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粒子形状 - 粒子特性評価のベーシックガイド3-3

2018/08/13 Posted by

当ブログの資料ダウンロードランキング上位に入る人気ホワイトペーパー「粒子特性評価のベーシックガイド(全9回)」の3回目(3)です。

本記事では、粒子径に加えて粒子形状の測定が必要な分野例や、粒子形状の定義方法・測定法・パラメータ等をご紹介します。

粒子形状の測定が必要な分野例

粒径と同様に、構成粒子の形状も粒子材料の性能や処理に重要な影響を及ぼすことがあります。多くの産業では製品およびプロセスの理解を深めるため、粒径に加えて粒子形状の測定も行っています。

粒子形状が重要な影響を及ぼす分野例には以下のものが考えられます。

  •  反応性と溶解性(例:活性薬物)
  • 粉体の流れと取り扱い(例:ドラッグデリバリーシステム)
  • セラミック焼結特性(例:セラミックフィルタ) 
  • 研磨効率(例:炭化ケイ素(SiC・ワイヤーソー)) 
  • 質感と手触り(例:食品成分)

粒子形状は粒子材料の分散状態を把握する際にも利用されます。これは特に凝集体または1 次粒子が存在する場合に使用されます。 

粒子形状の定義方法 

粒子は複雑な3 次元の物体であるため、粒径測定と同じように粒子の記述をある程度単純化して測定およびデータ解析を行えるようにする必要があります。

粒子形状の測定は画像解析法を使用した測定が最も一般的です。この場合、収集されるデータは粒子プロファイルの2 次元の投影図になります。粒子形状のパラメータは、単純な幾何計算を用いてこの2 次元の投影図から求めることができます。

形状分析のための粒子画像の2 次元バイナリ(二値化)投影図への変換

粒子形状のパラメータ

粒子の全体的な形状は、アスペクト比のような比較的単純なパラメータを使用して特性評価を行うことができます。例として下記の粒子の画像を使用する場合、アスペクト比は単純に以下のように定義することができます。

  • アスペクト比 = 幅 / 長さ

針状粒子画像における長さと幅

アスペクト比は球体や正方形のような規則的な左右対称の粒子を、針状または卵形の粒子のような、1 つの軸上に異なる寸法を持つ粒子と区別するために使用されます。粒子形状の特性評価に使用できるその他の形状パラメータには伸長率や円形度などがあります。

粒子の輪郭

粒子の輪郭は、凝集した粒子の検出に加えて、表面粗さなどの特性についての情報を提供します。粒子輪郭パラメータを計算するには、包絡周囲長と呼ばれる概念を使用します。簡単に言えば、包絡周囲長は下記の画像に示すように、粒子の輪郭の周囲に巻き付けた仮想の輪ゴムから計算します。

2 つの異なる形状の粒子に対する凸包

包絡周囲長を求めたら、それに基づいて包絡度や鋭度などのパラメータを定義することができます。これらのパラメータは以下のように計算されます。

  • 包絡度 = 包絡周囲長 / 実際の周囲長 
  • Solidity(面積包絡度)= 実際の周囲長を巻き付けた面積 / 包絡周囲長を巻き付けた面積

非常に滑らかな輪郭の粒子は包絡度 / 面積包絡度の値が1 に近く、一方、粗い輪郭の粒子または凝集した1 次粒子は包絡度 / 面積包絡度の値がそれよりも低くなります。

形状パラメータ

形状パラメータには粒子の形状および輪郭の両方の変化を把握できるものがあります。これらを監視すれば、形状と輪郭の両方が測定対象の材料の挙動に影響を及ぼすような場合に役に立ちます。最も一般的に使用されるパラメータは円形度で、これは以下のように計算されます。

  • 円形度 = 周囲長 / 等しい面積の円の周囲長
    これは以下のように定義されることがあります。
    (円相当径 / 等しい周囲長の円相当径)2
    これは上記の定義との混同を防ぐため、面積円形度とも呼ばれます。

円形度は粒子がどの程度完全な球体に近いかを測定するために使用されることが多いため、摩滅性の粒子の摩耗などの特性を監視するときに適用できます。しかし、表面粗さの変化、または物理的形状の変化の一方、あるいはその両方が、正しい値からのずれを生じる可能性があるため、データを解釈する際に は、注意する必要があります。

円形度は一部の用途において非常に役に立ちますが、すべての状況に適しているわけではありません。今日まですべての状況に適用できる普遍的な形状パラメータは定義されていません。現実には、それぞれの特定の用途に対して最も適切なパラメータを決める際に注意深く検討する必要があります。

続きは:粒子特性評価のベーシックガイド

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