Introdução à Sorção Dinâmica de Vapor: O que é, por que e como?

Introdução à Sorção Dinâmica de Vapor: O que é, por que e como?

A água está em toda parte. Quem estuda o mundo físico ou fabrica materiais nesse contexto acabará por ter de reconhecer o impacto da umidade nas substâncias com as quais trabalha.

Mais especificamente, a água — tanto presente no material quanto ao seu redor — é um fator crucial para determinar como e onde um produto ou material pode ser utilizado, quando ele se degradará, quais tratamentos ou revestimentos (se houver) são necessários, ou se ele precisa ser totalmente reformulado.

A umidade não pode ser ignorada com segurança – então, como medir e levar em conta seu impacto?

Por meio da análise de sorção de vapor.

O que é a sorção dinâmica de vapor (DVS)?

O objetivo da análise de sorção de vapor é determinar a quantidade de solvente — geralmente água — que é adsorvida ou dessorvida por um material e a rapidez com que isso ocorre.

Para descobrir isso, uma amostra do material é colocada em um ambiente onde a quantidade de vapor de solvente (umidade) pode ser controlada e ajustada. As variações no peso da amostra são então medidas e utilizadas para calcular a quantidade de vapor que ela adsorve ou dessorve.

A Sorção Dinâmica de Vapor (DVS) é um método popular para analisar a sorção de vapor. Até algumas décadas atrás, o principal método de análise da sorção de vapor era um processo lento e manual que envolvia dessecadores. Em 1991, Daryl Williams desenvolveu a DVS para reduzir a enorme quantidade de tempo e trabalho manual necessários para obter dados significativos.

Como funciona a sorção dinâmica de vapor

Existem vários tipos de dispositivos DVS, mas a maioria tem um mecanismo de ação semelhante.

Um dispositivo típico de sorção dinâmica de vapor mantém uma amostra em uma câmara com temperatura controlada. Em seguida, utiliza ar umidificado ou dessecado para ajustar a câmara a um nível de umidade relativa definido. Quando a amostra atinge o equilíbrio (determinado pelo peso) com o nível de umidade relativa da câmara, sua variação de massa é registrada. O dispositivo então repete o processo com níveis de umidade relativa mais altos ou mais baixos e registra novas variações. Após a coleta dos pontos de dados necessários, alguns dispositivos DVS os utilizam para gerar uma isoterma.

Depois que a amostra é preparada e inserida, os dispositivos de sorção dinâmica de vapor realizam a análise de sorção de vapor automaticamente. Para registrar os mesmos dados antes da tecnologia DVS, eram necessárias várias câmaras de dessecação, uma sala com temperatura rigorosamente controlada e várias semanas ou meses para alternar as amostras entre as diferentes câmaras e registrar os resultados

Quando e por que se utiliza a sorção dinâmica de vapor

Os mercados competitivos e as regulamentações mais rigorosas têm levado empresas de setores muito diversos a investigar como seus produtos reagem às condições ambientais. É provável que seja por isso que, nos mais de 30 anos desde sua invenção, a Sorção Dinâmica de Vapor tenha sido amplamente adotada.

Hoje, a análise por sorção de vapor continua a se expandir para novos setores. A análise por sorção de vapor costuma responder a perguntas como estas:

• Quais condições fazem com que um material em pó — seja um produto final ou uma matéria-prima — forme grumos, aglomere-se e torne-se inutilizável ou pouco atraente?
• Até que ponto um determinado material de embalagem protege um produto contra condições adversas de transporte, clima ou armazenamento?
• Por quanto tempo o princípio ativo de um medicamento, nutracêutico ou suplemento mantém sua eficácia quando exposto a variações de umidade, como as que ocorrem no armário de remédios do banheiro?

Outras aplicações mais específicas incluem o teste dos efeitos da umidade em materiais compostos utilizados na aviação, em lentes de contato e em produtos de higiene pessoal, entre muitos outros.

