Penetración

En física e ingeniería , la permeación (también llamada impregnación ) es la penetración de un permeado (un fluido como un líquido , gas o vapor ) a través de un sólido. Está directamente relacionada con el gradiente de concentración del permeado, la permeabilidad intrínseca del material y la difusividad de masa del material . ^{[ 1 ]} La permeación se modela mediante ecuaciones como las leyes de difusión de Fick y se puede medir utilizando herramientas como un minipermeámetro .

El proceso de permeación implica la difusión de moléculas, denominadas permeante, a través de una membrana o interfaz. La permeación se produce por difusión; el permeante se desplaza de una zona de alta concentración a una de baja concentración a través de la interfaz. Un material puede ser semipermeable, en presencia de una membrana semipermeable . Solo las moléculas o iones con ciertas propiedades podrán difundirse a través de dicha membrana. Este es un mecanismo muy importante en biología, donde los fluidos dentro de un vaso sanguíneo deben ser regulados y controlados. La permeación puede ocurrir a través de la mayoría de los materiales, incluidos metales, cerámicas y polímeros. Sin embargo, la permeabilidad de los metales es mucho menor que la de las cerámicas y los polímeros debido a su estructura cristalina y porosidad.

La permeación es un aspecto que debe considerarse cuidadosamente en muchas aplicaciones de polímeros, debido a su alta permeabilidad. La permeabilidad depende de la temperatura de interacción, así como de las características tanto del polímero como del componente permeante. Mediante el proceso de sorción , las moléculas del permeante pueden ser absorbidas o desorbidas en la interfaz. La permeación de un material puede medirse mediante diversos métodos que cuantifican la permeabilidad de una sustancia a través de un material específico.

La permeabilidad debida a la difusión se mide en unidades del SI de mol/(m·s·Pa), aunque también se suelen utilizar barreras. La permeabilidad debida a la difusión no debe confundirse con la permeabilidad (en ciencias de la tierra) debida al flujo de fluidos en sólidos porosos, que se mide en Darcy. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

• Permeable: Sustancia o especie, ión, moléculas que permean a través del sólido.
• Semipermeabilidad: Propiedad de un material de ser permeable solo a algunas sustancias y no a otras.
• Medición de la permeación: Método para cuantificar la permeabilidad de un material a una sustancia específica.

• Envases : La permeabilidad del envase (materiales, sellos, cierres, etc.) debe coincidir con la sensibilidad del contenido y la vida útil especificada . ^{[ 4 ]} Algunos envases deben tener sellos casi herméticos, mientras que otros pueden (y a veces deben) ser selectivamente permeables. ^{[ 5 ]} Por lo tanto, es esencial conocer las tasas de permeación exactas. ^{[ 6 ]}

• Neumáticos : La presión de aire en los neumáticos debe disminuir lo más lentamente posible. Un buen neumático es aquel que permite la menor cantidad de fugas de gas. La permeabilidad de los neumáticos se produce con el tiempo, por lo que es importante conocer la permeabilidad del material con el que se fabricarán para obtener neumáticos más eficientes.
• Material aislante: La permeación del vapor de agua a través del material aislante es importante, al igual que en el caso de los cables submarinos, para proteger el conductor de la corrosión .
• Pilas de combustible : Los automóviles están equipados con pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) para convertir el hidrógeno y el oxígeno presentes en la atmósfera en electricidad. Sin embargo, estas pilas solo generan alrededor de 1,16 voltios. Para alimentar un vehículo, se agrupan varias pilas. La potencia de salida de una pila depende tanto del número como del tamaño de las pilas de combustible individuales.
• Tuberías termoplásticas y termoendurecibles: Las tuberías destinadas al transporte de agua a alta presión pueden considerarse defectuosas cuando se detecta una permeación de agua a través de la pared de la tubería hasta la superficie exterior de la misma.
• Usos médicos: La permeación también se observa en el campo médico en la administración de fármacos . Los parches de fármacos, fabricados con material polimérico, contienen un reservorio químico cargado más allá de su solubilidad, que luego se transfiere al cuerpo por contacto. Para que el fármaco se libere en el organismo, debe permear y difundirse a través de la membrana polimérica, según el gradiente de concentración. Debido a la sobresolubilidad del reservorio, el transporte del fármaco sigue el mecanismo de liberación inicial y retardo. Existe una alta tasa de transferencia del fármaco cuando el parche entra en contacto con la piel, pero con el tiempo se establece un gradiente de concentración, lo que significa que la administración del fármaco se estabiliza a una tasa constante. Esto es crucial en la administración de fármacos y se utiliza en casos como el Sistema Ocusert. Pero también se puede encontrar el caso opuesto en el campo médico. Dado que las ampollas pueden contener fármacos inyectables altamente sensibles, es fundamental que el material utilizado impida que cualquier tipo de sustancia entre en el producto farmacéutico o se evapore del mismo. Por ello, las ampollas suelen fabricarse de vidrio y, con menos frecuencia, de materiales sintéticos.
• Usos técnicos: En la fabricación de lámparas halógenas , los gases halógenos deben encapsularse herméticamente. El vidrio de aluminosilicato constituye una barrera ideal para la encapsulación del gas. En este caso, la transición al electrodo es crucial. Sin embargo, gracias a la compatibilidad de las dilataciones térmicas entre el vidrio y el metal, la transición se produce correctamente.

