Porosimetría de mercurio: Principios, aplicaciones y cómo AutoPore cumple

Comprender la estructura de poros de un material es esencial para predecir su comportamiento, desde afinar las tasas de liberación de medicamentos en productos farmacéuticos hasta optimizar el transporte de iones en baterías.

Uno de los métodos más eficaces para esto es la porosimetría por intrusión de mercurio, que utiliza presión para forzar la entrada de mercurio en los poros de un material, generando valiosos datos de distribución de tamaño de poro, volumen de poro y porosidad.

Sin embargo, la porosimetría de mercurio presenta varios desafíos operativos. Protocolos de seguridad estrictos, la posibilidad de compresión o daño de la muestra y suposiciones incorrectas sobre la geometría de los poros pueden afectar su análisis.

Necesita la instrumentación adecuada y el enfoque analítico correcto para obtener resultados confiables de I+D y de control de calidad.

En este blog, describiremos los principios clave de la porosimetría de mercurio para ayudarle a elevar sus flujos de trabajo de caracterización de poros. También mostraremos cómo el porosímetro de mercurio de Micromeritics ofrece velocidad, seguridad y precisión de estándar oro en una amplia gama de medición.

¿Qué es la porosimetría de mercurio?

La porosimetría por intrusión de mercurio, a menudo abreviada como MIP, es una técnica de porosimetría poderosa y versátil que analiza la arquitectura de los poros de materiales sólidos aplicando presión para forzar la entrada de mercurio en sus poros.

Este método le permite caracterizar sus materiales:

• Distribución de tamaño de poro
• Diámetro medio de poro
• Volumen total de poro
• Densidades de la muestra (tanto a granel como esqueléticas)
• Área de superficie total de los poros

Estas propiedades de los poros indican la arquitectura general de los poros de un material, lo que le da una idea de sus propiedades potenciales, desde el flujo de fluido y la conductividad térmica hasta la resistencia mecánica y el transporte iónico.

¿Cuál es el rango de medición de la porosimetría por intrusión de mercurio?

Un porosímetro de mercurio típico mide el tamaño de los poros desde aproximadamente 3 nm hasta 1100 µm.

El límite superior de medición está generalmente determinado por la capacidad de presión del instrumento, y si la presión no es lo suficientemente fuerte, el porosímetro de mercurio puede no ser capaz de llenar mesoporos más pequeños y devolver datos precisos.

El AutoPore de Micromeritics ofrece un rango de medición desde 3 nm hasta 1100 µm, proporcionando a los operadores conocimientos profundos sobre materiales microporosos y mesoporosos. Esto es especialmente importante al caracterizar materiales como separadores de baterías de ion-litio, donde el transporte y el flujo a través de grandes macroporos determinan las propiedades del material.

¿Cómo funciona el proceso de porosimetría de mercurio?

La porosimetría por intrusión de mercurio funciona forzando mercurio líquido no humectante en los poros de un material bajo presión controlada. A las presiones más bajas, los poros más grandes se llenarán primero, seguidos por los más pequeños a medida que aumenta la presión.

Aumentando gradualmente la presión y midiendo el volumen de mercurio intruido en cada paso, esta técnica permite el cálculo del volumen total de poro, distribución de tamaño de poro y porosidad.

Ya que el mercurio no entra naturalmente en los poros sin presión aplicada, la cantidad de presión requerida por el porosímetro de mercurio para forzarlo a los poros es inversamente proporcional al tamaño de los poros, y por tanto puede calcularse usando la ecuación de Washburn:

Pd = –4𝑦cos⁡θ

En esta ecuación:

• d es el diámetro de un poro
• P es la presión aplicada
• γ es la tensión superficial del mercurio (normalmente 485 dinas/cm bajo condiciones controladas)
• θ es el ángulo de contacto entre el mercurio y la muestra (generalmente se asume que es de 130° para la mayoría de los sólidos)

Instrumentos modernos como el AutoPore V mejoran la precisión de este cálculo mediante el control preciso de las rampas de presión, midiendo el volumen de intrusión con alta resolución y compensando factores como la densidad del mercurio dependiente de la temperatura.