Resultados e análise do DVS, parte 1: cinética de sorção de vapor

Os resultados de um teste de sorção dinâmica de vapor costumam ser apresentados de duas maneiras diferentes. A primeira, conhecida como cinética de sorção de vapor, concentra-se na evolução temporal. Ela representa graficamente os níveis de umidade relativa na câmara e as variações na massa da amostra ao longo do tempo.

Em outras palavras, a cinética de sorção mostra a rapidez com que sua amostra absorve e libera água do ambiente circundante. É importante saber isso em casos em que o tempo é um fator crítico, como nos estudos de vida útil acelerados.

Resultados e análise do DVS, parte 2: isotermas de sorção de vapor

Outra forma de visualizar os dados de sorção de vapor consiste em representar graficamente os dados de atividade da água (umidade relativa) da amostra em um eixo e o peso (às vezes, utiliza-se o teor de umidade) no outro.

Essas isotermas não destacam como o tempo influencia a amostra, mas mostram como a massa ou o teor de umidade variam em função da umidade relativa.

As isotermas de alta resolução neste formato facilitam a identificação exata dos pontos em que ocorrem transições indesejadas de textura e qualidade. Esses pontos são frequentemente chamados de “limites críticos” e se manifestam como saltos ou quedas repentinas no teor de umidade ou na massa. Essas informações são cruciais em muitas situações da indústria de alimentos:

• Em produtos secos, como pós, é importante manter-se abaixo de um limite máximo para evitar a aglomeração e a formação de grumos, mas a um nível suficientemente alto para que o produto excessivamente seco e com peso inferior ao normal não prejudique as margens de lucro.
• Em um lanche à base de carne curada, o intervalo de limites críticos deveria, idealmente, ser baixo o suficiente para impedir a presença de micróbios, mas alto o suficiente para que o lanche tenha uma textura úmida e saborosa.
• Em produtos alimentícios com alto teor de umidade, como barras de frutas, são necessários determinados níveis de atividade da água para evitar a sinérese.

Explicação sobre adsorção, dessorção e histerese

É importante observar a diferença entre adsorção e dessorção tanto na cinética de sorção de vapor quanto nas isotermas.

A adsorção refere-se à ligação da amostra com a umidade, retirando-a de ambientes úmidos. A dessorção ocorre quando a amostra libera umidade em ambientes secos ou dessecados.

Poucos materiais absorvem e liberam água da mesma maneira ou na mesma velocidade. A diferença entre a adsorção e a dessorção é chamada de histerese.

A histerese é um conceito importante a ser lembrado. Cada ciclo de adsorção/dessorção pelo qual um material passa altera os efeitos dos ciclos futuros de adsorção/dessorção. Se um produto tiver ultrapassado um ponto de transição, sua estrutura poderá sofrer uma alteração irreversível que não pode ser revertida simplesmente secando-o novamente.

A histerese é usada principalmente para compreender um produto, mas também pode ser utilizada para avaliar a capacidade de retenção de água de um produto, como no caso de revestimentos, umectantes ou novas formulações.

Interpretação da isoterma DVS – um exemplo

A interpretação da isoterma varia de acordo com a aplicação, mas a descrição detalhada de um método pode ajudar a compreender os demais – neste caso, uma análise das mudanças de fase induzidas pelo vapor no leite em pó seco por pulverização.

Para ver mais exemplos de como as isotermas podem ser interpretadas (para estimar o prazo de validade, determinar a eficácia de filmes e revestimentos repelentes de umidade e muito mais), assista ou leia a transcrição do nosso webinar, Entendendo as Isotermas.

O primeiro passo para interpretar essa isoterma com o objetivo de estudar as alterações na textura é determinar os limites críticos de atividade da água mencionados anteriormente — o ponto a partir do qual começam a ocorrer alterações indesejáveis na textura.

O uso da segunda derivada dessa isoterma de sorção ajuda a destacar os picos nessa curva. Esses picos correspondem aos níveis de atividade da água nos quais o teor de umidade aumenta mais rapidamente.

Nesse caso, o valor é de 0,67 de atividade de água. Isso significa que uma atividade de água de 0,67, ou 67% de umidade relativa, é um ponto de transição crítico para esse pó, no qual sua textura se altera.

