Influência da secagem e modificação superficial na redispersão e estabilidade coloidal de nanopartículas de TiO2

Abstract

A estabilidade coloidal de nanopartículas posterior à secagem é decisiva para sua aplicação industrial, especialmente para o desenvolvimento de materiais que possam ser facilmente redispersos em meio aquoso sem necessidade de ajustes adicionais. Este trabalho investigou a influência de três métodos de secagem ? estufa, micro-ondas e liofilização ? combinados a duas rotas de modificação superficial (ácida, usando ácido cítrico, e alcalina, usando AMP-95) sobre nanopartículas de dióxido de titânio (TiO2). O estudo foi conduzido em duas etapas sequenciais iniciando com a caracterização das propriedades intrínsecas do material precursor de titânio na suspensão aquosa da NIONE, Lomon R996, por difração de raios-X, termogravimetria derivada e distribuição de tamanho de partículas obtida por difração a laser; na segunda etapa, já com os pós secos e redispersos, avaliaram-se distribuição de tamanho das partículas, a sua morfologia pós secagem via microscopia eletrônica de varredura com emissão de campo, a variação da área superficial específica, seu potencial zeta, testes de estabilidade acelerada em centrífuga analítica (shelf-life) e espectroscopia de absorção óptica. Resultados mostraram que a liofilização preservou a distribuição original da suspensão aquosa, reduzindo em até 14% a distribuição de tamanho da partícula em relação à distribuição obtida pela secagem em estufa. O método de micro-ondas apresentou comportamento intermediário, eficaz apenas em associação com estabilizantes. O AMP-95 proporcionou partículas mais uniformes e superfície de morfologia mais uniforme, auxiliando em uma melhor redispersão. Ainda, ambas modificações deslocaram o ponto isoelétrico original de 3,60 para 2,74 (ácido cítrico) e 5,47 (AMP-95), evidenciando mudanças nas interações partícula-meio; concomitantemente, as velocidades médias de sedimentação foram de 1,953 µm s-1 (AMP-95), 4,213 µm s-1 (ácido cítrico) e 86,6 µm s-1 (controle), confirmando a maior shelf-life no tratamento alcalino, com redução de sedimentação superior a 97%. Na análise espectroscopia, o ácido cítrico reduziu o bandgap em 18%, aumentando absorção visível, enquanto AMP-95 elevou o bandgap, favorecendo absorção UV. Conclui-se que a combinação liofilização e AMP-95 oferece nanopós com excelente redispersibilidade, estabilidade coloidal prolongada e propriedades ópticas ajustáveis, ampliando seu potencial em formulações aquosas, revestimentos funcionais e processos fotocatalíticos.

Abstract: The colloidal stability of nanoparticles after drying processes is critical for industrial applications, especially for the development of materials that can be easily redispersed in aqueous media without the need for additional adjustments. This work investigated the effects of three drying methods ? laboratory oven drying, microwave drying, and freeze-drying ? combined with two distinct surface modifications (acidic, citric acid, and alkaline, using AMP-95) on titanium dioxide (TiO2) nanoparticles. The study was conducted in two sequential stages. Initially, the intrinsic properties of the TiO2 precursor, Lomon R996, from NIONE's aqueous suspension were characterized by X-ray diffraction, derived thermogravimetry, and particle size distribution via laser diffraction. In the second stage, after drying and redispersion, particle size distribution, morphology using field-emission scanning electron microscopy, specific surface area, zeta potential, accelerated stability testing (shelf-life via analytical centrifugation), and optical absorption spectroscopy were evaluated. Results indicated that freeze-drying effectively preserved the original particle size distribution of the aqueous suspension, reducing the particle size distribution by up to 14% compared to laboratory oven drying. Microwave drying demonstrated intermediate effectiveness, performing adequately only when combined with stabilizing agents. AMP-95 resulted in more uniform particles with a smoother morphology, facilitating better redispersion. Furthermore, both surface modifications shifted the isoelectric point from 3.60 to 2.74 (citric acid) and 5.47 (AMP-95), significantly altering particle-medium interactions. Concurrently, average sedimentation velocities were measured as 1.953 µm s-1 (AMP-95), 4.213 µm s-1 (citric acid), and 86.6 µm s-1 (standard), confirming superior shelf-life stability for the alkaline treatment, achieving over 97% sedimentation reduction. The spectroscopic analysis revealed that citric acid reduced the optical bandgap by 18%, enhancing visible absorption, while AMP-95 increased the bandgap, favoring UV absorption. The combination of freeze-drying and AMP-95 thus produced nanopowders with excellent redispersibility, prolonged colloidal stability, and adjustable optical properties, expanding their applicability in aqueous formulations, functional coatings, and photocatalytic processes.