¿Cuáles son los pasos de una prueba de porosimetría de mercurio?

Al realizar pruebas en un porosímetro de intrusión de mercurio, sus operadores pasarán por seis pasos clave.

1. Preparación de la muestra

La muestra se seca, eliminando la humedad y los volátiles para evitar interferencias en la medición.

Se selecciona y dimensiona el penetrómetro (un recipiente de vidrio o metal) para la muestra. Muchos instrumentos como el AutoPore V ofrecen una variedad de tamaños de penetrómetro para optimizar para el tamaño y forma de la muestra.

El sellado cuidadoso y la calibración del penetrómetro son cruciales, ya que fugas, aire atrapado o volúmenes de tallo incorrectos degradarán la precisión.

2. Llenado de mercurio

El penetrómetro se evacua para eliminar el aire atrapado, lo que significa que la presión corresponde solo al llenado de poros y no a la compresión de gas atrapado.

El mercurio se introduce bajo vacío en el penetrómetro.

3. Intrusión a baja presión

La muestra se somete primero a bajas presiones neumáticas de 0.2–50 psia para infiltrar macroporos más grandes (~900–3.6 µm).

Se aumenta la presión y se registra el volumen de mercurio intruido. El porosímetro traduce los cambios de volumen en volumen de poro.

4. Intrusión a alta presión

Para llenar poros más pequeños (mesoporos y macroporos pequeños), se aplica una presión mucho mayor; el AutoPore V soporta modelos clasificados hasta 33,000 psia y 60,000 psia.

Durante todo el proceso, se necesita un control muy fino sobre la presión y el volumen para resolver poros pequeños con precisión.

La compensación de efectos como la compresión del material y los cambios de densidad del mercurio con la temperatura es crítica.

5. Extrusión

Después de alcanzar la presión máxima, se reduce la presión y el mercurio puede extruirse de los poros.

Sin embargo, debido a la histeresis del ángulo de contacto y los poros de «botella de tinta», algo de mercurio puede quedar atrapado.

La diferencia en el volumen de mercurio entre la intrusión y la extrusión puede proporcionar información sobre la forma del poro, la relación cuello-cuerpo, la conectividad y los efectos de histeresis.

6. Análisis de datos y cálculo del tamaño de poro

El instrumento utiliza los datos de presión-volumen y la ecuación de Washburn para calcular diámetros de poros, distribuciones de volumen de poro frente a tamaño de poro, volumen de poro acumulado, diámetro medio del poro, área de superficie del poro, porosidad, y densidades a granel y esqueléticas.

También pueden calcularse métricas adicionales como la tortuosidad, la permeabilidad, el volumen atrapado, la dimensión fractal o las relaciones de tamaño cuello-cavidad.

¿Por qué importan la eficiencia y la precisión en el flujo de trabajo de la porosimetría por intrusión de mercurio?

Cada etapa de una prueba de porosimetría de mercurio depende de un control preciso de la presión, una medición precisa del volumen y un manejo estable y sin contaminación de la muestra y el mercurio.

Pequeñas ineficiencias, como una evacuación incompleta, un pobre sellado del penetrómetro, o un escalonamiento de presión inexacto y un tiempo de equilibrado insuficiente, pueden resultar en grandes errores en el cálculo de la arquitectura de poro.

Los instrumentos de porosimetría por intrusión de mercurio modernos emplean automatización, diagnósticos y correcciones inteligentes para mantener la precisión y la velocidad.

Por ejemplo, el porosímetro de mercurio de Micromeritics, el AutoPore V, utiliza:

• Configuración guiada del método para minimizar el error del operador, asegurando parámetros de prueba consistentes, una selección adecuada del penetrómetro y una configuración correcta para el rango de tamaño de poro objetivo.
• Resolución de presión fina para prevenir la clasificación errónea de tamaños de poros, permitiendo datos precisos de intrusión y extrusión, incluso en materiales con distribuciones de poro estrechas o complejas.
• Evacuación y llenado automáticos para eliminar inconsistencias causadas por manipulación manual, mejorando la repetibilidad y reduciendo errores por desgasificación incompleta o tasas de llenado variables.
• Compensación en tiempo real para compresión de mercurio y muestra para evitar distorsiones de los cálculos de volumen de poro, asegurando que las estructuras de poros verdaderas se midan incluso bajo condiciones de alta presión.

