¿Qué es la Dispersión? Desarrollo de Métodos para la Optimización de la Dispersión en Húmedo – Parte 1

Desarrollo del Método para la Dispersión en Húmedo en la Medición del Tamaño de Partículas por Difracción Láser

La capacidad de obtener resultados reproducibles de una técnica de caracterización de partículas está determinada por tres factores:

• Muestreo representativo
• Estado estable de dispersión
• Condiciones de medición adecuadas

La importancia de cada uno de estos factores varía según el tamaño de las partículas que se miden. Para partículas finas, los dispersantes y la energía de dispersión son más cruciales, mientras que para materiales gruesos, el muestreo es más significativo.

La Figura 1 muestra los factores de riesgo asociados con la medición de partículas finas o gruesas en dispersión en húmedo.

Dispersión

El método de dispersión de muestras varía según lo que se mide. Si es vital cuantificar el tamaño y la extensión de los aglomerados dentro de una muestra, puede ser necesario medir bajo condiciones parcialmente dispersas. Si el tamaño de la partícula primaria es esencial, la muestra debe estar completamente dispersa para romper los aglomerados.

La dispersión comienza con la selección de un dispersante adecuado. Un dispersante para difracción láser debe cumplir con los siguientes criterios: 

• Mantiene buen mojado de la muestra para habilitar la dispersión
• No disuelve la muestra
• No incluye burbujas
• Tiene una viscosidad apropiada
• Permite el paso de la luz láser
• Tiene un índice de refracción diferente al de la muestra
• Es químicamente compatible con el material usado en el equipo

El agua es el dispersante más utilizado. Sin embargo, el agua puede no ser adecuada para todas las muestras porque puede no mojar o disolver suficientemente la muestra.

Según una regla común, la solubilidad de la muestra en el dispersante puede minimizarse usando un dispersante de polaridad opuesta. Sin embargo, las partículas necesitan ser mojadas, lo que puede ser más difícil sin la ayuda de un surfactante si la diferencia de polaridad es significativa.

Una lista de dispersantes ordenados de alta a baja polaridad se muestra en la Tabla 1. 

Dispersión de Polvos en Líquidos

Hay tres etapas básicas en la dispersión de polvos dentro de un líquido:

• Mojar la muestra
• Agregar energía para una dispersión completa
• Estabilizar la dispersión

Mojar la Muestra

Al probar un nuevo material, es aconsejable realizar pruebas en vaso con diferentes dispersantes para verificar si la muestra está bien mojada. Estas pruebas visuales son más rápidas que realizar mediciones de tamaño de partícula a través de diferentes dispersantes. Si el mojado entre la partícula y el dispersante es bueno, se puede confirmar una suspensión homogénea en el líquido, mientras que un mal mojado puede mostrar gotas líquidas visibles en la superficie del polvo o causar aglomeración y sedimentación notables.

El grado al que un polvo es mojado por un dispersante está determinado por la tensión superficial entre las partículas y el líquido. Por lo tanto, el uso de un surfactante para reducir la tensión superficial a menudo mejora el mojado. La Tabla 2 muestra ejemplos de surfactantes estéricos y electrostéricos que mejoran la dispersión.

Al usar surfactantes, ajustar la concentración es crucial. Generalmente, una o dos gotas de solución de surfactante (a unos pocos por ciento p/v, no altamente concentrado) mejorarán el mojado. Usar demasiado surfactante puede crear burbujas o gotas, que pueden interpretarse erróneamente como partículas grandes.

Uso de Energía para Dispersar la Muestra

Después de encontrar un dispersante adecuado para mojar la muestra, se requiere evaluar el estado de dispersión de la muestra con el equipo. Este procedimiento, denominado titulación de dispersión, típicamente abarca tres etapas:

1. Una serie de mediciones repetidas para evaluar el efecto de la titulación de la muestra
2. Una serie de mediciones para evaluar el efecto de los ultrasonidos en la muestra
3. Una serie de mediciones repetidas para evaluar la estabilidad de las mediciones después de los ultrasonidos

La Figura 2 muestra un ejemplo de titulación de dispersión en agua. La etapa 1 muestra la dispersión gradual según la velocidad del agitador, la etapa 2 ilustra la dispersión acelerada cuando se usa ultrasonido, y la etapa 3 muestra el tamaño de partícula estable después de apagar el ultrasonido.

