A Moagem Superfina em Moinho Agitador

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1 Brasil A Moagem Superfina em Moinho Agitador Um processo físico para obtenção de Nanopartículas Eng. Theron W. Harbs Gerente U. N. Moagem e Dispersão Netzsch do Brasil Em oposição ao conhecido processo químico Bottom up a partir de fase gasosa ou líquida o processo de Moagem Fina em Moinho Agitador oferece um processo de cima para baixo, top down. A partir do tamanho de alguns Micrometros as partículas suspensas serão reduzidas até a faixa de granulometria média de 40 a 100 nm. Tecnologia do Moinho Agitador Descrição Geral Um Moinho Agitador consiste de uma câmara de orientação vertical ou horizontal (Fig. 1), normalmente cilindrica, a qual é preenchida com 70 a 90 % com elementos de moagem. Estes corpos de moagem são geralmente de aço, vidro ou materiais cerâmicos resistentes aos desgaste. Um sistema agitador com pinos, discos ou mesmo uma superfície lisa proporciona a aceleração intensiva dos corpos de moagem. A suspensão de Fig. 1 Princípio do Moinho Agitador moagem é bombeada continuamente através da câmara de moagem, e os sólidos em suspensão são moídos e dispersos pelo efeito de impacto e cisalhamento entre os corpos de moagem. Na região de saída do Moinho ocorre a separação entre os corpos de moagem e base de moagem ( suspensão ) por meio de um sistema de fenda, peneira ou centrifugação. Página 1 de 7

2 A evolução conforme faixa de tamanhos A tecnologia de moagem a úmido experimentou desde o lançamento do sistema Attritor nos anos 50 uma constante evolução. (Fig. 2). O primeiro objetivos essencial do desenvolvimento foi evitar a necessidade de operar em forma de Batch, como nos moinhos de bolas ou Atrittor, por meio do fluxo contínuo de produto a través do equipamento de moagem com redução do volume da câmara e simultâneo incremento da capacidade de introdução de energia por volume. Fig. 2 Desenvolvimento dos Moinhos Agitadores na NETZSCH O outro objetivo foi e continua sendo a obtenção de menores granulometrias. No início a granulometria de aprox. 20 µm era suficiente para tintas em geral, mas hoje sabemos que muitas aplicações em recobrimentos e gráficas exigem moagem da ordem de 1 µm ou menor. Estes novos níveis de moagem serão atingidos por meio do uso de elementos de moagem cada vez menores, com os correspondentes recursos do equipamento para sua ativação adequada em ampla faixa de concentrações e com eficiente sistema de separação. Fundamentos Teóricos Os fundamentos teóricos da técnica de moagem fina com moinhos agitadores foram estudados na Universidade de Braunschweig [1], concluindo-se que para o processo de redução de tamanho a Energia de Moagem E SP é proporcional a duas grandezas básicas ( Ig. 3 ): o número de solicitações BZ ( Ig. 2 ) e a intensidade da solicitação BI (Ig. 1). BI BI MK =d³ MK. ρ MK.V² t [ -] (1) 2 BZ BZ r =n.t. x [-] (2) d MK E sp BI. BZ (3) O número de solicitações aumenta quadraticamente com a relação entre o tamanho de saída das partículas e o diâmetro dos corpos de moagem. Se baixa o tamanho de partícula desejado na moagem, este fator pode ser balanceado pela redução do diâmetro dos corpos de moagem, de forma a dispor-se de um número de solicitações suficiente. Página 2 de 7

3 De igual forma depende a intensidade das solicitações, sob forma de impactos entre os corpos de moagem, proporcionamente da massa dos mesmos. Este efeito pode ser incrementado, de forma limitada, por meio de maiores velocidades do sistema de agitação. Isto significa que os limites da granulometria atingível será determinada através da energia de solicitação, de forma a ainda conseguir romper as partículas, e um suficientemente alto número de solcitações, o qual depende essencialmente do diâmetro dos elementos de moagem. Corpos de Moagem Valores experimentais para a relação entre tamanhos dos elementos de moagem e partículas moídas, para obter-se uma efetiva redução de tamanho, ficam em torno de para dispersão ou desaglomeração e entre para redução real de tamanho ( moagem real ). A partir destes valores podem ser fineness [µm] 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 fineness depending on grinding time with different grinding media sizes 0.5 mm UPA 0.2 mm UPA mm UPA estimadas basicamente as granulometrias obteníveis. (Fig. 3). Enquanto para redução real de tamanho granulometrias da ordem de 100 nm são possíveis, para dispersão podem ser atingidos valores em torno de 40 nm. Os corpos de moagem necessários para isto possuem tamanho em em torno de 0,1 0,5 mm. Importante na moagem é evitar ou reduzir ao máximo a contaminação do produto a ser moído. Isto implica na seleção de materiais adequados, resistentes a abrasão ou que gerem desgaste que não represente dano às propriedades posteriores do material moído. (Fig. 4). Basicamente materiais 0, Fig. 3 grinding time [min] Fineza em função do tamanho dos corpos de moagem e tempo de moagem como areias, vidro, cerâmicas, plásticos ou aço encontram-se disponíveis nos tamanhos necessários. Fig. 4 Diferentes tipos de corpos de moagem e algumas propriedades Página 3 de 7

