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Sorción dinámica de vapor

La sorción dinámica de vapor (DVS) es una técnica gravimétrica que mide la rapidez y la cantidad de disolvente que absorbe una muestra, como un polvo seco que absorbe agua. Para...

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La sorción dinámica de vapor (DVS) es una técnica gravimétrica que mide la rapidez y la cantidad de disolvente que absorbe una muestra, como un polvo seco que absorbe agua. Para ello, varía la concentración de vapor que rodea la muestra y mide el cambio de masa resultante. Si bien se utiliza principalmente para el vapor de agua , es adecuada para una amplia gama de disolventes orgánicos . Daryl Williams, fundador de Surface Measurement Systems Ltd, desarrolló la sorción dinámica de vapor en 1991; el primer instrumento se entregó a Pfizer UK en 1992. La DVS se desarrolló originalmente para reemplazar los desecadores y las soluciones salinas saturadas, que requerían mucho tiempo y mano de obra, utilizados para medir las isotermas de sorción de vapor de agua .

isotermas de sorción de agua

La principal aplicación de DVS es la medición de isotermas de sorción de agua . En general, una isoterma de sorción de vapor muestra la cantidad de vapor adsorbido en equilibrio en función de la presión de vapor relativa en estado estacionario a temperatura constante. Para las isotermas de sorción de agua, la presión de vapor relativa del agua se expresa más comúnmente como humedad relativa . Esto se logra en una medición DVS exponiendo una muestra a una serie de cambios escalonados en la humedad relativa y monitoreando el cambio de masa en función del tiempo. Se debe permitir que la masa de la muestra alcance el equilibrio gravimétrico en cada cambio escalonado de humedad antes de pasar al siguiente nivel de humedad. Luego, los valores de masa en equilibrio en cada paso de humedad relativa se utilizan para generar la isoterma. Las isotermas se dividen típicamente en dos componentes: sorción para pasos de humedad creciente y desorción para pasos de humedad decreciente. La sorción se puede dividir a su vez en adsorción (adsorbato ubicado en la superficie) y absorción (adsorbato penetra en el volumen).

Resultados típicos

Figura 1. Gráfico cinético (a.) e isotérmico (b.) de sorción de vapor de agua para celulosa microcristalina a 25,0 °C.

La Figura 1 muestra un resultado típico de sorción de agua de una medición DVS para una muestra de celulosa microcristalina . Los datos cinéticos (Figura 1a) muestran el cambio de masa y humedad en función del tiempo. A partir de los resultados cinéticos, se pueden determinar la velocidad de absorción de agua y los coeficientes de difusión de agua. Los valores de masa de equilibrio al final de cada paso de humedad se utilizaron para calcular las isotermas de sorción y desorción (Figura 1b). La diferencia en la absorción de vapor de agua entre las isotermas de sorción y desorción se denomina histéresis . La forma y la ubicación de la histéresis de la isoterma pueden dilucidar información sobre el mecanismo de sorción y la porosidad de la muestra. Aunque un experimento de isoterma es el uso más común de un instrumento DVS, se pueden realizar experimentos de rampa de humedad u otros vapores para investigar los cambios de fase inducidos por vapor. Estos cambios incluyen: transiciones de vítreo a gomoso, conversiones de amorfo a cristalino y delicuescencia de la muestra.

Aplicaciones

La medición DVS tiene aplicaciones en una amplia gama de industrias. Tanto las isotermas de sorción de vapor en equilibrio como los resultados cinéticos de sorción de vapor pueden proporcionar información vital para materiales que van desde productos farmacéuticos hasta pilas de combustible . Si bien los experimentos de sorción de agua son los más comunes, el uso de vapor orgánico en experimentos DVS puede revelar propiedades adicionales de la muestra. Las siguientes secciones destacan cómo se utilizan los experimentos DVS en diversas industrias.

Productos farmacéuticos

Las propiedades de sorción de humedad de los materiales farmacéuticos, como excipientes, formulaciones de medicamentos y películas de envasado, se reconocen como factores críticos para determinar su almacenamiento, estabilidad, procesamiento y rendimiento de aplicación. [ 1 ] [ 2 ] Además, los experimentos de sorción de vapor se pueden utilizar para estudiar la formación de hidratos [ 3 ] y solvatos [ 4 ] . Los experimentos de sorción de vapor gravimétrico son uno de los métodos más sensibles para determinar contenidos amorfos, [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] que pueden tener un impacto perjudicial en la estabilidad, la fabricabilidad y las características de disolución del producto farmacéutico formulado.

