Tabla 1. Especificaciones del Tensiómetro DCAT 11EC 5

Transcripción

1 Obtención y aplicaciones de la tensión superficial e interfacial de líquidos mediante el tensiómetro DCAT 11EC en el Laboratorio Nacional de Nanotecnología LANOTEC- CENAT-CONARE Marilyn Porras Gómez mporras@cenat.ac.cr Se sabe que la tensión es una fuerza por unidad de longitud de línea de contacto trifásico. La tensión superfacial e interfacial y la energía interfacial, determinan las propiedades de humectación de las superficies. Para medir estos parámetros se emplea el tensiómetro. Las tensiones estáticas se encuentran muy cerca del equilibrio termodinámico. Para determinarlo, mediante este instrumento, se establece el contacto entre un anillo (método de Du Noüy) o una placa (método de Wilhelmy) y la superficie del líquido; y se mide la fuerza resultante. Esta fuerza es una medida de la tensión superficial/interfacial. El laboratorio Nacional de Nanotecnología (LANOTEC) - gracias a los Fondos FEES-adquirió en el mes de abril del año 2011 el tensiómetro DCAT 11EC, marca alemana DataPhysics con el que se obtienen valores de ángulo de contacto, tensión superficial e interfacial, la tasa de formación de micelas, la absorción de un sólido poroso, además de resistencia a la penetración. Es un instrumento de alta precisión que posee un sistema de compensación de pesaje dinámico, con calibración automática. En la Tabla 1 se brindan las especificaciones del instrumento. Trabaja con el software SCAT (Figura 1), desarrollado por Windows XP /Vista, que se caracteriza por su sencillez y fácil manipulación. El software grafica en el eje Y la tensión resultante (mn/m) contra el tiempo (s). Y brinda un resultado promedio de varias mediciones con una incertidumbre de tres decimales.

2 Tabla 1. Especificaciones del Tensiómetro DCAT 11EC 5 Figura 1. Software SCAT 5

3 El tensiómetro utiliza varios dispositivos basados en el mismo principio, de los cuales los más usados son la placa de Whilhelmy y el anillo de Du Noüy. En el método de Whilhelmy, se utiliza una placa de geometría rectangular perfectamente conocida, suspendida verticalmente a una balanza de precisión. El lado inferior de la placa se pone en contacto horizontal con la superficie del líquido para que se moje. Luego se ejerce una fuerza vertical sobre la placa para levantarla. La placa se levanta poco a poco, y de cada lado se forma una interfase curva; se levanta la placa hasta que se produzca el arranque, según la Figura 2. Usualmente la placa es de platino levemente rugoso, de tal forma que el ángulo de contacto sea lo más pequeño posible, y se pueda suponer igual a cero. La placa mide típicamente 29,9 mm de largo y 0,1 mm de espesor, en cuyo caso el perímetro completo es de 60 mm. La balanza es en general una balanza de torsión que el usuario manipula con una palanca. En ciertos modelos (automáticos) es un motor que asegura el levantamiento, y un sistema registrador monitorea la fuerza. Este aparato permite también evaluar el ángulo de contacto entre un líquido y un material sólido. Basta medir primero la tensión superficial con una placa de platino (θ = 0), y luego medirla con una placa hecha del material a evaluar. La relación entre las dos fuerzas medidas es coseno del ángulo θ. La placa de Whilhelmy del tensiómetro es muy versátil, en particular para medir tensiones superficiales de soluciones acuosas, en el rango de 70 dina/cm (agua pura) a 30 dina/cm (soluciones de detergentes); permite obtener fácilmente una reproducibilidad del orden de 2%, lo que es suficiente para determinar la concentración micelar crítica de una solución de surfactante. Figura 2. Placa de wilhelmy 3

