DLS - 콜로이드 샘플의 인라인 입도, 입자 크기 분석

Colloidal sample의 Inline particle size 분석

 

Colloidal 현탁액의 입자 크기 및 분포도 확인은 식품, 화장품, 페인트 산업용 고분자, 제약 활성 성분 및 첨가제 등 여러 산업에서 관리하는 중요한 요소 중 하나입니다. 이러한 공정에서 Particle Size를 확인할 수 있는 방법은 생산 Process 중 제품을 Sampling하여 Off-line으로 분석하는 것 입니다. 하지만 더 나은 품질을 위해서는 샘플링 분석이 아닌 Inline Monitoring System이 필요합니다.

Brownian 방식을 이용한 DLS 장비는 수 년간 표준 방식으로 자리를 잡았습니다. 이 방식의 경우 액체 분자에 의해 입자가 움직이게 되며 이 때 작은 입자가 큰 입자보다 빠르게 움직이는 확산 과정이 발생합니다. 이러한 과정에서 Size 분석을 하기 위해 Laser를 조사하게 되고, 각 입자 크기에 따른 빛의 강도 파장을 Detector에 의해 감지하게 됩니다. 이런 방식의 경우 생산 공정용 Reactor에서는 교반기 등에 의해 유체가 지속적으로 교반되고 움직이기 때문에 Inline 방식으로는 분석하기 어렵습니다.

Colloid Metrix의 IPAS(Inline Particle Analysis System)는 DLS 방식의 입도분석기인 NANO-flex®II 와 결합하여 이러한 교반 상태에서의 Inline 분석이 가능합니다.

 

1.    분석 장비

1.1  DLS Analyzer : Colloid Metrix 의 NANO-flex®II

DLS 방식의 입도분석기인 NANO-flex®II 는 Flexible type의 Laser probe를 통해 40wt% 농도까지 분석 가능합니다. 180° 후방산란광을 수집하여 결과로 도출하게 되며, 0.8nm~6,500nm 범위의 입도 분석이 가능합니다. 특히 Heterodyne 방식을 적용하여 100nm 이하의 작은 입자 및 낮은 농도에 대해 신호 대비 잡음비를 개선하고 고농도 영역에서 정확한 입자 크기를 측정할 수 있습니다.

               

             

    

                                     [그림1] Laser probe 구성과 Heterodyne 측정 원리 및 NANO-flex®II

 

1.2  Inline System _ Colloid Metrix 의 IPAS

IPAS는 NANO-flex®II 와 결합되는 모델로 Inline 전용으로 제작된 IPAS의 Head에 Flexible Laser Probe를 장착하여 분석하는 시스템입니다. Laser probe가 결합된 Head 를 Bulk Tank 등에 장착 한 후 Inline으로 분석할 수 있습니다. 

 

                    

 

                                                      [그림2] NANO-flex®II 와 IPAS 의 결합

 

2.    분석 결과

2.1  조건 별 Test : Magnetic stirrer 이용

Inline으로 사용이 가능한지 확인하기 위해, Microgel을 이용하여 교반한 상태와 교반하지 않는 상태에서 분석을 진행하였습니다. 총 4 가지의 Test를 진행하였으며, 1st : 교반하지 않은 상태에서 시료 분석, 2nd : 교반을 하고 있는 상태에서 시료 분석, 3rd : 교반을 하지 않는 상태에서 IPAS 를 이용한 분석, 4TH : 교반을 하고 있는 상태에서 IPAS 를 이용한 분석.

아래 그림3 에서 그 결과를 확인할 수 있듯이 교반이 이루어 지고 있는 2번 조건에서는 입자의 분석이 정확히 되지 않는 것을 확인할 수 있으며, IPAS 를 이용한 분석인 3번과 4번에서는 교반과 관계없이 일정한 결과가 나오는 것을 확인할 수 있습니다.

               

                    [그림3] . 조건1 : 교반 없는 상태에서 일반 분석.   조건2 : 교반 상태에서 일반 분석

                                조건3 : 교반 없는 상태에서 IPAS분석.    조건4 : 교반 상태에서 IPAS 분석.

 

2.2  Microgel 합성을 통한 Monitoring

위의 Test를 통하여 교반 상태에서 IPAS를 이용한 분석 결과가 신뢰성이 있음을 확인하였으므로, 1ℓ Reactor에서 Microgel 합성을 하며 입자 Size 변화를 모니터링하였습니다. 

 

 

                                       [그림4] . 1ℓ Reactor 에서 PVC 중합 시 Size Monitoring

 

처음 몇 분 간은 산란으로 인하여 2~3nm 정도의 Size로 분석이 되나 5분이 지난 후에 입자의 성장을 확인할 수 있으며 12분 후부터 입자의 Size 는 81nm±3nm 정도로 안정기에 도달함을 알 수 있었습니다.

 

3.    결론

이번 테스트를 통하여 별도의 Sampling이나 희석 없이도 DLS 방식을 이용하여 교반하고 있는 유체 중 입자 크기를 Inline으로 Monitoring할 수 있다는 것을 확인하게 되었습니다.

IPAS System을 이용한 Inline 분석 시 Bulk tank에 장착 된 Head 는 액체의 유동성에 영향을 받지 않는다는 것이 입증되었으며 시료를 채취하여 분석하는 Off-line 방식과 Inline 방식의 결과가 차이가 없음이 증명되었습니다. 이는 제품의 생산 공정 시 별도로 Sampling을 하는 번거로움이나 시간에 따른 손실을 줄일 수 있다는 것을 의미합니다.

생산 공정 중 입자의 크기를 실시간 모니터링하여 불량 및 예기치 못한 제품의 상태를 바로 확인하여 조치할 수 있게 됩니다.