Desarrollo de un montaje experimental para la medición del coeficiente de restitución en condiciones de vacío
29 de marzo de 2016
El coeficiente de restitución es un parámetro que describe la pérdida de energía cinética durante la colisión. Aquí, una configuración de caída libre en condiciones de vacío se ha desarrollado para ser capaz de determinar el coeficiente de restitución de parámetros para las partículas en el rango de micrómetros con velocidades de alto impacto.
El objetivo general de este montaje experimental es medir el coeficiente de restitución de partículas en colisión bajo condiciones de vacío. Este método puede contribuir a resolver problemas de ingeniería, ya que el coeficiente de restitución está presente en cualquier operación de ingeniería, como el transporte, manipulación y almacenamiento de sólidos granulares en la industria. La principal ventaja de este método es que puede aplicarse a polvos finos bajo condiciones de vacío sin acelerar la partícula cuando ingresa a la cámara.
Sven Drucker, un estudiante de posgrado de mi laboratorio, demostrará el procedimiento. Él trabaja en el marco de un proyecto llamado Pardem. Para trabajar con partículas de cualquier tamaño, primero retire la cubierta de la cámara de vacío y levante la tapa superior.
A continuación, seleccione la placa base con el material de pared deseado e introdúzcala en la cámara. Luego, gire la parte inferior de la cámara de vacío lateralmente e introduzca cuidadosamente la placa base en su posición. A continuación, utilizando pinzas, coloque exactamente una partícula de tamaño conocido en el centro de la placa base.
Luego, ajuste la posición de una cámara de video de alta velocidad montada en un trípode de manera que la placa base se encuentre en el cuarto inferior del campo visual y enfoque la partícula. Configure la cámara de alta velocidad para grabar 10.000 cuadros por segundo con una resolución de 528 por 396 píxeles. A continuación, tome un breve video de la partícula con fines de referencia.
No olvide retirar la partícula posteriormente. Al trabajar con partículas de 700 micrones o más gruesas, primero ajuste la altura de la cámara de partículas para alcanzar la velocidad de impacto deseada. Mida la altura utilizando la escala adjunta a la placa de sujeción.
Luego, cierre la cámara de partículas con la punta de una pipeta. Ahora, levante la tapa superior de la cámara de vacío y coloque una sola esfera dentro de la cámara de partículas usando pinzas. Este ejemplo muestra una esfera sólida.
Sin embargo, también se pueden probar esferas llenas de líquido. Coloque la tapa superior sobre la parte inferior de la cámara de vacío y conecte la tapa superior con la parte inferior de la cámara de vacío mediante el manguito. Ahora, póngase gafas de seguridad antes de generar el vacío.
Utilizando la bomba, evacúe la cámara hasta alcanzar la presión deseada. La presión objetivo en esta demostración es 0,1 milibares. Luego, cierre la válvula del lado de la cámara y apague la bomba.
En este momento, inicie la grabación de video. Mientras graba, abra el orificio de la cámara de partículas para liberar la partícula, y al mismo tiempo jale y gire el palillo conectado a la punta de la pipeta. Esto evitará problemas de adherencia-deslizamiento debido a la alta fricción entre el palillo y el anillo sellado.
Después del impacto, detenga inmediatamente la grabación. Solo se puede guardar un número limitado de fotogramas, y los primeros se sobrescriben tan pronto como se excede el límite. Recorte el video alrededor del instante del impacto en la pantalla y guárdelo en la tarjeta de memoria.
Se prevé repetir el experimento aproximadamente 10 veces para obtener un valor promedio preciso. Al trabajar con partículas más finas, utilice esencialmente el mismo procedimiento con algunas modificaciones. Coloque de 50 a 100 esferas sobre una hoja de papel doblada y cargue las partículas en la cámara desde el papel.
Al retirar la varilla al inicio del experimento, hálala muy lentamente para evitar que todas las partículas caigan al mismo tiempo. Al recortar la película, hazlo de manera que al menos 10 impactos claramente enfocados sean visibles. Antes de evaluar los datos, primero es necesario calibrar el software.
