Análisis de distribución granulométrica

La distribución granulométrica de un material determinado es un parámetro de análisis importante en los procesos de control de calidad y en las aplicaciones destinadas a investigación, porque hay muchas otras propiedades del producto directamente relacionadas con esa distribución. La distribución granulométrica influye en las propiedades del material como el comportamiento de flujo y la conducción (en materiales a granel), la reactividad, la abrasión, la solubilidad, el comportamiento de extracción y reacción, el sabor, la compactabilidad y otras tantas.

El análisis de distribución granulométrica es un procedimiento consolidado en muchos laboratorios. Según el material de la muestra y el alcance del análisis, se utilizan varios métodos para esta finalidad. Estos incluyen la difracción láser (LD), la dispersión dinámica de luz (DLS), el análisis dinámico de imágenes (DIA) o el análisis por tamizado. En general, se analizan suspensiones, emulsiones y materiales a granel, y en casos excepcionales también aerosoles (esprays).

Al conocer perfectamente los puntos fuertes y débiles de cada método, Microtrac ofrece una gama inigualable de productos basados en tecnologías para el análisis de distribución granulométrica. Nuestros expertos estarán encantados de ayudarle a encontrar la solución adecuada para su aplicación.

Métodos para determinar la distribución granulométrica

La mayoría de las muestras son lo que se denomina sistemas polidispersos: significa que las partículas no son del mismo tamaño, sino de tamaños diferentes. Una distribución granulométrica indica el porcentaje de partículas de un tamaño determinado (o en un intervalo de tamaño determinado). Estos intervalos también se denominan clases de tamaño o fracciones.

A continuación se da un ejemplo sencillo. Aquí se ha dividido por tamaño una mezcla de bolas de molienda: 5 mm, 10 mm, 15 mm y 40 mm.

Ahora, la cuantificación puede hacerse de varias formas:

1. Pesaje: cada fracción contiene 190 g de la muestra o el 25 % de la cantidad o del peso total. Estos valores también corresponden a la fracción del volumen total, ya que la masa y el volumen se pueden tratar de manera equivalente, siempre que la densidad no cambie con el tamaño de partículas.
2. Recuento: en total, la muestra consta de 573 objetos distribuidos en cuatro fracciones. Como solo hay una esfera de 40 mm, ahora esto solo representa el 0,2 % del número total, en lugar del 25 % como en la distribución basada en la masa. Por otra parte, las 490 esferas de 5 mm de diámetro tienen una proporción del 85,5 %.

De este modo, según del tipo de evaluación (número o masa/volumen), se obtiene una distribución granulométrica muy diferente para la misma muestra.

Algunos analizadores granulométricos ofrecen distribuciones basadas en números (análisis dinámico de imágenes), otros basados en masas (análisis por tamizado) o distribuciones granulométricas por volumen (difracción láser). Con un modelo adecuado, las distribuciones pueden convertirse entre sí. Un caso especial es el de la dispersión dinámica de luz, en el que muy a menudo se presentan distribuciones granulométricas basadas en la intensidad. Esto significa que los diferentes tamaños se representan según su contribución a la intensidad de la dispersión general. Y así, esto deriva en una marcada representación de partículas grandes, ya que la intensidad de dispersión disminuye con el tamaño en un factor de 106.

Parámetros generados a partir de un análisis de distribución granulométrica

Muchos parámetros estadísticos pueden derivarse de una distribución granulométrica. La distribución acumulativa es especialmente adecuada para este propósito. Entre los parámetros más importantes se encuentran, sin duda, los percentiles. Estos indican en cada caso el tamaño x por debajo del cual se encuentra una determinada cantidad de la muestra. Los percentiles responden, por ejemplo, a las preguntas "¿Por debajo de qué tamaño se sitúan el 10 % de las partículas más pequeñas?" o "¿Por encima de qué tamaño se sitúan el 5 % de las partículas más grandes?". Los percentiles pueden leerse directamente a partir de la curva Q o 1-Q.

