Análise de porosimetria de mercúrio: Princípios, aplicações e como o AutoPore se destaca

Compreender a estrutura de poros de um material é essencial para prever seu comportamento, desde ajustar a liberação de medicamentos em produtos farmacêuticos até otimizar o transporte de íons em baterias.

Um dos métodos mais eficazes para isso é a porosimetria de intrusão de mercúrio, que usa pressão para forçar o mercúrio a entrar nos poros de um material, gerando dados valiosos sobre distribuição de tamanho de poros, volume de poros e porosidade.

No entanto, a porosimetria de mercúrio apresenta vários desafios operacionais. Protocolos de segurança rigorosos, o potencial de compressão ou danos à amostra e suposições incorretas sobre a geometria dos poros podem afetar sua análise.

Você precisa do instrumento certo – e da abordagem analítica correta – para obter resultados confiáveis de P&D e CQ.

Neste blog, apresentaremos os principais princípios da porosimetria de mercúrio para ajudá-lo a melhorar seus fluxos de trabalho de caracterização de poros. Também mostramos como o porosímetro de mercúrio da Micromeritics oferece velocidade, segurança e precisão padrão ouro em uma ampla faixa de medições.

O que é porosimetria de mercúrio?

A porosimetria de intrusão de mercúrio, muitas vezes abreviada para MIP, é uma técnica de porosimetria poderosa e versátil que analisa a arquitetura de poros de materiais sólidos aplicando pressão para forçar o mercúrio a entrar em seus poros.

Este método permite caracterizar seus materiais:

• Distribuição de tamanho de poros
• Diâmetro médio de poro
• Volume total de poros
• Densidades de amostra (tanto a granel quanto esquelética)
• Área de superfície total de poros

essas propriedades dos poros indicam a arquitetura global dos poros de um material, proporcionando insights sobre suas propriedades potenciais, desde o fluxo de fluidos e condutividade térmica até a resistência mecânica e transporte de íons.

Qual é a faixa de medição da porosimetria de intrusão de mercúrio?

Um porosímetro de mercúrio típico mede o tamanho dos poros de aproximadamente 3nm até 1100µm.

O limite superior da medição geralmente é determinado pela capacidade de pressão do instrumento, e se a pressão não for suficientemente forte, o porosímetro de mercúrio pode não conseguir preencher mesoporos menores e retornar dados precisos.

O AutoPore da Micromeritics oferece uma faixa de medição de 3 nm até 1100 µm, proporcionando aos operadores insights profundos sobre materiais microporosos e mesoporosos. Isso é especialmente importante ao caracterizar materiais como separadores de bateria de íon-lítio, onde o transporte e o fluxo através de grandes macroporos determinam as propriedades do material.

Como funciona o processo de porosimetria de mercúrio?

A porosimetria de intrusão de mercúrio funciona forçando mercúrio líquido não molhável a entrar nos poros de um material sob pressão controlada. Nas pressões mais baixas, os poros maiores serão preenchidos primeiro, seguidos pelos menores à medida que a pressão aumenta.

Ao aumentar gradualmente a pressão e medir o volume de mercúrio intruso em cada etapa, essa técnica permite o cálculo do volume total de poros, da distribuição de tamanho de poros e da porosidade.

Como o mercúrio não entra naturalmente nos poros sem pressão aplicada, a quantidade de pressão necessária pelo porosímetro de mercúrio para forçá-lo a entrar nos poros é inversamente proporcional ao tamanho dos poros e pode, portanto, ser calculada usando a equação de Washburn:

Pd = –4𝑦cos⁡θ

Nesta equação:

• d é o diâmetro de um poro
• P é a pressão aplicada
• γ é a tensão superficial do mercúrio (normalmente 485 dinas/cm sob condições controladas)
• θ é o ângulo de contato entre o mercúrio e a amostra (tipicamente assumido como 130° para a maioria dos sólidos)

Instrumentos modernos, como o AutoPore V, melhoram a precisão deste cálculo controlando precisamente as rampas de pressão, medindo o volume de intrusão em alta resolução e compensando fatores como densidade do mercúrio dependente da temperatura.

Quais são as etapas de um teste de porosimetria de mercúrio?

Ao realizar testes em um porosímetro de intrusão de mercúrio, seus operadores passarão por seis etapas principais.

1. Preparação da amostra

A amostra é seca, removendo umidade e voláteis para evitar interferência na medição.

O penetrômetro (um vaso de vidro ou metal) é selecionado e dimensionado para a amostra. Muitos instrumentos, como o AutoPore V, oferecem uma variedade de tamanhos de penetrômetro para otimizar o tamanho e forma da amostra.

