O que é Dispersão? Desenvolvendo Métodos para Otimização de Dispersão Úmida – Parte 2

Condições de Medição

Obter resultados robustos e reprodutíveis a partir de medições de difração a laser requer o uso de condições de medição adequadas. Parâmetros-chave incluem:

• Faixa de obscurecimento
• Tempo de medição
• Velocidade do agitador

Quantidade de Amostra

Para garantir que a concentração da amostra é adequada para medições de difração a laser, deve-se adicionar amostra suficiente para alcançar uma relação sinal-ruído adequada e fornecer uma amostra representativa do material a granel. No entanto, o carregamento excessivo de amostras deve ser evitado, pois pode levar a erros de medição causados por espalhamento múltiplo.

Nos sistemas de difração a laser, a concentração da amostra é medida por um parâmetro conhecido como obscurecimento, que representa a porcentagem de luz laser perdida ao passar através da amostra. Todo sistema de medição possui algum grau de ruído. No sistema Mastersizer, esse ruído pode ser observado como flutuações aleatórias nos dados após o sinal de fundo ter sido removido durante a etapa de adição de amostra (Figura 6).

Para obter dados de espalhamento estáveis acima do nível de ruído, deve-se adicionar amostra suficiente. No entanto, é necessário apenas espalhamento suficiente para exceder o limiar de ruído. Por exemplo, a Figura 7 mostra dados de espalhamento de uma amostra de 300 nm que entrega resultados estáveis e reprodutíveis a 3% de obscurecimento.

Para partículas finas, o limite inferior de obscurecimento é, portanto, determinado pelo nível de ruído do sistema. Para partículas grossas, o limite inferior é governado por considerações de amostragem em vez da relação sinal-ruído. Se medições múltiplas de materiais grossos mostrarem alta variabilidade, aumentar a massa da amostra e o nível de obscurecimento pode melhorar a repetibilidade.

O limite superior de obscurecimento nas medições de difração a laser é determinado por um efeito conhecido como espalhamento múltiplo.

As teorias usadas para interpretar dados de difração a laser assumem que a luz que chega ao detector foi dispersa por apenas uma partícula. Se a concentração de partículas se tornar muito alta, a luz pode ser dispersa por múltiplas partículas antes de atingir o detector.

O espalhamento múltiplo faz com que a luz seja detectada em ângulos de dispersão mais altos. Como o espalhamento em ângulo alto está associado a partículas menores, o espalhamento múltiplo resulta em subestimação dos tamanhos das partículas.

A Figura 9 mostra distribuições de tamanho de partícula medidas a partir da mesma amostra em valores de obscurecimento entre 5% e 18%. Em 5% e 7% de obscurecimento, as distribuições medidas são muito semelhantes, indicando que o espalhamento múltiplo não está ocorrendo. Acima de 9% de obscurecimento, a forma da distribuição muda e uma proporção crescente de partículas finas aparece. Isso indica que as medições acima de 9% de obscurecimento são afetadas pelo espalhamento múltiplo e que 9% representa o limite superior apropriado de obscurecimento para esta amostra.

A quantidade pela qual as medições são afetadas pela amostragem ou espalhamento múltiplo depende do tamanho das partículas. Medições de partículas finas são geralmente mais suscetíveis ao espalhamento múltiplo, enquanto medições de partículas grossas são mais fortemente influenciadas pelos efeitos da amostragem.

Tempo de Medição

Para medições de difração a laser úmidas, a duração da medição deve ser longa o suficiente para garantir que uma amostra representativa de partículas circule através da célula de medição.

O tempo de medição necessário depende do tamanho das partículas e da polidispersidade da amostra. Apenas amostras monodispersas finas requerem tempos de medição curtos. Materiais grossos ou amostras com distribuições de tamanho de partículas amplas geralmente requerem medições mais longas.

Se medições repetidas de amostras grossas ou altamente polidispersas mostrarem variabilidade significativa, aumentar o tempo de medição pode melhorar a repetibilidade.

A Figura 10 mostra a distribuição de tamanhos de partícula de uma amostra contendo partículas que variam de 1 μm a 700 μm. Medições repetidas foram realizadas usando tempos de medição variando de 1 a 20 segundos.

A Figura 11 demonstra a redução no desvio padrão relativo observado em cinco medições repetidas à medida que o tempo de medição aumenta. A variabilidade permanece dentro dos limites aceitáveis definidos pelo padrão ISO para tempos de medição superiores a 10 segundos.

Velocidade do Agitador

O agitador em uma unidade de dispersão úmida deve manter uma dispersão homogênea e garantir que a amostra que passa através da célula de medição seja representativa do material a granel.

Para materiais grandes ou de alta densidade, uma titulação de velocidade do agitador deve ser realizada para confirmar que todas as partículas permanecem suspensas durante a medição.

Para amostras de emulsões, a otimização da velocidade do agitador pode ajudar a identificar o ponto em que as gotículas começam a se romper devido à agitação excessiva.

A Figura 12 mostra os resultados de uma titulação de velocidade de agitador realizada em uma amostra de pó de cobre. À medida que a velocidade do agitador aumenta, partículas maiores permanecem suspensas na dispersão, resultando em um aumento no tamanho de partícula medido.

Para esta amostra, velocidades de agitador acima de 2500 rpm são recomendadas porque o tamanho de partícula medido permanece estável dentro desta região operacional.

Conclusão

A capacidade de obter resultados reprodutíveis a partir de medições de difração a laser úmidas é determinada por três fatores-chave:

1. Obtenção de uma amostragem representativa do material a granel
2. Alcançar um estado estável de dispersão
3. Estabelecer condições adequadas de medição

Este artigo descreveu uma série de testes práticos que podem ser usados para avaliar como esses fatores influenciam a qualidade das medições.

A execução desses testes melhora a compreensão do material sendo medido e pode melhorar significativamente a reprodutibilidade dos resultados de tamanho de partícula.

Desenvolver um método de medição robusto também ajuda a garantir que os resultados permaneçam insensíveis a pequenas variações nas condições operacionais ao longo da vida útil do instrumento e do método analítico, proporcionando confiança de que o método pode ser mantido e utilizado de forma confiável no futuro.

Referências

[1] ISO 13320 (2009). Análise de Tamanho de Partícula — Métodos de Difração a Laser — Parte 1: Princípios Gerais.

Leitura Adicional

Este artigo explorou como as condições de medição, como obscurecimento, duração da medição e velocidade do agitador, afetam a qualidade e reprodutibilidade das medições de tamanho de partículas.

Para começar com os fundamentos do desenvolvimento de métodos de dispersão úmida, leia Parte 1: O que é Dispersão? Desenvolvendo Métodos para Otimização de Dispersão Úmida – Parte 1.