Cinco Passos Práticos para o Sucesso na Difração a Laser

1. Preparo de Amostras

A preparação adequada da amostra é fundamental para obter resultados precisos em difração a laser. Tudo começa com uma amostragem representativa. Para materiais a granel não homogêneos, a segregação de massa pode dificultar esse processo. Forças externas, como transporte ou vibração, podem fazer com que partículas menores se desloquem para espaços intersticiais, acumulando-se no fundo do recipiente. Por outro lado, forças originadas durante operações de enchimento ou alimentação podem fazer com que partículas maiores se acumulem no fundo. Remisturar ou subamostrar em diferentes locais pode ajudar a solucionar esse problema. No entanto, dividir as amostras é a melhor solução para minimizar erros nas medições subsequentes de tamanho de partículas. A Figura 1 mostra a variação qualitativa de acordo com a técnica de amostragem.

A Figura 1 descreve a variação qualitativa associada a diferentes técnicas de amostragem. Os efeitos de uma amostragem inadequada têm grande impacto na análise subsequente do tamanho de partículas. A divisão da amostra com um dispositivo como o Retsch PT100 é uma prática laboratorial recomendada para obter dados repetíveis e reprodutíveis. Uma grande vantagem do SYNC é a troca simples dos módulos de medição úmida e seca, sem necessidade de ferramentas. O FLOWSYNC oferece ampla compatibilidade química e conta com uma sonda de sonicação interna opcional.

Medições Úmidas

Medições úmidas podem ser desafiadoras devido à variedade de opções de dispersantes, misturadores e procedimentos. A Microtrac publicou guias para auxiliar na seleção do líquido transportador, na dispersão e estabilização das amostras. A Figura 2 mostra um teste básico de dispersão para um pó de grafite de 5 micra. Inicialmente, pode parecer que o isopropanol seria uma escolha adequada, mas observe a aderência de aglomerados às paredes do béquer. A célula de amostra é feita de um vidro semelhante ao do béquer, portanto, podemos imaginar que essa dispersão facilmente sujaria a célula. Também é importante notar o efeito marcante de uma solução de tensoativo não iônico, que molha o grafite e cria uma dispersão estável. A sonda de sonicação opcional no caminho do fluido do FLOWSYNC ajuda a manter a estabilidade da amostra durante o experimento. Por fim, os usuários devem considerar a densidade das partículas e o tamanho esperado, já que esses fatores são usados para determinar uma taxa de fluxo eficaz para recirculação total. Por exemplo, as forças do fluido para acelerar polímeros submicrométricos são significativamente menores do que para pós metálicos maiores e mais densos.

A Figura 2 mostra três opções diferentes de preparo de amostra para um pó de grafite de 5 µm. Da esquerda para a direita: Isopropanol – Água Deionizada – Solução de Tensoativo a 2% (água deionizada). A quantidade de amostra sólida e os volumes de líquido são idênticos. A única mistura realizada foi uma leve agitação do béquer; não foi aplicada sonicação externa. A solução com tensoativo é a opção de preparo de amostra preferida, evidenciada pela dispersão estável. Observar uma gota das amostras em uma lâmina de microscópio auxilia na visualização da qualidade da dispersão. Essas estratégias têm como objetivo evitar erros comuns na análise de tamanho de partículas por via úmida.

Medições a Seco

Em alguns casos, não existe um líquido adequado, as partículas são estruturas secundárias como grânulos, ou os resultados seriam mais relevantes para os usuários se os materiais fossem medidos em estado seco. O TURBOSYNC possui diretrizes publicadas semelhantes para otimizar a metodologia. A escolha das pressões de dispersão e das quantidades de amostra é simplificada, permitindo medições bem-sucedidas tanto com pós finos e eletrostáticos quanto com pós de fácil escoamento. A Figura 3 mostra um exemplo de titulação de pressão realizada em um pó de vidro fino. Especialistas de aplicação da Microtrac trabalham junto aos usuários finais para orientar a preparação das amostras de acordo com os objetivos ou expectativas dos usuários.

A Figura 3 mostra distribuições de tamanho de partículas sob diferentes condições de dispersão para um pó de vidro fino. Medição a seco de 500 mg com dispersão a 0 psi (vermelho), 100 mg a 0 psi (verde), 100 mg a 1,5 psi (laranja) e medição úmida (azul). A semelhança entre as curvas amarela e azul indica que a pressão de 1,5 psi é o ajuste preferencial.

2. Parâmetros de Software

Os analisadores de difração a laser Microtrac produzem distribuições de tamanho de partículas com base em uma teoria de espalhamento de Mie modificada e inovadora. Informações básicas sobre as partículas a serem medidas e sobre o líquido transportador são inseridas para o cálculo da distribuição de tamanho de partículas. Esse algoritmo gera dados precisos tanto para partículas esféricas quanto irregulares, acomodando os diversos modos de interação entre a luz laser e o sólido.

A Figura 4 mostra as entradas básicas de software no DIMENSIONS LS.

Por exemplo, o arquiteto de métodos do DIMENSIONS LS é personalizável para pós metálicos esféricos de manufatura aditiva ou para ingredientes farmacêuticos ativos irregulares e transparentes. Uma lista abrangente de índices de refração de sólidos e líquidos está integrada ao software, além de opções para inserir valores personalizados, incluindo coeficientes de adsorção. O espaço de trabalho do software permite que o usuário compare diferentes modelos de forma e transparência utilizando dados já existentes. Esse recurso economiza tempo e oferece retorno para o ajuste fino dos métodos ou para análises mais complexas. O software também indica quando a intensidade do sinal é suficiente e quando a quantidade de amostra está adequada. Existem orientações fáceis de seguir para o “índice de carregamento”, que é análogo à quantidade de luz laser obscurecida pelos sólidos.