Donde la caracterización de macro-/mesoporos afecta directamente el rendimiento de catalizadores, la fiabilidad de cerámicas, el diseño de electrodos de baterías y las propiedades de filtración, estas eficiencias tecnológicas se traducen en conocimientos más confiables, un mayor rendimiento y una mayor confianza en las decisiones de materiales.

7 ventajas de usar la porosimetría por intrusión de mercurio

Con muchas opciones de caracterización de porosidad disponibles, ¿por qué debería optar por la porosimetría de mercurio sobre otros métodos?

1. Amplio rango de medición de tamaño de poro

Una ventaja clave de la porosimetría por intrusión de mercurio es su excepcionalmente amplio rango de medición: La porosimetría de mercurio puede caracterizar poros de aproximadamente 1100 µm hasta alrededor de 0.003 µm (3 nm).

Muchos materiales exhiben porosidad jerárquica, donde grandes poros de transporte coexisten con poros más pequeños. Pocas técnicas pueden abarcar múltiples órdenes de magnitud, por lo que los investigadores a menudo necesitan múltiples instrumentos para cubrir el rango completo.

Con la porosimetría de mercurio, todos los tipos de poro pueden caracterizarse en una sola prueba.

2. Resultados cuantitativos y de alta resolución

La porosimetría por intrusión de mercurio vincula directamente la presión aplicada con el diámetro del poro a través de la ecuación de Washburn. A partir de una sola medición, puede proporcionar:

• Distribución de tamaño de poro
• Volumen de poro acumulado
• Porosidad
• Densidad a granel y esquelética
• Diámetros medios de poro y análisis del cuello del poro
• Histeresis de intrusión/extrusión

Esta amplitud de información cuantitativa hace que la porosimetría de mercurio sea valiosa tanto para el QC rutinario como para la investigación avanzada.

3. Velocidad y eficiencia superiores

Técnicas como la adsorción de gas a menudo requieren largos tiempos de equilibrio o instrumentos separados para cubrir diferentes rangos de poro. La porosimetría de mercurio proporciona un análisis de tamaño de poro de rango completo a ritmo.

Sistemas automáticos modernos como el AutoPore V pueden completar un ciclo completo en pocas horas, proporcionando un tiempo de respuesta rápido para los flujos de trabajo industriales y programas de I+D sensibles al tiempo.

El mecanismo accionado por presión de este método también permite que el instrumento se mueva rápidamente a través del espectro de tamaño de poro, reduciendo cuellos de botella y apoyando flujos de trabajo de alto rendimiento.

4. Aplicabilidad a una amplia gama de materiales

Debido a que la porosimetría de mercurio se basa en la intrusión impulsada por presión en lugar de la adsorción, evaporación o flujo capilar de fluidos humectantes, puede aplicarse a casi cualquier sólido con poros accesibles, incluidos:

• Electrodos de batería y materiales de separación
• Cerámicas
• Catalizadores y soportes
• Concreto, cemento y materiales de construcción
• Polímeros y membranas
• Medios de filtración y separación
• Muestras geológicas y de suelo

Esta versatilidad convierte a la porosimetría de mercurio en una herramienta universal para materiales con porosidad crítica estructural o de transporte.

5. Complementaria a otras técnicas de porosidad

La porosimetría de mercurio no reemplaza la adsorción de gas ni la porometría de flujo capilar – en su lugar, las complementa.

Mientras que la porosimetría de mercurio sobresale en el análisis de macroporos y mesoporos grandes, la adsorción de gas proporciona mayor sensibilidad para microporos y mesoporos pequeños, y la porometría de flujo capilar ofrece información directa sobre el cuello del poro y los poros a través.

La combinación de estos métodos rinde una comprensión más completa de las redes de poros jerárquicas, ayudando a los investigadores a diseñar mejores catalizadores, optimizar la porosidad de los electrodos, diseñar cerámicas más fuertes, y desarrollar filtros más eficientes, entre otras aplicaciones.

