，相同方法下類似儀器、不同操作者的多次測量一致性程度。

分辨能力：不同粒徑之間的區分能力以及對給定粒度等級中顆粒含量的微小變化的靈敏度。

在傳統的粒度儀選購中，技術人員最關注的除了測試范圍外，就是重復性。實際上，以重復性偏差的指標衡量質控結果的真實性水平是不恰當的。從上面的定義可以看到，重復性體現的是一次取樣進樣分散完成后，在十幾秒到一分鐘左右的時間內測試結果的穩定性。此參數僅能評估儀器和顆粒在相應的極短的幾次測量時間內的穩定性，且完全不考慮可能對測試造成較大影響的取樣、預分散、參數、儀器狀態、算法等帶來的測試結果偏差。舉例來說，如果儀器光學對中不良或背景噪聲過高時，在測試結果可能本身就是錯誤的情況下，其重復性往往也是非常良好的。

我們建議顆粒企業在了解樣品測量重現性水平的基礎上制定相應的質控指標。由于研發和生產中的樣品質控是對多份樣品的質量評價（不可能僅對一次取樣重復地測量），了解測量的重現性對質控有直接的指導意義。從定義看，重現性偏差代表了同樣的樣品，在多次不同的取樣或儀器下以相同方法測試其結果的一致性偏差，他是對樣品多測試的取樣、分散、儀器長時間穩定性、反演算法、參數等可能的不穩定或不確定因素產生的偏差的總和，對質控數據所含有的風險水平具有更好的指導性。通過不斷改善相關的多個不確定因素對測試結果的影響，可以不斷提高測量重現性水平。

與此同時，好的粒度質控不僅要求對同一樣品多次測試結果重現性好，對代表細微差別的樣品能否被準確靈敏地測量出來的分辨能力也有一定的要求。質控中能準確識別測試范圍各樣品整體粒徑分布，準確識別樣品各組份顆粒大小和含量，靈敏識別樣品或組份的細微差別都是良好的分辨能力具體展現。假設某樣品中可能有少量大顆粒影響產品性能，在取樣不科學或儀器靈敏度不高的情況下，測試結果均不能體現大顆粒，雖然看上去結果重現性非常優秀，但并不能解決質量風險的問題。可見好的重現性是好的分辨能力的基礎，此外亦受到測試方法、儀器和算法對質控有效性的影響。

只有結合重現性和分辨能力的考察，才能兼顧同一規格樣品的測量一致性和差異樣品的靈敏識別的需求，科技人員才能夠精準把握測試結果的真實性水平。從而依據測量的真實性水平來確立質控標準，并對潛藏的風險進一步把控，例如采用補充方法進行更完善的質控。如上述大顆粒的表征風險存在時，可以將樣品進一步篩分觀察，或優化取樣方法，或更換分辨能力更高的粒度儀進行質控。

圖4.粒度測試結果的重復性和重現性

4 粒徑質控方法的優化

通過合理的設計試驗，利用分析結果的重現性和分辨能力變化來找出質控中的薄弱環節，從而不斷優化粒度測量的條件和方法，以達到提高質控水平的目的。在上個章節的分析中，我們知道測試結果真實性水平與諸多因素有關，這些因素在最終結果上的影響互相疊加，導致從業人員往往在優化質控體系時難以找到頭緒。舉例來說，對于一些同時含有較大顆粒和較小顆粒的分布寬的且微溶于水的易碎樣品，測試結果非常不穩定，如何提高其粒度測試的真實性呢？最佳的方法是設計一系列試驗在樣品、儀器、方法和參數上進行逐一的分析，彌補或規避薄弱環節，形成最優的質控解決方案。

4.1 根據樣品特性和質控目標優化粒度質控方案

根據樣品特性選擇合適的測試方法，可以遵循以下流程逐個確認。通過了解各方法的測量結果的真實性水平，選取最優方案。

4.1.1 根據實驗室條件和樣品特性選擇合適的測試介質。理想的測試介質宜選用與顆粒親潤性好且不易導致被測顆粒溶解、膨脹、凝聚等變化的常用媒介，例如水，乙醇，礦物油，油酸甲酯，空氣等。農藥懸浮劑的粒度測試常用與懸浮劑中介質相同的介質作為粒度測試的介質，可濕性粉劑和多種原藥可能更適宜用空氣進行分散。在無法判斷顆粒屬性的時候，可以采用不同介質進行預測試，通過觀察單次取樣的重復性、多次取樣的重現性來判斷選用介質是否合適。一般來說，在介質中具有一定溶解性的顆粒在循環檢測中常表現出遮光率下降，小顆粒優先于大顆粒溶解的現象，伴隨著測試結果的波動。由于原藥成份以有機物為多，部分顆粒可能無法找到完全不溶的介質，在沒有干法測試系統的條件下，也可以對比不同介質的結果，選取溶解速度較慢且分散穩定的介質快速測試，亦可以通過在飽和介質中加樣分散測試，以提高結果的真實性水平。