Cargue un fotograma con la partícula de tamaño conocido obtenida durante la configuración. Luego, cuente el número de píxeles del diámetro horizontal y divida la distancia conocida por el número de píxeles para obtener el factor de conversión, es decir, la distancia por píxel. El diámetro horizontal es más fácil de usar debido al contraste entre la partícula y el fondo blanco.
Para calcular la velocidad de impacto, establezca un punto de referencia del movimiento en la parte superior de la esfera 10 cuadros antes del punto de impacto y un segundo punto de referencia un cuadro antes del impacto. Utilice el número de píxeles entre los dos puntos y el factor de conversión para calcular la distancia recorrida. Luego, divida la distancia por el tiempo transcurrido entre nueve cuadros para obtener la velocidad de impacto.
Para calcular la velocidad de rebote, utilice puntos de referencia en la parte superior de la esfera, un cuadro después del impacto y diez cuadros después del impacto. Finalmente, calcule el coeficiente de restitución, o COR, como la relación entre la velocidad de rebote y la velocidad de impacto. Repita todos estos pasos para evaluar todos los videos registrados de las pruebas de caída.
Se dejaron caer partículas de vidrio con diámetros de 100 micrones a cuatro milímetros desde una altura inicial de 200 milímetros sobre una placa base de acero inoxidable con un espesor de 20 milímetros. El valor medio del coeficiente de restitución (COR) fue de aproximadamente 0,9 para partículas de 700 micrones o más grandes. Este resultado fue independiente de la presión del aire.
Para partículas con un diámetro menor a 400 micrones, el coeficiente de restitución (COR) fue casi constante con un valor de 0,9 bajo condiciones de vacío. Bajo presión atmosférica, el coeficiente de restitución disminuyó con el diámetro de la partícula. Los resultados para la velocidad de impacto dependieron del tamaño de la partícula y de la presión atmosférica.
Los polvos finos fueron mucho más lentos bajo presión atmosférica, mientras que su velocidad de impacto disminuyó solo ligeramente en condiciones de vacío. Los datos mostraron algunos valores atípicos excepcionales en 700 micrones que podrían haber sido causados por una calibración incorrecta. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo medir el coeficiente de restitución en experimentos de caída libre bajo condiciones de vacío.
Una vez dominado, este método puede realizarse en una hora y media para 10 partículas si se aplica correctamente. No olvide que trabajar con un cilindro de vidrio en condiciones de vacío es extremadamente peligroso y que siempre deben tomarse precauciones.
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Resumen
Este artículo presenta un montaje experimental diseñado para medir el coeficiente de restitución de partículas en colisión bajo condiciones de vacío. El método tiene como objetivo abordar desafíos de ingeniería relacionados con el manejo y almacenamiento de sólidos granulares.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Física
- Ingeniería
- Ciencia de materiales
Antecedentes
- El coeficiente de restitución cuantifica la pérdida de energía durante las colisiones.
- Comprender este parámetro es crucial para diversas aplicaciones de ingeniería.
- Las condiciones de vacío permiten mediciones precisas sin influencias externas.
- Este método es particularmente útil para polvos finos.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un método confiable para medir el coeficiente de restitución.
- Mejorar la comprensión del comportamiento de las partículas durante las colisiones.
- Proporcionar conocimientos aplicables a la industria de ingeniería.
Métodos Utilizados
- Configuración de caída libre en condiciones de vacío.
- Medición de velocidades de impacto para partículas del tamaño de micrómetros.
- Demostración realizada por un estudiante de posgrado como parte de un proyecto de investigación.
- El procedimiento incluye la remoción del manguito y la tapa superior de la cámara de vacío.
Resultados principales
- El montaje permite la medición precisa del coeficiente de restitución.
- Demuestra aplicabilidad a polvos finos sin aceleración previa.
- Contribuye a la resolución de problemas de ingeniería relacionados con sólidos granulares.
- Proporciona un marco para estudios futuros en dinámica de colisiones de partículas.
Conclusiones
- El método desarrollado es efectivo para medir los coeficientes de restitución.
- Tiene implicaciones significativas para las prácticas de ingeniería que involucran materiales granulares.