O selamento e a calibração cuidadosa do penetrômetro são cruciais, pois vazamentos, ar preso ou volumes de haste incorretos degradarão a precisão.

2. Preenchimento com mercúrio

O penetrômetro é evacuado para remover o ar preso, o que significa que a pressão corresponde apenas ao preenchimento dos poros e não à compressão do gás preso.

O mercúrio é introduzido sob vácuo no penetrômetro.

3. Intrusão de baixa pressão

A amostra é inicialmente submetida a baixas pressões pneumáticas de 0,2–50 psia para intrusar macroporos maiores (aproximadamente 900–3,6 µm).

A pressão é aumentada e o volume de mercúrio intrusado é registrado. O porosímetro traduz mudanças de volume em volume de poros.

4. Intrusão de alta pressão

Para preencher poros menores (mesoporos e pequenos macroporos), uma pressão muito maior é aplicada; o AutoPore V suporta modelos classificados para 33.000 psia e 60.000 psia.

Ao longo de todo o processo, é necessário um controle muito fino sobre a pressão e o volume para resolver pequenos poros com precisão.

A compensação por efeitos como compressão de material e mudanças de densidade do mercúrio com a temperatura é crítica.

5. Extrusão

Após a pressão máxima ser alcançada, a pressão é reduzida e o mercúrio pode extrusar dos poros.

No entanto, devido à histerese do ângulo de contato e poros do tipo “garrafa de tinta”, alguns mercúrios podem permanecer presos.

A diferença de volume de mercúrio entre intrusão e extrusão pode fornecer insights sobre a forma do poro, razão de pescoço para corpo, conectividade e efeitos de histerese.

6. Análise de dados e cálculo do tamanho dos poros

O instrumento usa os dados de pressão e volume e a equação de Washburn para calcular os diâmetros dos poros, distribuições de volume de poros versus tamanho de poro, volume cumulativo dos poros, diâmetro médio dos poros, área de superfície dos poros, porosidade e densidades a granel e esqueléticas.

Métricas adicionais, como tortuosidade, permeabilidade, volume preso, dimensão fractal ou razões de tamanho de garganta para cavidade, também podem ser calculadas.

Por que a eficiência e a precisão importam no fluxo de trabalho da porosimetria de intrusão de mercúrio?

Cada estágio de um teste de porosimetria de mercúrio depende de controle preciso de pressão, medição de volume precisa e manuseio estável e sem contaminação da amostra e do mercúrio.

Pequenas ineficiências, como evacuação incompleta, selamento inadequado do penetrômetro ou passos de pressão imprecisos e tempo de equilíbrio insuficiente, podem resultar em grandes erros no cálculo da arquitetura de poros.

Instrumentos modernos de porosimetria de intrusão de mercúrio empregam automação, diagnósticos e correções inteligentes para manter a precisão e a velocidade.

Por exemplo, o porosímetro de mercúrio da Micromeritics, AutoPore V, utiliza:

• Configuração de método orientada para minimizar erros do operador, garantindo parâmetros de teste consistentes, seleção adequada de penetrômetro e configuração correta para a faixa de tamanho de poro alvo.
• Resolução de pressão fina para evitar a classificação incorreta de tamanhos de poros, permitindo dados de intrusão e extrusão precisos, mesmo em materiais com distribuições de poros estreitas ou complexas.
• Evacuação e preenchimento automatizados para eliminar inconsistências causadas pelo manuseio manual, melhorando a repetibilidade e reduzindo erros de degaseificação incompleta ou taxas de preenchimento variáveis.
• Compensação em tempo real para compressão de mercúrio e amostra para evitar distorção dos cálculos de volume de poros, garantindo que estruturas de poros reais sejam medidas mesmo sob condições de alta pressão.

Onde a caracterização de macro-/mesoporos afeta diretamente o desempenho do catalisador, a confiabilidade da cerâmica, o design do eletrodo da bateria e as propriedades de filtração, essas eficiências tecnológicas se traduzem em insights mais confiáveis, maior produtividade e maior confiança nas decisões de materiais.

7 vantagens de usar a porosimetria de intrusão de mercúrio

Com tantas opções de caracterização de poros por aí, por que você deve optar pela porosimetria de mercúrio em vez de outros métodos?

1. Ampla faixa de medição de tamanho de poro

Uma vantagem fundamental da porosimetria de intrusão de mercúrio é sua faixa de medição excepcionalmente ampla: a porosimetria de mercúrio pode caracterizar poros de cerca de 1100µm até cerca de 0,003 µm (3 nm).

Muitos materiais exibem porosidade hierárquica, onde grandes poros de transporte coexistem com poros menores. Poucas técnicas podem abranger várias ordens de magnitude, então os pesquisadores geralmente precisam de múltiplos instrumentos para cobrir a faixa completa.

