Caracterización de la distribución del tamaño de los poros en membranas con surcos grabados

CONTEXTO

Las membranas con surcos grabados son materiales poliméricos delgados con una estructura porosa bien definida creada ya sea mediante irradiación con partículas o iones de tamaño conocido o mediante grabado químico. Estos procesos permiten un control preciso del tamaño y la densidad de los poros de la membrana. Se considera que las membranas con surcos grabados tienen poros cilíndricos (con diámetros del tamaño de la partícula utilizada para crear los canales de los poros, que son casi estructuralmente idénticos a los modelos ideales en los que se basan todos los cálculos del tamaño de los poros y la permeabilidad. Si bien es cierto que las distribuciones del tamaño de los poros en membranas con surcos grabados son notablemente nítidas, aún existe cierto desvío en los tamaños. En el proceso de bombardeo de iones/partículas, puede ocurrir una “superposición” del haz de partículas y en el proceso de grabado pueden formarse agregados de partículas. En ambos procesos, esto siempre conduce a la formación de tamaños de poro más grandes.

La porosimetría gas-líquido (GLP) se utiliza ampliamente en la caracterización de medios porosos y es un método ideal para caracterizar las membranas con surcos grabados en busca de calidad y consistencia. El principio de la medición consiste en impregnar una muestra porosa con un líquido humectante y desplazarlo fuera de los poros utilizando gas a una presión creciente (figura 1).

Los poros de los materiales se pueden clasificar en tres grupos principales, según el tipo de trayectoria de los poros (figura 2):

Figura 1. Desplazamiento del líquido fuera de los poros en CPF.

     

      • Poros cerrados: poros con una trayectoria totalmente cerrada.

      • Poros discontinuos (blind): la trayectoria del poro inicia en una superficie y finaliza dentro del material.

      • Poros continuos (through): la trayectoria del poro conecta una superficie del material con otra.

    Los poros cerrados y discontinuos no contribuyen al flujo a través del material. Solo los poros continuos pueden medirse con un sistema GLP.

    Figura 2. Diferentes tipos de poros.

    Las dos variables medidas en GLP son la presión diferencial de gas aplicada y la velocidad de flujo de gas a través de la muestra. El tamaño del poro se calcula mediante la ecuación de Young-Laplace, ecuación 1:

    P = 4*γ*cos θ/D (1)

    donde (P) es la presión necesaria para desplazar el líquido humectante del poro, (γ) es la tensión superficial del líquido, (θ) es el ángulo de contacto, y (D) es el diámetro del poro. Cuanto menor sea el tamaño del poro, mayor será la presión requerida para desplazar el líquido humectante de los poros.