4.1.2 根據顆粒在介質中的分散特性選擇相應的表面活性劑和分散解聚劑。部分顆粒由于表面疏水特性，在水中加樣時易發生漂浮或抱團的現象。對于此部分樣品可以選取少量較低濃度的表面活性劑與之潤濕后加樣，觀察加樣后循環體系穩定性選擇是否加入分散解聚劑或其他解聚手段以達到穩健測量的目的。部分易潮解結團的干法測試樣品可以選擇加配旋轉鋼珠輔助分散。

4.1.3 對于不穩定或易碎樣品，宜用盡可能溫和的分散條件，在分散穩定的狀態下進行測試。如何選定分散條件和判斷分散狀態穩定在5.3中進行講述。

4.1.4 對于與光源有強吸收、反射或雙折射特性的樣品，典型的例如一些紅色種衣劑或鈦白粉等填加劑，可以選擇具有不同波長/顏色光源的粒度儀進行匹配測試提高測試結果的真實性。

4.2 了解儀器對目標樣品的測試性能

通過模擬質控目標，對儀器的測試性能的進行考察，可以快速分析儀器質控能力。由于具體樣品可能存在不穩定的因素，所以一般采用與待分析樣品粒徑分布接近的穩定的已知樣品來考察儀器的質控性能。可根據質控要求設計相關測試驗證儀器是否具備諸如準確識別測試范圍各樣品整體粒徑分布，準確識別樣品各組份顆粒大小和含量，靈敏識別樣品或組份的細微差別等的能力。一般來說儀器的重現性只需看多次取樣測試結果的相對標準偏差即可驗證，在此我們主要介紹儀器靈敏度的評價方法。

舉例來說，為了增加顆粒的流動性或填充性，常常人為添加不同級配的顆粒組成多組份配方，顆粒是否按規定的比例混合、是否混合均勻與終產品的質量相關。有此質控需求時，我們可以配置一系列的類似粒徑的多組份混合樣品，以某一少量組份測試結果與預期數值進行線性分析，了解儀器質控能力。

圖5.左：加入不同比例大顆粒的粒徑分布，右：分析結果線性圖

如上圖所示，我們在D50在20um左右的碳化硅樣品中添加質量百分比分別為2%，9%和16%的D50在300um的碳化硅樣品，經過歐美克Topsizer激光粒度儀測試后，以混合的大顆粒百分比為橫軸，以測量的大顆粒含量為縱軸，得到的線性方程R2值為0.9997，顯示了Topsizer激光粒度儀具有準確定量多組份中少量大顆粒含量的能力。如果質控需要對低于2%的成份進行定量，可以選取更低大顆粒含量的預混樣品來進行驗證。同樣的道理，如果我們更關心混入少量小顆粒的質控，亦可如下圖所示，在標準D50在40um的碳化硅樣品中加入質量百分比分別為2%，9%和16%的D50在4um的碳化硅樣品。此時線性方程R2值為0.9983，顯示了Topsizer激光粒度儀亦具有準確定量多組份中少量小顆粒含量的能力。

圖6.左：加入不同比例小顆粒的粒徑分布，右：分析結果線性圖

另一個例子是，某劑型樣品中可能含有一定量的大顆粒/小顆粒影響產品質量，我們可以選用上述案例類似地配置樣品的方法，也可以選用某一已知含有大小顆粒的樣品進行驗證。通過科學測試方法下粒度儀測量該樣品的多個取樣，儀器是否具有相關的檢測能力就一目了然了。如下圖所示，我們選用了一個主要粒徑分布范圍外同時含有極少量大顆粒和小顆粒的石墨樣品測試，通常這對激光粒度儀的檢測能力提出了非常高的要求。結果顯示出歐美克Topsizer Plus粒度儀具有同時對含量均小于1%的大、小離群顆粒的測試分析能力，且該分析能力通過多次平行取樣測試的Dmax結果的重現性被驗證。

圖7.含少量大/小顆粒組分的粒徑分布圖和粒徑分布表

類似的，在質控時，為了驗證儀器對于產線樣品的細微差異變化能否靈敏識別，我們也可以通過在標準樣品中加入少量高規格或低規格樣品，了解儀器的分辨能力。另一個方法，也可以通過參考金標準或其他精密分析檢測結果來了解儀器的測試性能。如下圖所示，我們在2條生產線隨機選取了同規格的10份樣品，以粒度儀行業金標準馬爾文MS2000粒度儀結果作為依據，以其D50值從小到大排序對三臺不同型號儀器測試結果制圖。從圖中可以輕易看出歐美克Topsier粒度儀測試結果和趨勢基本與MS2000一致，在如編號8/5/10的部分樣品區分能力略遜于MS2000。而其他型號儀器在1/7/4和8/5/10號樣品處都出現了結果反轉，顯示出其他型號這臺儀器對這些樣品的區分能力較差。當然，樣品間的區分能力如果能滿足質控的要求，比如該例子中，如果測量結果質控許可波動在0.5um以上，選取其他型號儀器進行質控也是勉強可以的。