Los percentiles se indican con la letra d, seguida del valor en %. Por lo tanto, d10 = 83 µm, d50 = 330 µm y d90 = 1600 µm significa que el 10 % de la muestra es inferior a 83 µm, que el 50 % es inferior a 330 µm y que el 90 % es inferior a 1600 µm. Las notaciones alternativas son x10/50/90 o D 0,1/0,5/0,9. El valor d50 también se denomina "mediana", y divide la distribución granulométrica en cantidades iguales de partículas «más pequeñas» y «más grandes». En general, en una distribución granulométrica se habla de valores d10, d50 y d90.

Esto facilita la caracterización del punto medio o central de la distribución, así como los extremos superior e inferior con tres valores. Esta especificación no siempre es útil, pero suele ofrecer una buena visión de conjunto. Se puede definir cualquier número de valores del percentil; p. ej. d16, d84, d95, d99, etc. Sin embargo, también se debe prestar atención a si la sensibilidad del método de medición es suficiente para detectar de manera fiable los percentiles cercanos al 0 % o al 100 %. Un valor d100 no está claramente definido y, por tanto, no tiene sentido. Si el 100 % de las partículas son <2 mm, este dato es aplicable a todos los valores x superiores, que también son valores d100.

En esta figura se muestra cómo pueden leerse los percentiles directamente en la curva acumulativa.

Los percentiles como d10, d50, d90 se obtienen directamente a partir de la curva acumulativa

Los valores medios (o el tamaño medio de partículas) también se pueden calcular a partir de los valores de la tabla. Esto se hace multiplicando la cantidad de cada clase de medición por la clase de medición de tamaño medio, y sumando los valores individuales. Existen varios métodos para calcular la media, algunos de los cuales se describen en la norma ISO 9276-2. Para caracterizar la amplitud de la distribución se puede utilizar la desviación estándar en torno al valor medio o al valor de amplitud. Esto se calcula como (d90 - d10)/d50. Cuanto más amplia sea la distribución, mayor será la desviación estándar y el rango.

El valor x en el que la distribución de la densidad alcanza un máximo (o la clase de medición ocupada con mayor frecuencia) se denomina tamaño de la moda. Las distribuciones granulométricas con varios valores máximos en la distribución de la densidad se denominan multimodales (o bimodales, trimodales, etc.).

Un problema especial en el análisis de distribuciones granulométricas es la determinación de partículas de gran tamaño y de tamaño reducido. Se trata de pequeñas porciones de partículas que son significativamente más grandes o más pequeñas que el grueso de la muestra. En la curva acumulativa, la presencia de partículas de gran tamaño o de tamaño reducido se manifiesta por un paso, en la distribución de la densidad mediante un segundo pico pequeño (segundo máximo) al margen de la distribución real. Este gran tamaño o tamaño reducido se caracteriza mejor por los valores Q o 1-Q en un tamaño x adecuado.

En el siguiente ejemplo se muestra una distribución granulométrica con un 5 % de partículas de gran tamaño. Aquí, el 95 % de las partículas son inferiores a 1 mm, el tamaño de las partículas grandes es de 1 a 1,25 mm. Esto se puede cuantificar con Q3 (1 mm) = 95 % o con 1-Q3 (1 mm) = 5 %. Este ejemplo también muestra que la incorporación de partículas muy grandes aumenta el tamaño medio de las partículas, mientras que la mediana permanece invariable. De manera alternativa, la presencia de partículas de gran tamaño también se puede describir con el aumento del valor d95.

La distribución granulométrica de un material monomodal (en rojo) se muestra como curva Q3 y q3. Si se añade un 5 % de partículas de 1 a 1,25 mm, entonces se obtiene una distribución bimodal. Los percentiles del 10 % y del 50 % permanecen invariables, mientras que la media y la desviación estándar aumentan. Un tamaño grande se caracteriza mejor por valores d95 o Q3 a 1 mm.