6. Preparación de muestra más sencilla

A diferencia de la adsorción de gas, que requiere larga desgasificación a alta temperatura, y la CFP, que a menudo demanda un humedecimiento y secado cuidadoso, la porosimetría de mercurio normalmente requiere una preparación mínima de muestra más allá del secado y la colocación en un penetrómetro.

Esto reduce la carga de trabajo del operario, el tiempo de análisis y el riesgo de daño a la muestra.

7. Compatibilidad con tamaños de muestra grandes

Finalmente, la porosimetría de mercurio puede acomodar volúmenes de muestra relativamente grandes (dependiendo del tamaño del penetrómetro).

Esto proporciona resultados más estadísticamente representativos que representan la variabilidad del mundo real que las técnicas que dependen de pequeñas cantidades de polvo. Esto es particularmente útil para materiales heterogéneos como concreto, esferas de catalizador o electrodos de batería.

Porosimetría de mercurio vs. adsorción de gas BET: ¿Cuál debo usar?

Una alternativa común a la porosimetría de mercurio es la adsorción de gas, que mide el área de superficie utilizando el método Brunauer-Emmett-Teller (BET), así como el volumen de poro y la distribución de tamaños de poro de mesoporos y microporos utilizando métodos como Barrett-Joyner-Halenda (BJH) y teoría de funcionales de densidad (DFT).

La adsorción de gas es el estándar de la industria para cuantificar el área de superficie expuesta y la distribución de tamaño de poro a escala molecular, particularmente al tratar con materiales microporosos y mesoporosos.

Sin embargo, la porosimetría de mercurio tiene varias ventajas cruciales sobre la adsorción de gas para el análisis de materiales porosos del mundo real, como catalizadores y componentes de baterías:

• En primer lugar, la porosimetría de mercurio mide un rango de tamaño de poro mucho más amplio que la adsorción de gas, desde mesoporos hasta macroporos, poniéndolo más allá del rango de tamaño de poro accesible a través de la adsorción de gas.
• Además, debido a que la porosimetría de mercurio detecta la presión de entrada del cuello del poro, revela características estructurales que la adsorción de gas no puede, incluyendo la permeabilidad y la tortuosidad.
• Finalmente, la porosimetría de mercurio proporciona mediciones directas de porosidad, volumen de poro y densidad, y puede analizar muestras más grandes o irregulares sin moler o desgasificación extensa.

La adsorción de gas sigue destacando en el análisis de área de superficie a escala molecular y microporosidad y, por lo tanto, debería ser la opción preferida para muchos materiales, como polvos altamente porosos.

Sin embargo, si su material exhibe una amplia distribución de tamaños de poro, o si necesita más información sobre la arquitectura de poros, tamaño del cuello o porosidad a granel, la porosimetría de mercurio es la técnica más informativa para su flujo de trabajo.

Para obtener el conocimiento más completo, combinar las percepciones de sus pruebas de porosimetría por intrusión de mercurio con la adsorción de gas puede darle una visión más completa.

El AutoPore de Micromeritics: Un porosímetro de intrusión de mercurio moderno

El AutoPore de Micromeritics es un porosímetro de intrusión de mercurio de última generación diseñado para ofrecer un análisis de la estructura del poro rápido, preciso y confiable en un amplio rango de medición.

Uno de los sistemas más ampliamente adoptados de la industria, combina capacidad de alta presión, control preciso de presión, ingeniería robusta de seguridad y software avanzado para una visualización y reporte de datos sin fisuras, apoyando tanto los flujos de trabajo de QC de alto rendimiento como la I+D avanzada en materiales.

¿Cuáles son las aplicaciones clave para la porosimetría de mercurio?