- La investigación futura puede basarse en esta metodología para aplicaciones más amplias.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La medición precisa del coeficiente de restitución en condiciones controladas respalda la modelización predictiva del comportamiento de partículas en el manejo de polvos farmacéuticos, mezclado y fabricación de comprimidos. Este método permite reducir los riesgos en el desarrollo de formulaciones y procesos al proporcionar parámetros de entrada confiables para simulaciones mediante elementos discretos utilizadas en la ampliación de escala y el diseño de equipos. Aborda una brecha clave en la caracterización de la dinámica de polvos finos donde las condiciones atmosféricas limitan las velocidades de impacto alcanzables.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar la mecánica de las interacciones entre partículas y entre partículas y paredes, fundamental para comprender las propiedades de flujo y la cohesión en sistemas de principios activos y excipientes.
- Valor operativo: Proporciona coeficientes de restitución reproducibles en vacío para aislar las propiedades intrínsecas del material de factores ambientales perturbadores como la humedad y la resistencia del aire.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Genera salidas cuantitativas basadas en la velocidad que sirven como métricas estandarizadas para comparar el comportamiento de sólidos a granel entre diferentes formulaciones.
- Valor operativo: Facilita la preparación del ensayo al proporcionar protocolos de imagenología calibrados y de alta velocidad, aplicables a partículas a escala micrométrica relevantes para la administración de fármacos por inhalación y microfluídica.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Facilita la reducción mecanicista de riesgos en los desafíos de ampliación al vincular la dinámica de colisión a escala microscópica con el comportamiento del polvo a escala macroscópica en operaciones de llenado, dosificación y transporte.
- Valor operativo: Permite la continuidad desde la caracterización inicial de partículas hasta la fabricación preclínica al proporcionar parámetros listos para el MDE (método de elementos discretos) para la modelización predictiva de procesos.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
Este método se sitúa en el flujo de trabajo de descubrimiento como una herramienta de caracterización inicial que aporta información para las etapas posteriores de simulación y optimización de procesos, especialmente en formulaciones que involucran polvos finos donde la interferencia ambiental compromete la fidelidad de los datos.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre el comportamiento de materiales al permitir mediciones controladas de la disipación de energía durante colisiones, un factor clave para predecir la formación de grumos, la aglomeración y la falla en el flujo.
- Selección: Ofrece mediciones de velocidad estandarizadas y reproducibles bajo vacío, garantizando la comparabilidad entre diferentes rangos de tamaño de partículas y tipos de materiales.
- Análisis: Proporciona lecturas de velocidad de impacto y rebote derivadas del seguimiento de píxeles y la calibración, lo que permite calcular el coeficiente de restitución como una salida adimensional y comparable.
- Investigación Traductiva: Se conecta con la continuidad preclínica al suministrar parámetros de entrada validados para modelos de elementos discretos utilizados en la simulación del procesamiento de polvos a escala industrial.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma reutilizable para caracterizar cualquier sistema particulado, reduciendo el desarrollo redundante de métodos entre proyectos y sitios.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva en las simulaciones al proporcionar coeficientes de restitución aislados del entorno que reflejan las propiedades reales de los materiales.
- Valor operativo: Mejora la reproducibilidad y la estandarización mediante niveles definidos de vacío, configuraciones de cámara y mecanismos de liberación de partículas.
- Valor estratégico: Reduce el riesgo en las etapas avanzadas de fabricación al permitir la identificación temprana de modos de falla relacionados con el flujo mediante entradas precisas para el método de elementos discretos (DEM).
- Impacto en el portafolio: Apoya la selección de formulaciones ajustadas al riesgo y el avance de procesos al cuantificar el comportamiento mecánico crítico para la uniformidad del contenido y la precisión de la dosis.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en videografía de alta velocidad, manipulación de partículas y operación de sistemas de vacío.
- Depende del acceso a cámaras ópticas compatibles con vacío, sistemas de imagen calibrados y herramientas para la manipulación de partículas.
- Necesita una alineación entre los equipos en cuanto a los protocolos de calibración y los estándares de medición de velocidad para garantizar la consistencia de los datos.
- Implica consideraciones de adaptación para densidades, formas y propiedades superficiales variables de las partículas al extenderse más allá de los estándares esféricos de vidrio.
- Está limitado por las restricciones físicas del tamaño de la cámara de vacío y la altura máxima de impacto alcanzable en condiciones de baja presión.