Com a porosimetria de mercúrio, todos os tipos de poros podem ser caracterizados em um único teste.

2. Resultados quantitativos e de alta resolução

A porosimetria de intrusão de mercúrio vincula diretamente a pressão aplicada ao diâmetro do poro através da equação de Washburn. A partir de uma única medição, pode fornecer:

• Distribuição de tamanho de poro
• Volume cumulativo de poro
• Porosidade
• Densidade a granel e esquelética
• Análise de diâmetros médios de poro e da garganta dos poros
• Histerese de intrusão/extrusão

Essa amplitude de informações quantitativas torna a porosimetria de mercúrio valiosa tanto para QC de rotina quanto para pesquisas avançadas.

3. Velocidade e eficiência superiores

Técnicas como adsorção de gás muitas vezes precisam de longos tempos de equilíbrio ou instrumentos separados para cobrir diferentes faixas de poro. A porosimetria de mercúrio oferece análise de tamanho de poro de faixa completa com rapidez.

Sistemas automatizados modernos como o AutoPore V podem completar um ciclo completo em meras horas, proporcionando respostas rápidas para fluxos de trabalho industriais e programas de P&D sensíveis ao tempo.

O mecanismo orientado por pressão desse método também permite que o instrumento se mova rapidamente através do espectro de tamanhos de poros, reduzindo gargalos e apoiando fluxos de trabalho de alta produtividade.

4. Aplicabilidade a uma ampla gama de materiais

Porque a porosimetria de intrusão de mercúrio depende de intrusão orientada por pressão em vez de adsorção, evaporação ou fluxo capilar de fluidos molhantes, ela pode ser aplicada a quase qualquer sólido com poros acessíveis, incluindo:

• Eletrodos de bateria e materiais de separadores
• Cerâmicas
• Catalisadores e suportes
• Concreto, cimento e materiais de construção
• Polímeros e membranas
• Meios de filtração e separação
• Amostras geológicas e de solo

Essa versatilidade torna a porosimetria de mercúrio uma ferramenta universal para materiais com porosidade estrutural ou crítica de transporte.

5. Complementar a outras técnicas de porosidade

A porosimetria de intrusão de mercúrio não substitui a adsorção de gás ou a porometria de fluxo capilar – em vez disso, ela as complementa.

Embora a porosimetria de mercúrio seja excelente na análise de macroporos e grandes mesoporos, a adsorção de gás fornece maior sensibilidade para microporos e pequenos mesoporos, e a porometria de fluxo capilar oferece informações diretas sobre a garganta dos poros e poros através.

A combinação desses métodos resulta em uma compreensão mais completa de redes de poros hierárquicas, ajudando os pesquisadores a projetar melhores catalisadores, a otimizar a porosidade dos eletrodos, a elaborar cerâmicas mais resistentes e a desenvolver filtros mais eficientes, entre outras aplicações.

6. Preparação de amostra mais simples

Ao contrário da adsorção de gás, que exige longas degaseificações a altas temperaturas, e da FTC, que geralmente demanda umedecimento e secagem cuidadosos, a porosimetria de intrusão de mercúrio normalmente requer preparação mínima da amostra além da secagem e colocação em um penetrômetro.

Isso reduz a carga de trabalho do operador, o tempo de análise e o risco de danos à amostra.

7. Compatibilidade com tamanho de amostra grande

Por fim, a porosimetria de mercúrio pode acomodar volumes de amostra relativamente grandes (dependendo do tamanho do penetrômetro).

Isso resulta em resultados mais estatisticamente representativos que representam variabilidade do mundo real do que técnicas que dependem de pequenas quantidades de pó. Isso é particularmente útil para materiais heterogêneos, como concreto, pellets de catalisadores ou eletrodos de bateria.

Porosimetria de mercúrio vs. adsorção de gás BET: Qual devo usar?

Uma alternativa comum à porosimetria de mercúrio é a adsorção de gás, que mede a área de superfície usando o método de Brunauer–Emmett–Teller (BET), bem como o volume de poros e a distribuição de tamanho de poros de mesoporos e microporos usando métodos como Barrett-Joyner-Halenda (BJH) e teoria do funcional de densidade (DFT).

A adsorção de gás é o padrão da indústria para quantificar a área de superfície exposta e a distribuição de tamanho de poros em escala molecular, especialmente quando se trata de materiais microporosos e mesoporosos.

