O que é Dispersão? Desenvolvimento de Métodos para Otimização de Dispersão Úmida – Parte 1

Desenvolvimento de Métodos para Dispersão Úmida na Medição de Tamanho de Partículas por Difração a Laser

A capacidade de obter resultados reprodutíveis a partir de uma técnica de caracterização de partículas é determinada por três fatores:

• Amostragem representativa
• Estado estável de dispersão
• Condições de medição adequadas

A importância de cada um desses fatores muda de acordo com o tamanho das partículas sendo medido. Para partículas finas, dispersantes e energia de dispersão são mais cruciais, enquanto para materiais grossos, a amostragem é mais significativa.

Figura 1 mostra os fatores de risco associados à medição de partículas finas ou grossas em dispersão úmida.

Dispersão

O método de dispersão de amostras varia de acordo com o que está sendo medido. Se a quantificação do tamanho e extensão dos aglomerados dentro de uma amostra for vital, pode ser necessário medir sob condições parcialmente dispersas. Se o tamanho da partícula primária for essencial, a amostra precisa ser completamente dispersa para quebrar os aglomerados.

A dispersão começa com a seleção de um dispersante adequado. Um dispersante para difração a laser deve atender aos seguintes critérios:

• Manter boa molhabilidade da amostra para permitir a dispersão
• Não dissolver a amostra
• Não incluir bolhas
• Ter uma viscosidade apropriada
• Permitir a passagem da luz laser
• Ter um índice de refração diferente da amostra
• Ser quimicamente compatível com o material usado no equipamento

A água é o dispersante mais amplamente utilizado. No entanto, a água pode não ser adequada para todas as amostras porque pode não molhar ou dissolver a amostra suficientemente bem.

De acordo com uma regra comum, a solubilidade da amostra no dispersante pode ser minimizada usando um dispersante de polaridade oposta. Ainda assim, as partículas precisam ser molhadas, o que pode ser mais difícil sem a ajuda de um surfactante se a diferença de polaridade for significativa.

Uma lista de dispersantes ordenada de alta a baixa polaridade é mostrada na Tabela 1.

Dispersando Pós em Líquidos

Existem três etapas básicas para dispersar pós dentro de um líquido:

• Molar a amostra
• Adicionar energia para dispersão total
• Estabilizar a dispersão

Molar a Amostra

Quando testando um novo material, é aconselhável realizar testes em um beaker com diferentes dispersantes para verificar se a amostra é bem molhada. Esses testes visuais são mais rápidos do que realizar medições de tamanho de partículas em diferentes dispersantes. Se a molhabilidade entre a partícula e o dispersante for boa, pode-se confirmar suspensão homogênea no líquido, enquanto molhabilidade ruim pode mostrar gotículas líquidas visíveis na superfície do pó ou causar aglomeração e sedimentação perceptíveis.

O grau em que um pó é molhado por um dispersante é governado pela tensão superficial entre partículas e líquido. Assim, o uso de um surfactante para reduzir a tensão superficial muitas vezes melhora a molhabilidade. Tabela 2 mostra exemplos de surfactantes estéricos e eletroestéricos que aumentam a dispersão.

Ao usar surfactantes, ajustar a concentração é crucial. Geralmente, uma ou duas gotas de solução surfactante (a alguns percentis p/v, não altamente concentrada) vão melhorar a molhabilidade. Usar muito surfactante pode criar bolhas ou gotículas, que podem ser mal interpretadas como partículas grandes.

Usando Energia para Dispersar a Amostra

Após encontrar um dispersante adequado para molhar a amostra, é necessário avaliar o estado de dispersão da amostra com o equipamento. Este procedimento, denominado titulação de dispersão, geralmente abrange três estágios:

1. Uma série de medições repetidas para avaliar o efeito da titulação da amostra
2. Uma série de medições para avaliar o efeito do ultrassom na amostra
3. Uma série de medições repetidas para avaliar a estabilidade das medições após o ultrassom

Figura 2 mostra um exemplo de titulação de dispersão em água. O estágio 1 mostra dispersão gradual de acordo com a velocidade do agitador, o estágio 2 ilustra dispersão acelerada quando o ultrassom é usado, e o estágio 3 demonstra tamanho de partícula estável após o ultrassom ser desligado.