4 En el método de Du Noüy, se reemplaza la placa rectangular suspendida verticalmente por un anillo tórico suspendido horizontalmente, en forma perfectamente paralela con la superficie o interfase. Como se observa en la Figura 3, el anillo tiene un radio R y está hecho con un alambre de radio r, resultando en un perímetro total de L=4πR. Nótese que este perímetro es una aproximación, ya que no toma en cuenta la posición exacta de la línea de contacto trifásico respecto al anillo. En todo caso es válido si r << R. Para medir la tensión superficial, se procede como en el caso del método de la placa; primero se moja el anillo y luego se procede a levantarlo hasta el arranque. A pesar de la mayor complejidad, el método del anillo de Du Noüy posee una resolución tres veces mayor y es el método preferido en comparación con el de la placa de Wilhelmy. Las razones de ello son la limpieza más sencilla del cuerpo de medición, así como la resolución y precisión más altas. Tales métodos se aplican por tanto, al caso en que hay tres fases: un fluido (gas o líquido), un líquido, y un sólido. La tensión superficial o interfacial entre los dos fluidos se mide como una fuerza aplicada sobre una cierta longitud de la línea de contacto trifásico. Figura 3. Geometría del anillo de Du Noüy 3 Entre las aplicaciones más importantes del instrumento se destaca la determinación de los valores de la concentración micelar crítica (CMC), es decir, la mínima concentración de tensoactivo a la que se inicia la formación de agregados micelares en un medio determinado (Ribosa et al. 2007). Desde el punto de vista termodinámico, la micelación es un proceso de asociación; es el resultado de la unión, a través de enlaces físicos de varias moléculas para formar una partícula de mayor peso molecular. Esta puede producirse por medio de tensoactivos o co-polímeros (Katime et al. 2003).

5 Los surfactantes, también conocidos como agentes tensoactivos o detergentes, son moléculas que poseen características hidrofóbicas e hidrofílicas dentro de la misma estructura. Estas características peculiares hacen posible que al aumentar la concentración, las moléculas se agreguen en determinadas formas para obtener un mínimo de energía libre en el sistema. Este proceso es espontáneo y los agregados macromoleculares que se forman se denominan en general micelas (Miyahara et al. 2006). Existe en algunos casos, una concentración en la cual determinadas propiedades físicas del sistema, como la tensión superficial, la intensidad de la luz dispersada o la variación de la presión osmótica, sufren un cambio brusco. Es posible visualizar este cambio en una gráfica generada mediante el tensiómetro, que corresponde a la concentración crítica micelar, y es la concentración a la cual las micelas pueden ser detectadas experimentalmente por la técnica empleada para su estudio (Katime et al. 2003). El estudio de la CMC en medios específicos tiene variedad de aplicaciones, por ejemplo el desarrollo de sensores fluorescentes basados en sistemas micelares, el estudio de la interacción proteínas-sistemas micelares, termodinámica y organización del proceso de formación de nanopelículas poliméricas en presencia de surfactantes, entre otras. Por tanto, la adquisición de este tipo de instrumentación avanzada en Costa Rica, provee a la comunidad científica e industrial, herramientas novedosas que permitan la investigación y desarrollo de proyectos para el mejoramiento de los materiales y nuevas soluciones. Referencias bibliográficas 1. I. Katime, J. Quintana y M. Villacampa Micelas. Revista Iberoamericana de Polímeros. Volumen 4(2), Abril de I. Ribosa, J. Sánchez, A. Marsal y M. García Correlación entre la toxicidad acuática de los dodecanoles etoxilados y sus propiedades interfaciales. Afinidad: Revista de química teórica y aplicada. Tomo LXIV. Nº 528. Marzo- Abril ISSN J. Salager y R. Anton Métodos de medición de la Tensión Superficial o Interfacial. Universidad de los Andes. Facultad de Ing. química. FIRP S205-B Modulo de enseñanza en fenómenos interfaciales en español. Mérida-Venezuela (2005) 4. R. Miyahara, K. Watanabe, T. Ohmori y Y. Nakama Development of Novel Multifunctional Cosmetic Raw Materials and Their applications. Effect of Random Copolymer of Polyoxyethylene/ polyoxypropylene on Self-organizing Structures and Nonionic Surfactants. JOURNAL OF OLEO SCIENCIE. Copyright 2006 by Japan Oil Chemists' Society. J. Oleo Sci., Vol. 55, No. 9, (2006) Tensiómetro para medición de ángulos de contacto dinámico. DAT