Em muitas áreas, como a ciência dos materiais, a engenharia geológica, a extração de petróleo e a biomedicina, as propriedades dos materiais tendem a depender não apenas de sua composição química, mas também de sua microestrutura interna. Porosidade – a porcentagem do volume total dos poros internos do material – é o parâmetro central que descreve essa microestrutura. É como uma chave que desbloqueia muitos segredos sobre a força, a permeabilidade, a adsorção e o isolamento do material. A análise de porosidade, o "olho visível" para o mundo interno dos materiais, fornece uma base científica para entender e otimizar as propriedades dos materiais.
O poro nem sempre é um defeito do material e, em muitos casos, é até mesmo a chave para o material realizar funções específicas. Na geologia do petróleo, a porosidade das rochas determina diretamente sua capacidade de armazenamento de petróleo e é um indicador central para avaliar a abundância dos depósitos de petróleo e gás. No campo dos catalisadores, a enorme área de superfície do material poroso (fornecida pelos poros) é o local onde as reações catalíticas são efetivamente realizadas. Nos materiais de isolamento de construção, a rede de poros fechados é a chave para bloquear a condução térmica e alcançar o isolamento térmico. Em materiais biomédicos, como ossos artificiais, a estrutura porosa adequada favorece o crescimento celular e a regeneração de tecidos. Portanto, a medição precisa da porosidade, a compreensão da distribuição dimensional, da morfologia e da conectividade dos poros são orientações essenciais para o projeto, preparação e aplicação de materiais.
Análise de porosidadeUma variedade de tecnologias sofisticadas foram desenvolvidas para atender às necessidades de medição em diferentes materiais e escalas.
Metodo de adsorção de gás (BET): é o "padrão ouro" para medir microporos e interporos (diâmetro < 50 nm). Ao permitir que as moléculas de gás (como o nitrogênio) ocorram uma ou várias camadas de adsorção na superfície do material a baixas temperaturas (geralmente a temperatura do nitrogênio líquido), a distribuição da área de superfície e do diámetro do material pode ser calculada de acordo com a relação entre a quantidade de adsorção e a pressão. Este método é essencial para a caracterização de materiais porosos, como carvão ativo e peneiras moleculares.
Método de pressão de mercúrio: Este método utiliza a propriedade de que o mercúrio não umidifica a maioria das superfícies sólidas para pressionar o mercúrio nos poros do material sob pressão adicional. De acordo com a relação entre o volume de mercúrio pressionado e a pressão (equação de Washburn), a distribuição do orifício pode ser calculada, especialmente para medir grandes orifícios (diâmetro > 50 nm) e a porosidade total. No entanto, devido ao uso de mercúrio tóxico, a operação precisa ser extremamente cautelosa.
Método de expansão de gás (proporção de hélio): Utilizando as propriedades de moléculas de hélio extremamente pequenas e que penetram quase todos os poros conectados, o volume do esqueleto do material pode ser obtido com precisão medindo o volume da amostra de eliminação de hélio e calculando a porosidade total, incluindo abertura e fechamento. Este método é altamente preciso e é amplamente utilizado para medir a porosidade de materiais densos como rochas, cerâmicas e metais.
Microimagem: O microscópio eletrônico de varredura (SEM), o feixe de íons focado (FIB) ou a tecnologia de varredura CT de micron/nano podem ser usados para observar diretamente o perfil bidimensional ou tridimensional dos poros e analisar visualmente o tamanho, a forma e a distribuição espacial dos poros. Este método fornece informações visuais sobre a estrutura dos poros e é um poderoso complemento a outros métodos de medição.
A análise de porosidade é aplicada em todo o processo de desenvolvimento de materiais e prática de engenharia. Na indústria petrolífera, é a base para o cálculo das reservas e o design de programas de extração; No campo da nova energia, é a chave para otimizar os materiais dos eletrodos da bateria e melhorar a eficiência do armazenamento de energia; Na indústria ambiental, é a base para avaliar o desempenho dos adsorentes e projetar materiais de tratamento de água eficientes; Na fabricação avançada, orienta a preparação de metais e cerâmicas porosos leves e fortes. Através da análise de porosidade, os pesquisadores podem "ver" e quantificar a estrutura interna do material, ajustando os parâmetros do processo de forma específica para alcançar o controle preciso das propriedades do material.