El AutoPore V es ampliamente utilizado en industrias donde la estructura de los poros afecta directamente el rendimiento, la durabilidad o la eficiencia. Las áreas clave de aplicación incluyen:

• Farmacéutica
  La porosidad impacta la liberación del fármaco, la estabilidad y la fabricabilidad.
• Catalizadores
  La actividad catalítica depende en gran medida del área de superficie activa y la estructura de los poros del catalizador.
• Cerámicas
  Para materiales usados en filtración, aislamiento, membranas, y cerámicas estructurales, la porosimetría por intrusión de mercurio cuantifica el área de poros y la porosidad, lo que impacta la resistencia, la textura, la apariencia y la densidad.
• Adsorbentes
  El conocimiento del área de poro, el volumen total de poro y la distribución de tamaños de poro es importante para el control de calidad de los adsorbentes industriales y los procesos de separación, ya que la selectividad de un adsorbente depende de las características de porosidad y área de superficie.
• Aeroespacial
  El peso y la función de los escudos térmicos y materiales de aislamiento dependen del área de superficie y la porosidad.
• Electrodos de batería y celdas de combustible
  Incrementar la densidad de potencia en pilas de combustible y electrodos de ion de litio y separadores requiere porosidad controlada con alta área de superficie.
• Geociencia
  En hidrología Subterránea y exploración de petróleo, la porosidad indica cuánto fluido puede contener una estructura y cuán fácil será extraerlo.
• Medios de filtración y separación
  Medir el tamaño del poro, volumen del poro, forma del poro y tortuosidad del poro es crucial en la fabricación de filtros, con el tamaño del poro en particular correlacionando fuertemente con el rendimiento de la filtración.
• Materiales de construcción
  La distribución de tamaños de poro juega un papel importante en la permeabilidad, durabilidad frente a congelación-descongelación, resistencia a la corrosión, y comportamiento mecánico a largo plazo de el concreto, cemento y otros materiales de construcción.
• Papel
  La porosidad del recubrimiento de medios de impresión impacta el ampolla, la receptividad de tinta y retención de la tinta, críticos para la impresión offset.

Los beneficios de la porosimetría de mercurio: Tabla de resumen

Entonces, ¿cuáles son los beneficios generales de la porosimetría por intrusión de mercurio, y cómo el AutoPore V los lleva al siguiente nivel? Aquí tienes un resumen.

Beneficio de la porosimetría por intrusión de mercurio	Cómo AutoPore lleva esto un paso más allá
Amplio rango de tamaño de poro	• Mide poros desde 1100 µm hasta 0.003 µm (3 nm), permitiendo la caracterización continua de macroporos a mesoporos en una sola corrida • Modelos de alta presión (hasta 33,000 psia y 60,000 psia) resuelven incluso los cuellos de poros más pequeños con precisión
Resultados cuantitativos	• Medición de presión y volumen de alta resolución • Correcciones automáticas para la densidad del mercurio, compresibilidad y deformación de la muestra • Salidas incluyen distribución de tamaño de poro, porosidad, volumen de poro acumulado, detalle de cuello de poro, densidad a granel y esquelética, todo en un instrumento
Velocidad y eficiencia	• Evacuación automática, llenado, control de presión y análisis de datos permiten un ciclo completo de intrusión-extrusión en horas • Modos de escaneo o equilibrio permiten a los usuarios elegir entre un cribado rápido y un análisis de alta precisión • Múltiples puertos de presión aumentan el rendimiento de muestra
Amplia aplicabilidad	• Compatible con polvos, pellets, monolitos, espumas, cerámicas frágiles, fragmentos de concreto, electrodos de batería y más • Múltiples tamaños y geometrías de penetrómetros aseguran un ajuste óptimo para materiales diversos • Cumplimiento con ASTM D4284, ASTM D4404 y ISO 15901-1 aseguran aceptación en la industria
Datos complementarios	• El software MicroActive permite superposiciones con datos de adsorción de gas, integración con otras técnicas de porosimetría, modificación interactiva de datos, y análisis avanzado (por ejemplo, relaciones cuello-cavidad, dimensión fractal) • Apoya la interpretación cohesiva de la estructura del poro con múltiples técnicas

Avance su comprensión de poros con el análisis de porosimetría de mercurio mejor de su clase

Proporcionando perspectivas cuantitativas de alta resolución sobre el tamaño de poro, volumen, densidad y conectividad, la porosimetría de mercurio es una técnica indispensable en toda la ciencia de materiales, farmacéutica, almacenamiento de energía, y construcción.

Tecnologías como el AutoPore avanzan esta capacidad con control de presión de precisión, automatización y cumplimiento de estándares de la industria.

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