No entanto, a porosimetria de intrusão de mercúrio oferece várias vantagens cruciais sobre a adsorção de gás para a análise de materiais porosos do mundo real, como catalisadores e componentes de bateria:

• Primeiro, a porosimetria de mercúrio mede uma faixa de tamanho de poro muito mais ampla do que a adsorção de gás, de mesoporos a macroporos, colocando-a além da faixa de poros acessível pela adsorção de gás.
• Além disso, como a porosimetria de mercúrio detecta pressão de entrada na garganta do poro, ela revela recursos estruturais que a adsorção de gás não pode, incluindo permeabilidade e tortuosidade.
• Por fim, a porosimetria de mercúrio fornece medições diretas de porosidade, volume de poro e densidade e pode analisar amostras maiores ou irregulares sem moagem ou desgasificação extensa.

A adsorção de gás ainda é excelente na área de superfície em escala molecular e na análise de microporosidade e, portanto, deve ser a abordagem preferida para muitos materiais, como pós altamente porosos.

No entanto, se o seu material exibe uma ampla distribuição de tamanhos de poro, ou se você precisa de mais informações sobre a arquitetura dos poros, tamanho da garganta ou porosidade a granel, a porosimetria de mercúrio é a técnica mais informativa para seu fluxo de trabalho.

Para obter o insight mais abrangente, combinar insights de seus testes de porosimetria de intrusão de mercúrio com adsorção de gás pode fornecer uma imagem mais completa.

O AutoPore da Micromeritics: Um porosímetro de intrusão de mercúrio moderno

O AutoPore da Micromeritics é um porosímetro de intrusão de mercúrio de última geração projetado para fornecer análise de estrutura de poro rápida, precisa e confiável em uma ampla faixa de medições.

Um dos sistemas mais amplamente adotados pela indústria, ele combina capacidade de alta pressão, controle fino de pressão, engenharia de segurança robusta e software avançado para visualização e relatório de dados, apoiando tanto fluxos de trabalho de QC de alta produtividade quanto P&D avançado de materiais.

Quais são as aplicações-chave para a porosimetria de mercúrio?

O AutoPore V é amplamente utilizado em indústrias onde a estrutura de poros afeta diretamente o desempenho, durabilidade ou eficiência. As principais áreas de aplicação incluem:

• Farmacêuticos
  A porosidade impacta a liberação, a estabilidade e a fabricabilidade do medicamento.
• Catalisadores
  A atividade catalítica depende fortemente da área de superfície ativa e da estrutura de poros do catalisador.
• Cerâmicas
  Para materiais usados em filtração, isolamento, membranas e cerâmicas estruturais, a porosimetria de intrusão de mercúrio quantifica a área de poros e a porosidade, que afetam a resistência, a textura, a aparência e a densidade.
• Adsorventes
  O conhecimento da área de poros, do volume total de poros e da distribuição de tamanhos de poros é importante para o controle de qualidade de adsorventes industriais e processos de separação, pois a seletividade de um adsorvente depende das características de porosidade e da área de superfície.
• Aeroespacial
  O peso e a função de escudos térmicos e materiais isolantes dependem da área de superfície e da porosidade.
• Eletrodos de bateria e célula a combustível
  Aumentar a densidade de potência em eletrodos de células a combustível e íons de lítio e separadores exige porosidade controlada com alta área de superfície.
• Geociências
  Na hidrologia subterrânea e na exploração de petróleo, a porosidade indica quanto fluido uma estrutura pode conter e quão fácil será extraí-la.
• Meio de filtração e separação
  Medir o tamanho dos poros, o volume dos poros, a forma dos poros e a tortuosidade dos poros é crucial na fabricação de filtros, com o tamanho dos poros em particular correlacionando fortemente com o desempenho de filtração.
• Materiais de construção
  A distribuição do tamanho dos poros desempenha um papel importante na permeabilidade, na durabilidade de congelamento-descongelamento, na resistência à corrosão e no comportamento mecânico a longo prazo do concreto, cimento e outros materiais de construção.
• Papel
  A porosidade do revestimento de mídia de impressão impacta o estouramento, a receptividade à tinta e a retenção de tinta, crucial para impressão offset.

Os benefícios da porosimetria de mercúrio: Tabela de resumo

Então, quais são os benefícios gerais da porosimetria de intrusão de mercúrio e como o AutoPore V leva-os ao próximo nível? Aqui está um resumo.

Avance o seu entendimento sobre poros com análise de porosimetria de mercúrio de primeira linha

Fornecendo insights quantitativos e de alta resolução sobre tamanho de poro, volume, densidade e conectividade, a porosimetria de mercúrio é uma técnica indispensável em ciência dos materiais, farmacêuticos, armazenamento de energia e construção.

Tecnologias como o AutoPore avançam essa capacidade com controle de pressão de precisão, automação e conformidade com padrões da indústria.

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Para ver o AutoPore em ação, explore estudos de caso e notas aplicativas relacionadas em nosso centro de conhecimento.