La permeación de películas y membranas se puede medir con cualquier gas o líquido. ^{[ 7 ]} Un método utiliza un módulo central separado por la película de prueba: el gas de prueba se introduce por un lado de la celda y el gas permeado es transportado al detector por un gas de barrido. El diagrama de la derecha muestra una celda de prueba para películas, normalmente hechas de metales como el acero inoxidable . La foto muestra una celda de prueba para tubos de vidrio , similar a un condensador Liebig . El medio de prueba (líquido o gas) se sitúa en el tubo blanco interior y el permeado se recoge en el espacio entre el tubo y la pared de vidrio. Es transportado por un gas de barrido (conectado a la junta superior e inferior) a un dispositivo de análisis.

La permeación también puede medirse mediante contacto intermitente. Este método consiste en tomar una muestra del compuesto químico de prueba y colocarla sobre la superficie del material cuya permeabilidad se está observando, mientras se añaden o retiran cantidades específicas del compuesto. Tras un tiempo determinado, se analiza el material para determinar la concentración del compuesto químico presente en toda su estructura. Junto con el tiempo que el compuesto químico permaneció en contacto con el material y el análisis del mismo, se puede determinar la permeación acumulada del compuesto.

La siguiente tabla muestra ejemplos del coeficiente de permeabilidad calculado para ciertos gases a través de una membrana de silicona.

* 1 Barrera = 10 ⁻¹⁰ cm ³ (STP) · cm /cm ² · s · cm-Hg

Salvo que se indique lo contrario, las permeabilidades se miden y se informan a 25  °C (RTP) y no (STP). De WL Robb. Membranas delgadas de silicona: sus propiedades de permeación y algunas aplicaciones. Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York , vol. 146, (enero de 1968) número 1 Materiales en, págs.  119–137 ^{[ 8 ]}

El flujo o corriente de masa del permeado a través del sólido se puede modelar mediante la primera ley de Fick .

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {\partial \varphi }{\partial x}}{\bigg .}}$

Esta ecuación se puede modificar para obtener una fórmula muy simple que se puede utilizar en problemas básicos para aproximar la permeación a través de una membrana.

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {C_{2}-C_{1}}{\delta }}{\bigg .}}$

dónde

• ${\displaystyle J}$es el "flujo de difusión"
• ${\displaystyle \,D}$es el coeficiente de difusión o difusividad de masa
• ${\displaystyle C}$es la concentración del permeado
• ${\displaystyle \,\delta }$es el grosor de la membrana

Podemos presentar${\displaystyle S}$en esta ecuación, que representa el parámetro de equilibrio de sorción, que es la constante de proporcionalidad entre la presión (${\displaystyle p}$) y${\displaystyle C}$Esta relación puede representarse como${\displaystyle C=Sp}$.