4 Os Modernos Moinhos Agitadores Os requisitos essenciais de um Moinho Agitador de Esferas para moagem na faixa de nanometros são a efetiva transmissão da energia de ativação do movimento dos corpos de moagem, de forma a atingir a necessária intensidade de solicitação, e a contínua e eficiente separação dos menores corpos de moagem do fluxo de produto na região de saída do moinho. Fig. 5 Aspecto do Sistema de Moagem por Recirculação ZETA Ideal para altas densidades de energia de moagem, e introdução de energia relativamente independente da viscosidade, é o sistema de pinos agitadores montados no rotor ( Fig. 5 ), e opcionalmente na câmara de moagem ( estator ). A energia introduzida será quase plenamente convertida em calor, e este calor precisa ser novamente removido por meio de correspondente refrigeração do produto, de forma a não ultrapassar a temperatura máxima admissível para o produto. Do mesmo modo que para os corpos de moagem a seleção dos materiais para o Moinho deve atender ao compromisso de uma solução ótima com respeito a contaminação e compatibilidade com produto. Essencial para a operação contínua do Moinho Agitador é a função perfeita do sistema de separação. Sistemas estáticos como simples peneiras planas ou introduzidas radialmente na câmara não são adequadas para pequenos corpos de moagem, pois serão rapidamente cobertas pelos pequenos elementos de moagem e ficarão entupidas. Sistemas de fenda são descartados devido a necessidade de valores muito baixos para a medida da abertura. Deste modo são indicados para esta aplicação somente os sistemas de separação por centrifugação (Fig. 6), nos quais as forças centrífugas trabalham contras as forças de fluxo de produto. Fig. 6 Um exemplo de sistema de separação por centrifugação Página 4 de 7

5 Modos de Processo Para Moinhos Agitadores contínuos existem basicamente três formas de operação. Produtos simples serão dentro do possível moídos em passagem única (Fig. 7). Fig. 7 Operação Passagem única No caso da Nanomoagem porém é necessária uma grande energia específica de moagem, para a qual uma passada somente não é suficiente. Aqui será então empregado o método de múltiplas passadas, do forma "Pendular" (Fig. 8) ou em "Recirculação" (Fig. 9). Fig. 9 Operação Pendular Fig. 8 Operação Pendular Fig. 9 Operação Recirculação Aplicações As primeiras Nanomoagens sucederam na área tradicional de aplicação da indústria de tintas de recobrimento e de impressão. Uma das mais difíceis tarefas é a produção de tintas automobilísticas pretas com alta profundidade. As partículas de negro de fumo ficam sob forma aglomerada com partículas primárias de 13 a 20 nm, devendo ser dispersadas e estabilizadas em uma formulação de modo a atingir a necessária profundidade ( Deepness ) da cor negra. Na área de tintas de flexográficas vigorou durante muito tempo o conceito de que a assim denominada qualidade Chips não poderia ser atingida por meio da técnica de moagem direta. De fato as primeiras moagens na faixa dos Nanometros possibilitaram a substituição daquela tecnologia de produção. Paralelamente outras aplicações avançam ainda mais em relação à faixa de granulometria convencionalmente obtida. Especialmente no campo da Medicina mostram-se novas oportunidades para a Nanomoagem. Na área farmacêutica forma desenvolvidos novos princípios ativos insolúveis. Para que os mesmos possam ser adequadamente absorvidos pelo organismo (Fig. 10), é necessária uma granulometria nitidamente mais fina do que era usual até o momento. Taxas ótimas de absorção somente serão atingidas quando os Cristais (Fig. 11) forem moídos a uma granulometria menor do que 400 nm [2]. Página 5 de 7

6 Fig. 10 Aspecto da absorção de princípio ativo Fig. 11 Imagem Foto REM de Cristais A fabricação de Pigmentos demanda freqüentemente um processo de moagem bastante fina. Um exemplo é a produção de azul de Ftalocianina. O processo tradicionalmente empregado com moagem com sal é bastante dispendioso em termos de energia e danoso ao meio ambiente. Por meio de moagem em Moinho Agitador com a utilização de aditivos adequados para superfície, obtém-se a conversão do pigmento (Fig. 12) e a qualidade final (Fig. 13) com um sistema ecologicamente correto e com menor demanda de energia. Fig. 12 Aspecto de dispersão e processo de conversão de Azul de Ftalocianina. Fig. 13 Evolução da Moagem de pigmento azul de ftalocianina Página 6 de 7

7 Resumo Modernos Moinhos Agitadores de Esferas possibilitam o processamento de suspensões com tamanhos de partículas até a ordem de 100 nm ( 0,1 µm ). Devemos diferenciar porém a redução real de tamanho das partículas primárias do processo de dispersão de aglomerados. Um elemento essencial na preparação de tais nanoprodutos é a estabilização das partículas na suspensão, em uma faixa de tamanhos que está distante dos valores até agora usualmente encontrados na indústria. Existe uma ampla gama de aplicações para a Nanomoagem nos mais diferentes setores e espera-se uma incremento ainda maior nos próximos anos. Mas também por parte da tecnologia de moagem fina existe potencial de desenvolvimento, seja em termos de materiais empregados para o equipamento ou corpos de moagem, seja nos processos de moagem e de separação. Literatura [1] Curso e Colóquio Redução de Tamanho e Dispersão com Moinhos Agitadores de Esferas Pesquisa e Aplicação, , Instituto para Tecnologia Mecânica, TU Braunschweig [2] NanoCrystal, Tecnologia para Drogas pouco solúveis Firmenschrift, Elan Pharmaceutical Technologies Página 7 de 7