A titulação de dispersão exibe a evolução na distribuição de tamanho à medida que aglomerados se dispersam, conforme ilustrado na Figura 3. À medida que a amostra se dispersa, a obstrução (relacionada à concentração de partículas no sistema) aumenta porque cada aglomerado se decompõe em várias partículas primárias conforme mostrado na Figura 4.

Para medições em solventes orgânicos, o ultrassom deve ser aplicado de forma incremental, por exemplo, aplicando-o por um minuto antes das medições, depois permitindo algum tempo para a temperatura do dispersante estabilizar.

Do contrário, gradientes de temperatura no dispersante podem causar picos errôneos em tamanhos de partículas grandes. Este processo deve ser repetido até que não haja mais aumento de tamanho devido ao ultrassom.

A titulação de dispersão permite a medição da potência ultrassônica e do tempo necessário para dispersar uma amostra até seu tamanho de partícula primário. Se a titulação de dispersão geral for uniforme e não houver mais redução no tamanho de partícula observada durante a ultrassonificação, pode ser que a amostra já esteja totalmente dispersa sem o uso de ultrassom.

Por outro lado, se uma redução persistente no tamanho de partícula for observada, de modo que o tamanho de partícula estável sem ultrassom não seja alcançado, as partículas primárias podem estar se decompondo devido à ultrassonificação.

Se possível, verifique o estado da amostra dispersa extraindo-a do dispensador e examinando-a por um microscópio ou equipamento de análise de imagem estática automática. As observações antes e depois da ultrassonificação podem revelar se os aglomerados estão dispersos ou se as partículas mudaram de forma devido à quebra.

Estabilizando a Dispersão

Na terceira etapa, o tamanho das partículas deve permanecer estável. A expectativa de repetibilidade nas medições de difração a laser é abordada na seção sobre precisão de medição. Se o tamanho das partículas começar a aumentar devido à re-aglomeração, aditivos podem ser necessários para estabilizar a dispersão.

Aditivos como hexametafosfato de sódio, citrato de amônio e pirofosfato de sódio podem ajudar a estabilizar a suspensão adicionando carga às superfícies das partículas. Tipicamente, aditivos são usados em concentrações abaixo de 1% p/v.

Dispersão de Emulsões

Dois fatores principais frequentemente auxiliam na dispersão de emulsões.

Primeiro, o dispersante ideal inclui o mesmo surfactante e estabilizador usado na dispersão da amostra.

Segundo, pode ser necessário pré-dispersão para garantir dispersão estável, já que adicionar amostras diretamente a um tanque pode causar coagulação devido ao choque de dissolução.

O ultrassom deve ser evitado em emulsões pois poderia aumentar a emulsificação e reduzir a representatividade dos resultados das amostras.

Além disso, controlar a velocidade do agitador no dispositivo de dispersão é crucial, pois velocidade de agitação excessiva poderia quebrar gotículas. O efeito da velocidade do agitador é tratado na seção de condição de medição.

Amostragem

Para todas as técnicas de caracterização de partículas, é essencial que a amostra introduzida no instrumento seja representativa do material em massa. Para materiais grosseiros ou amostras com uma ampla distribuição de tamanho de partículas, a amostragem pode ser a maior fonte de erro de medição.

Para obter resultados representativos, um número suficiente de partículas deve ser medido. Por exemplo, mais de 400 partículas devem ser medidas para determinar o Dv90 com um erro padrão inferior a 5%.

Para um material com Dv90 de 500 µm, aproximadamente 0,5 g de amostra é necessário para alcançar esse nível de precisão. À medida que o tamanho das partículas aumenta, uma massa de amostra maior é necessária para garantir que um número suficiente de partículas esteja incluído na medição. Consequentemente, a massa mínima da amostra necessária para obter resultados reprodutíveis também aumenta.

Figura 5 mostra a massa mínima da amostra necessária para alcançar um erro padrão de 5% em função do tamanho das partículas. Medir múltiplas subamostras e avaliar a variabilidade dos resultados pode ajudar a determinar se a massa da amostra e o procedimento de amostragem são adequados para fornecer medições representativas.

Leia a seguir: O que é Dispersão? Desenvolvimento de Métodos para Otimização de Dispersão Úmida – Parte 2