Nuevo método de determinación de la fracción de volumen libre en membranas poliméricas por adsorción de gases

En este trabajo se analizaron membranas poliméricas a través de medidas de adsorción. Se usaron dos gases como adsorbatos: CO2 a 273.15 K y N2 a 77 K. Las membranas usadas en el estudio son de matriz mixta (MMMs) fabricadas con dos matrices poliméricas distintas (copolyamides-copoly-o-hydroxyamide y copoly-ohydroxyamide- amide) con distintos porcentajes de relleno de PPN1 (Polymer Porous Network: tripticeno+isatina). Dichas membranas también se trataron térmicamente para producir un reordenamiento térmico (TR-MMMs), por lo tanto fueron cuatro los materiales a analizar: las membranas poliméricas puras y las membranas de matriz mixta, en ambos casos antes y después del tratamiento térmico. A partir de las medidas de adsorción y aplicando la teoría del funcional de la densidad no local (NLDFT) se obtuvieron las distribuciones de tamaño de poro. Al utilizar dos adsorbatos, se pudieron detectar distintos rangos de tamaño de poro bien diferenciados. Con el dióxido de carbono se encontraron tres grupos de poros entre 3˚A y 15˚A de diámetro, mientras que con nitrógeno se estudió el rango entre 20˚A y 250 ˚A. Los volúmenes de poros estimados a través del volumen adsorbido, junto a las medidas de densidad, permitieron implementar un nuevo método para calcular la fracción de volumen libre (FFV) exclusivamente a partir de datos experimentales. Los resultados obtenidos concuerdan satisfactoriamente con los métodos convencionalmente empleados. Hemos encontrado así un método rápido para evaluar la fracción de volumen libre, la cual es una magnitud fundamental en el estudio de las propiedades de transporte de gas en las membranas poliméricas, estando fuertemente relacionada a la permeabilidad. Además, las medidas con N2 permitieron detectar fracturas e imperfecciones en la estructura que falseaban la medida; en base a dichos resultados se calculó la densidad corregida de la matriz polimérica, resultando las medidas de la fracción de volumen libre mucho más exactas.Departamento de Física AplicadaMáster en Físic

Gas adsorption isotherm, pore size distribution, and free volume fraction of polymer-polymer mixed matrix membranes before and after thermal rearrangement

Producción CientíficaIn this work, CO2 adsorption at 273.15 K and N2 adsorption at 77 K of mixed matrix membranes has been studied, as a method to directly determine their fractional free volume (FFV). These membranes consist of a continuous phase of copoly(o-hydroxyamide)s (HPA) or copoly(o-hydroxyamide-amide)s (PAA) and a relatively highly porous polymer network filler (PPN1). Both the pure copolymers and the mixed matrix membranes (MMMs) have been analyzed before and after a thermal rearrangement (TR) process. The CO2 adsorption results have allowed characterizing the pore size distribution of the studied membranes in the 3–15 Å range, by using the Non-Local Density Functional Theory (NLDFT). Whereas the N2 adsorption has allowed determining the pore size distributions in the range between 20 and 250 Å. The experimental determination of the pore volume and the density allows the direct calculation of the membranes’ free volume fractions, which were in good agreement with the most usual FFV evaluation methods. In addition, part of the pore volume detected by N2 adsorption was associated with defects and poor integration of the membrane components. This correction has allowed us to make a new evaluation of the density of these materials.Gobierno de España (AEI) proyects (PID2019-109403RB-C21/AEI/10.13039/501100011033 y PID2019-109403RB-C22/AEI/10.13039/501100011033)Junta de Castilla y León - EU-FEDER (CL-EI-2021-07, UIC082