3. Interpretando Resultados de Difração a Laser

Interpretar resultados de difração a laser pode ser um desafio, especialmente para quem está começando a utilizar a técnica. As distribuições de tamanho de partículas podem ser representadas de diversas formas, tanto em gráficos quanto em tabelas, mostrando a distribuição cumulativa ou de frequência dos tamanhos de partículas. Com opções de base em número, área e volume, é importante manter todos esses fatores em contexto ao comparar dados, avaliar o controle de processos ou tirar conclusões em um projeto de pesquisa. O entendimento de conceitos estatísticos simples, como média, mediana e moda, é uma ferramenta poderosa para a interpretação. Esses conceitos estão relacionados a condições no nível das partículas, como desintegração, inchamento, sedimentação ou aglomeração. Reconhecer essas condições é o retorno prático para o usuário ao modificar a base de distribuição, ajustar a quantidade de tensoativo, optar por um módulo de entrega a seco ou aumentar a velocidade da bomba para obter resultados satisfatórios. Também é importante garantir a repetibilidade e a reprodutibilidade das medições, algo facilmente realizado com as ferramentas estatísticas do DIMENSIONS LS. A Figura 5 exemplifica como usar o software Microtrac para interpretar resultados de um pó de diamante sintético grau eletrônico (SYNC 1R2B, FLOWSYNC, IPA). Marcadores relevantes como d10, d50 e d90 são facilmente identificados, juntamente com a correlação com resultados de peneiramento.

A Figura 5 é uma captura das ferramentas de comparação de dados do DIMENSIONS LS, que facilitam a interpretação dos dados.

4. Benefícios da Incorporação da Análise de Imagem Dinâmica (DIA) com Difração a Laser

A caracterização de sistemas particulados, antes limitada apenas à medição de tamanho, está evoluindo. A Análise de Imagem Dinâmica (DIA) define o tamanho e a morfologia das partículas e fornece informações detalhadas sobre as propriedades físicas dos materiais. Essas propriedades-chave e o produto final podem mudar drasticamente sem que haja diferenças significativas relatadas na distribuição de tamanho por Difração a Laser. O SYNC realiza a análise de forma das partículas na mesma medição da difração a laser, tanto para análises úmidas quanto secas, com processamento em uma única plataforma de software. Não há necessidade de módulos, células de medição ou softwares separados, o que torna a análise laboratorial muito mais produtiva. A análise de imagem pode identificar rapidamente problemas e reduzir significativamente o tempo de troubleshooting. As partículas em fluxo, iluminadas por luz estroboscópica de alta velocidade, são fotografadas por uma câmera digital de alta resolução, criando um arquivo de vídeo com imagens das partículas em movimento. Mais de 30 parâmetros de tamanho e forma são adquiridos para cada partícula. O software DIMENSIONS LS inclui funções de filtro para buscar, exibir e avaliar partículas com propriedades específicas ou combinações de propriedades. O uso de uma técnica ortogonal secundária junto à difração a laser facilita a inspeção da limpeza da célula de amostra, detecção de bolhas ou contaminação, descoberta de partículas superdimensionadas e classificação de amostras com alto índice de aspecto.

Detecção de Partículas Superdimensionadas ou de Forma Irregular

As técnicas de Difração a Laser assumem que todas as partículas são esféricas e, na maioria das vezes, partículas fora do padrão, como superdimensionadas ou de forma irregular, não serão detectadas apenas com a difração a laser. Isso pode ocorrer devido à quantidade insuficiente dessas partículas no lote analisado. Esse fator pode impactar o desempenho do produto final, como na manufatura aditiva para a qualidade de pós metálicos. A Figura 6 mostra como a DIA do Sync pode detectar partículas superdimensionadas quando combinada com a difração a laser. Além disso, é possível utilizar apenas os dados de DIA das medições do Sync para comparar as formas de partículas de duas amostras diferentes e determinar a presença de partículas superdimensionadas, conforme ilustrado na Figura 7.

Figura 6: Os dados de difração a laser à esquerda mostram uma distribuição típica de tamanho de partículas. No entanto, o gráfico à direita evidencia a detecção de partículas superdimensionadas ao combinar a análise de imagem dinâmica com a difração a laser em uma única medição.

Figura 7: A análise de forma de pós metálicos mostra duas amostras com mediana (d50) de 34 µm e 37 µm. A análise comprova que uma das amostras é composta quase exclusivamente por partículas esféricas, enquanto a outra contém uma alta proporção de partículas com formas irregulares.

Conclusão

A difração a laser é uma técnica amplamente utilizada para medição do tamanho de partículas. O uso bem-sucedido dessa técnica exige atenção fundamental à preparação adequada da amostra, à seleção dos parâmetros do software e à interpretação dos dados. A incorporação da Análise de Imagem Dinâmica (DIA) como técnica ortogonal simultânea aprimora as capacidades analíticas. A manutenção rotineira dos equipamentos é benéfica para a precisão e repetibilidade, além de garantir maior disponibilidade do instrumento.