La titulación de dispersión muestra la evolución en la distribución del tamaño a medida que los aglomerados se dispersan, como se ilustra en la Figura 3. A medida que la muestra se dispersa, la obscuración (relacionada con la concentración de partículas en el sistema) aumenta porque cada aglomerado se descompone en varias partículas primarias como se muestra en la Figura 4. 

Para mediciones en disolventes orgánicos, el ultrasonido debe aplicarse de manera incremental, por ejemplo, aplicándolo durante un minuto antes de las mediciones y luego permitiendo que el tiempo para estabilizar la temperatura del dispersante.  

De lo contrario, los gradientes de temperatura en el dispersante podrían causar picos erróneos en tamaños de partículas grandes. Este proceso debe repetirse hasta que no se observe un mayor aumento de tamaño debido a ultrasonidos.

La titulación de dispersión permite medir la potencia y el tiempo ultrasónicos requeridos para dispersar una muestra hasta su tamaño de partícula primario. Si la titulación de dispersión en general es uniforme y no se observa una mayor reducción del tamaño de partícula durante la ultrasonificación, puede ser que la muestra ya esté completamente dispersa sin el uso de ultrasonidos.

Por el contrario, si se observa una disminución persistente en el tamaño de partícula, de modo que no se alcanza un tamaño de partícula estable sin ultrasonidos, las partículas primarias pueden estar descomponiéndose debido a la ultrasonificación. 

Si es posible, verifique el estado de la muestra dispersa extrayéndola del dispensador y examinándola con un microscopio o equipo de análisis de imagen estática automática. Las observaciones antes y después de la ultrasonificación pueden revelar si los aglomerados están dispersos o si las partículas cambiaron de forma debido a roturas.

Estabilización de la Dispersión

En la tercera etapa, el tamaño de partícula debe permanecer estable. La expectativa de repetibilidad en las mediciones de difracción láser se aborda en la sección de precisión de medición. Si el tamaño de partícula comienza a aumentar debido a la re-aglomeración, pueden ser necesarios aditivos para estabilizar la dispersión.

Los aditivos como hexametafosfato de sodio, citrato de amonio, y pirofosfato de sodio pueden ayudar a estabilizar la suspensión agregando carga a las superficies de las partículas. Normalmente, los aditivos se utilizan en concentraciones inferiores al 1% p/v.

Dispersión de Emulsiones

Dos factores clave a menudo ayudan en la dispersión de emulsiones. 

Primero, el dispersante ideal incluye el mismo surfactante y estabilizador utilizado en la dispersión de muestras. 

En segundo lugar, podría ser necesaria una pre-dispersión para asegurar una dispersión estable, ya que agregar muestras directamente a un tanque podría causar coagulación debido al choque de disolución. 

Se debe evitar el uso de ultrasonidos en emulsiones, ya que podría aumentar la emulsificación y reducir la representatividad de los resultados de muestra. 

Además, controlar la velocidad del agitador en el dispositivo dispersante es crucial ya que una velocidad de agitación excesiva podría romper gotas. El efecto de la velocidad del agitador se cubre en la sección de condiciones de medición.

Muestreo

Para todas las técnicas de caracterización de partículas, es esencial que la muestra introducida en el instrumento sea representativa del material a granel. Para materiales gruesos o muestras con una amplia distribución de tamaño de partícula, el muestreo puede ser la mayor fuente de error de medición.

Para obtener resultados representativos, debe medirse un número suficiente de partículas. Por ejemplo, se deben medir más de 400 partículas para determinar el Dv90 con un error estándar de menos del 5%.

Para un material con un Dv90 de 500 µm, se requiere aproximadamente 0.5 g de muestra para alcanzar este nivel de precisión. A medida que aumenta el tamaño de partícula, se necesita una mayor masa de muestra para asegurar que una cantidad suficiente de partículas se incluya en la medición. Por consiguiente, la masa mínima de muestra requerida para obtener resultados reproducibles también aumenta.

La Figura 5 muestra la masa mínima de muestra requerida para lograr un error estándar del 5% en función del tamaño de partícula. Medir múltiples submuestras y evaluar la variabilidad de los resultados puede ayudar a determinar si la masa de la muestra y el procedimiento de muestreo son adecuados para proporcionar mediciones representativas.

Lee a continuación: ¿Qué es la Dispersión? Desarrollo de Métodos para la Optimización de la Dispersión en Húmedo – Parte 2