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {S(p_{2}-p_{1})}{\delta }}{\bigg .}}$

El coeficiente de difusión se puede combinar con el parámetro de equilibrio de sorción para obtener la forma final de la ecuación, donde${\displaystyle P}$es la permeabilidad de la membrana. La relación es${\displaystyle P=SD}$

${\displaystyle {\bigg .}J=-{\frac {P(p_{2}-p_{1})}{\delta }}{\bigg .}}$

En aplicaciones prácticas, al estudiar la permeación de gases en metales, existe una forma de relacionar la presión del gas con su concentración. Muchos gases se presentan como moléculas diatómicas en estado gaseoso, pero al penetrar en metales, se presentan en su forma iónica. La ley de Sieverts establece que la solubilidad de un gas, en forma de molécula diatómica , en un metal es proporcional a la raíz cuadrada de la presión parcial del gas.

En este caso, el flujo puede aproximarse mediante la ecuación

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {(S_{1}-S_{2})}{\delta }}{\bigg .}}$

Podemos presentar${\displaystyle K}$en esta ecuación, que representa la constante de equilibrio de la reacción . A partir de la relación${\displaystyle S={K{\sqrt {p_{N}}}}}$.

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {K({\sqrt {p_{1}}}-{\sqrt {p_{2}}})}{\delta }}{\bigg .}}$

El coeficiente de difusión se puede combinar con la constante de equilibrio de reacción para obtener la forma final de la ecuación, donde${\displaystyle P}$es la permeabilidad de la membrana. La relación es${\displaystyle P=KD}$

${\displaystyle {\bigg .}J=-{\frac {P({\sqrt {p_{1}}}-{\sqrt {p_{2}}})}{\delta }}{\bigg .}}$

• Tasa de transmisión de vapor de humedad : medida del paso de vapor de agua a través de una sustancia.
• Tasa de transmisión de oxígeno : medida de la permeabilidad del embalaje
• tasa de transmisión de dióxido de carbono
• Sello hermético – sello hermético
• Permeabilidad (ciencias de la tierra) : medida de la capacidad de un material poroso para permitir el paso de fluidos a través de él.

• Yam, KL, Enciclopedia de tecnología de embalaje , John Wiley & Sons, 2009, ISBN 978-0-470-08704-6
• Massey, LK, Propiedades de permeabilidad de plásticos y elastómeros , 2003, Andrew Publishing, ISBN 978-1-884207-97-6
• Método de prueba estándar ASTM F1249 para la tasa de transmisión de vapor de agua a través de películas y láminas de plástico utilizando un sensor infrarrojo modulado.
• Método de prueba estándar ASTM E398 para la tasa de transmisión de vapor de agua en materiales laminados mediante medición dinámica de la humedad relativa.
• Métodos de ensayo estándar ASTM F2298 para la resistencia a la difusión de vapor de agua y la resistencia al flujo de aire de materiales de ropa utilizando la celda dinámica de permeación de humedad.
• F2622 Método de prueba estándar para la tasa de transmisión de oxígeno gaseoso a través de películas y láminas de plástico utilizando diversos sensores.
• G1383: Método de ensayo estándar para la permeación de líquidos y gases a través de materiales de ropa de protección en condiciones de contacto intermitente.
• Robb, WL (enero de 1968). "Membranas delgadas de silicona: sus propiedades de permeación y algunas aplicaciones". Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York . 146 (1): 119– 137. Bibcode : 1968NYASA.146..119R . doi : 10.1111/j.1749-6632.1968.tb20277.x . PMID 5238627 . 
• Sistemas farmacéuticos para la administración de fármacos , David Jones; Chien YW. 2.ª ed. Nueva York: Marcel Dekker, Inc; 1993. Sistemas novedosos de administración de fármacos.
• Malykh, OV; Golub, A.Yu.; Teplyakov, VV (mayo de 2011). "Materiales de membrana polimérica: nuevos aspectos de los enfoques empíricos para la predicción de parámetros de permeabilidad de gases en relación con gases permanentes, hidrocarburos lineales inferiores y algunos gases tóxicos". Advances in Colloid and Interface Science . 164 ( 1–2 ): 89–99 . doi : 10.1016/j.cis.2010.10.004 . PMID 21094931 . 
• CheFEM 3 es un software FEM basado en la ecuación de estado para la predicción de la permeación de polímeros y sus compuestos, Software CheFEM 3 .