CARACTERIZACIÓN SUPERFICIAL 1 INTRODUCCIÓN

En la presente sección se estudian las características de la superficie de las películas poliméricas, empleando la técnica de ángulo de contacto para determinar las características hidrofílicas e hidrofóbicas de la superficie; y la técnica de microscopía electrónica para evaluar la topografía y morfología (superficial y transversal).

III.4.2 PARTE EXPERIMENTAL II.4.2.1. Ángulo de contacto (AC)

Para la determinación del ángulo de contacto (AC, θ) se empleó el método de la gota sesil, el cual consiste en depositar una gota (fase líquida) sobre un sustrato (fase sólida) en una fase gaseosa (aire). En este trabajo se empleó para la fase líquida agua destilada, como fase sólida las películas y como fase gaseosa aire. Las películas se cortaron con forma rectangular de 10,0 mm x 40,0 mm, y se depositaron sobre una superficie de vidrio Las medidas se realizaron en un ambiente seco a temperatura ambiente en un rango de 20 a 25,0 °C.

Para medir el ángulo de contacto en el equilibrio, el volumen de gota utilizado fue de 8 μl y se depositó a una velocidad de 3 μl/s so re la película utilizando un inyector automático (Automated Dispensing System, Ramé-Hart Instrument co., USA). Para registrar el AC se empleó un goniómetro Rame-Hart 500, USA, que se muestra en la Figura III.4.1.1.2.

Figura III.4.2.1.1. Imagen fotográfica del goniómetro Rame-Hart 500 utilizado para medir el

ángulo de contacto.

Una vez depositada la gota, se tomaron los valores consecutivos del ángulo cada 1s durante medio minuto; este procedimiento se repitió 5 veces empleando cada vez una parte diferente de la película. El software DropImage, empleado para recolectar los valores de θ asume que la gota es parte de una esfera y calcula el valor de θ como:

           2 1 2 tan 90 b rb b r  (Ec. III.4.2.1.1)

donde r es el radio de dicha esfera y b es la altura de la gota. El cálculo se realiza tomando r desde el centro a la línea triple (punto de contacto de las tres fases sólida, líquida y gaseosa) en cada extremo de la gota, y luego los valores de θd (derecho) y θi

(izquierdo) son promediados para obtener un valor final θm.

Los valores de θm obtenidos para cada muestra fueron promediados y se calculó

la desviación estándar. Finalmente los valores de ángulo de contacto obtenidos corresponden al ángulo de contacto aparente (θApp), que es el ángulo de contacto medido

en condiciones de equilibrio para un sustrato no ideal. III.4.2.2. Microscopia Electrónica de Barrido (SEM)

El microscopio electrónico de barrido (SEM) es un instrumento que permite la observación y caracterización superficial de materiales (tanto inorgánicos como orgánicos) aportando información sobre la morfología superficial del material analizado.

Dado que el SEM trabaja en alto vacío es necesario que la muestra esté previamente deshidratada. Para evitar que el proceso de deshidratación provoque cambios de la estructura tridimensional de la muestra, se empleó el método de deshidratación por liofilización. Este método se realiza en dos etapas, primero se congela la muestra, de esta forma el agua presente en su interior se solidifica, y segundo se somete la muestra congelada a una atmósfera a baja presión (vacío). En esta segunda etapa el agua (en estado sólido) se extrae mediante un proceso de sublimación (por pasaje de estado sólido a estado gaseoso), sin alterar la estructura del material congelado. Este método permite conservar la forma y textura de la muestra original. Las ventajas de esta forma de deshidrataciónse deben a: su sencillez de preparación, que no requiere de solventes u otros compuestos, y que las muestras obtenidas pueden observarse con distintos tipos de microscopios.

Las muestras se hidrataron previamente en diferentes soluciones buffer durante 24 hs a temperatura ambiente (20,0 a 25,0 °C), después se congelaron a - 40 ºC en alcohol, y se liofilizaron bajo vacío durante 24 hs. Una vez liofilizadas, se depositaron sobre la superficie de un soporte de aluminio y se recubrieron con una fina capa de oro, para reducir al mínimo la acumulación de carga negativa sobre la superficie del

Asimismo, para observar el corte transversal, algunas muestras se fracturaron previamente en estado seco, de forma manual, y luego se prepararon siguiendo el mismo procedimiento.

La observación se realizó empleando un microscopio FEI – Quanta 200 (Holanda), en el modo alto vacío (Hi-Vac), y aplicando un voltaje de aceleración de 15 y 20 kV. En este paso se procuró evitar la distorsión de las muestras como resultado de cambios térmicos durante la observación. Se registraron imágenes del corte transversal y de la superficie de las películas con varios aumentos.

III.4.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

III.4.3.1. Análisis de los ángulos de contacto de los sistemas

El grado de hidrofilicidad o hidrofobicidad de una superficie pueden determinarse a partir de la medida del ángulo de contacto (θ). Dicha medida está directamente relacionada con las tensiones interfaciales formadas entre las fases sólida, líquida y gaseosa, por medio de la ecuación de Young, de la siguiente manera:

LV LS SV      

cos (Ec. III.4.3.1.1)

donde γSV, γLS y γLV son las tensiones superficiales asociadas a las interfaces sólido-aire,

líquido-sólido y líquido-aire respectivamente; y θ es el ángulo de contacto que se forma entre la tangente a la interface liquido-aire y la superficie del sólido, en el punto de contacto de las tres fases, sólida, líquida y gaseosa, llamada línea triple (Figura III.4.3.1.1).

Figura III.4.3.1.1. Esquema de las fuerzas interfaciales involucradas en la medida del ángulo de

contacto formado entre un líquido (gota) y un sólido (sustrato).

La ecuación de Young (Ec. III.4.3.1.1) permite calcular el ángulo de contacto para un sistema, asumiendo que es un sistema ideal donde la superficie sólida es lisa,

plana, homogénea, químicamente inerte, insoluble, no reactiva, no porosa, y no deformable. La medida del ángulo de contacto es un método sencillo para caracterizar superficies de baja energía como son los polímeros. Sin embargo debido a la rugosidad superficial y a la heterogeneidad química de las superficies reales, no se determina el ángulo de contacto de equilibrio (para una superficie ideal de Young) (Musthafa 1999), sino que se determina el ángulo aparente (θApp). Dicho ángulo representa el estado

estable de equilibrio entre el ángulo de avance y el de retroceso (donde la energía libre del sistema es un mínimo local) (Serrano Saldaña 2002).

La caracterización de la superficie como hidrofílica o hidrofóbica dependerá del valor de θApp para dicha superficie. En el caso del agua una superficie se denomina

hidrofílica para θApp y para θApp se denomina hidrofóbica.

III.4.3.1.1.Determinación del ángulo de contacto de la superficie de las películas