Em níveis baixos de atividade de água, há um número limitado de sítios de ligação de água. Mas, assim que atinge 0,67, o número de sítios aumenta e mais água pode se ligar. À medida que sobe ainda mais, começam a ocorrer aglomeração e aglutinamento intensos (neste produto específico). A isoterma mostra exatamente onde esses fenômenos ocorrerão.

Sorção de vapor de água versus sorção de vapor orgânico

A maioria dos instrumentos de sorção dinâmica de vapores foi projetada para estudar as propriedades de sorção da água; alguns aparelhos também analisam como as amostras interagem com vapores orgânicos.

Os objetivos e princípios do processo permanecem os mesmos: compreender como uma amostra adsorve e desorve vapor. Nesses dispositivos, a câmara de amostras é preenchida com vapor orgânico, e não com vapor de água, a um nível de umidade pré-determinado.

A DVS com vapores orgânicos é mais frequentemente utilizada por cientistas de materiais que desenvolvem métodos de controle de processos químicos. Também se revelou útil para auxiliar a indústria farmacêutica no desenvolvimento de ingredientes ativos estáveis e biodisponíveis.

Instrumentos de sorção dinâmica de vapor

Um dispositivo DVS deve ser capaz de medir a massa da amostra e expô-la a ar umidificado ou dessecado. Além desses requisitos básicos, os dispositivos DVS variam amplamente em tamanho, formato e capacidade. Ao adquirir um dispositivo DVS, leve em consideração o seguinte:

• Tamanho do equipamento. Alguns equipamentos de bancada são muito compactos – com cerca de 30 centímetros cúbicos –, enquanto outros equipamentos com várias estações podem ocupar uma grande bancada de laboratório ou até mesmo ter o tamanho de um armário independente.
• Tempos de leitura. Alguns dispositivos levam dias para criar uma isoterma. Outros levam semanas. Avalie bem suas necessidades de rendimento de amostras antes da compra.
• Resolução dos dados. Sem uma resolução de isoterma suficientemente alta, é impossível identificar pontos de transição críticos. Você precisa de cinética de sorção de baixa resolução ou de isotermas de alta resolução?
• Tamanho da amostra. Alguns dispositivos DVS são capazes de analisar com precisão amostras de apenas dez miligramas. Outros exigem uma quantidade maior de amostra para uma análise precisa.

Outros métodos de análise por sorção de vapor

A análise tradicional por sorção de vapor, realizada permitindo que as amostras atinjam o equilíbrio em dessecadores, ainda é praticada em alguns laboratórios e universidades, apesar do trabalho e do equipamento necessários.

Quem optar por esse método precisará de várias câmaras climáticas, soluções salinas saturadas e espaço para armazená-las por um bom tempo. Após preparar os materiais e iniciar o teste, será necessário que um técnico de laboratório retire amostras das câmaras, pese-as regularmente e registre as variações de massa até que o conjunto de dados desejado seja obtido.

Esse método exige um esforço constante ao longo do tempo e pode não fornecer as informações detalhadas que outros métodos são capazes de oferecer.

Outra alternativa é o método da Isoterma Dinâmica do Ponto de Orvalho (DDI), um aprimoramento relativamente recente e pouco conhecido do método DVS. Enquanto os dispositivos DVS imitam o método da câmara climática, utilizando o peso para determinar quando uma amostra atingiu o equilíbrio em um nível específico de umidade, o método DDI determina o equilíbrio com base na atividade da água da amostra.

Os dispositivos DDI utilizam ar umidificado ou dessecado para alterar a umidade relativa da amostra em um intervalo definido (0,01 aw ou 1% UR), permitem que a câmara se equilibre ao novo estado da amostra e, em seguida, registram tanto o valor de aw quanto o peso da amostra. Esse processo, repetido várias vezes ao longo de alguns dias, resulta em isotermas com 100 a 150 pontos de dados ou mais, em comparação com os 5 a 10 do método DVS, destacando pontos de transição e imitando condições fluidas do mundo real.

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