Ciencia de los alimentos

Las propiedades de sorción de humedad de los productos alimenticios se reconocen como factores críticos para determinar su almacenamiento, estabilidad, procesamiento y rendimiento en aplicaciones. [ 8 ] [ 9 ] El DVS también se utiliza para medir las propiedades de difusión de humedad y sabor en aplicaciones de envasado y barrera. [ 10 ] [ 11 ] Además, la sorción de humedad desempeña un papel fundamental en el almacenamiento y el rendimiento de productos agrícolas como pesticidas , herbicidas , fertilizantes y semillas. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

productos de cuidado personal

Los experimentos DVS se han utilizado ampliamente en el estudio de materiales de cuidado personal. Por ejemplo, la hidratación de muestras de cabello con diferentes tratamientos químicos (es decir, acondicionador, coloración y decoloración) y mecánicos (es decir, permanente, peinado y secado con secador). [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] El comportamiento de hidratación de muestras de piel también se ha estudiado mediante DVS. [ 18 ] Otras aplicaciones de sorción de humedad relacionadas con la industria del cuidado personal incluyen la deshidratación de lentes de contacto y polímeros superabsorbentes .

Materiales de construcción

En particular para los materiales de construcción, [ 19 ] la sorción de humedad tiene implicaciones significativas para los cementos, [ 20 ] las maderas, [ 21 ] los materiales aislantes, [ 22 ] y las fibras. [ 23 ] El daño por humedad es un factor significativo que limita la vida útil de un edificio. [ 24 ] Además, la infusión de humedad a través de la estructura exterior de un edificio puede tener un efecto significativo en la calidad del aire interior y la carga del aire acondicionado [ 25 ] .

membranas de intercambio de protones

Un parámetro crítico que afecta el rendimiento de las membranas de intercambio de protones es el contenido de agua. El agua se suministra típicamente a la celda de combustible humidificando el flujo de alimentación de gas. El nivel de hidratación dentro de la membrana de intercambio de protones es vital para su rendimiento: si el nivel de hidratación es demasiado bajo, los polímeros exhiben una conductividad iónica muy reducida ; [ 26 ] si el nivel de hidratación es demasiado alto, el exceso de agua puede inundar los poros en la capa de difusión de gas e impedir el transporte de masa dentro de la estructura del electrodo . [ 27 ] [ 28 ] Por estas razones, se ha utilizado DVS para estudiar la sorción de agua y las propiedades de transporte de las membranas de intercambio de protones. [ 29 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ P. York, Revista Internacional de Farmacia. 14 (1983) 1-28.
  2. ↑ G Zografi y MJ Kontny, “Adsorción de agua por sólidos” en Caracterización física de sólidos farmacéuticos, ed. HG Brittain, Marcel Dekker, Nueva York, NY (1995) pp. 385-418.
  3. ↑ FG Vogt, J. Brum, LM Katrincic, A. Flach, JM Socha, RM Goodman y RC Haltiwanger, Crystal Growth & Design. 6 (2006) 2333-2354.
  4. ↑ DJ Burnett, F. Thielmann y T. Sokoloski, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 89 (2007). 693-698.
  5. ↑ A. Saleki-Gerhard, C. Ahlneck y G. Zografi, Revista Internacional de Farmacia. 101 (1994) 237.
  6. ↑ L. Mackin, R. Zanon, JM Park, K. Foster, H. Opalenik y M. Demonte, Revista Internacional de Farmacia. 231 (2002) 227.
  7. ↑ P. Young, H. Chiou, T. Tee, D. Trainj, H.-K. Chan, F. Thielmann y D. Burnett, Drug Development and Industrial Pharmacy. 33 (2007) 91-97.
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  9. ↑ CJ Lomauro, AS Bakshi y TP Labuza, Journal of Food Science. 50 (1985) 397-400.
  10. ↑ O. Bley, J. Siepmann y R. Bodmeier, Journal of Pharmaceutical Sciences, 98 (2009) 651-664.
  11. ↑ C. Dury-Brun, V. Jury, V. Guillard, S. Desobry, A. Voilley y P. Chalier, Food Research International, 39 (2006) 1002-1011.
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  26. ↑ TV Nguyen y N. Vanderborgh, J. Membrane Sci. 143 (1998) 235.
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