RUTAS DE PROCESAMIENTO DE MATERIALES CERÁMICOS MACROPOROSOSResumen realizado por: Diana M. Rodríguez Hernández (174605)

Departamento de Química – Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá

Los materiales a los que se les adaptó un cierto grado de porosidad durante su procesamiento muestran propiedades y características muy especiales que no se pueden observar en sus pares más densos; por esta razón, los materiales porosos juegan un papel muy importante en la vida cotidiana, como por ejemplo, en filtros cerámicos para purificar el agua y aluminio de bajo peso ideal para la construcción de edificios.

En los cerámicos, al contrario de los metales y los polímeros, las estructuras porosas solían evitarse por su naturaleza frágil. Sin embargo, en las últimas décadas se han encontrado varias aplicaciones tecnológicas para los cerámicos porosos, ya que son ideales para procesos en los que se requieren medios corrosivos y que involucran altas temperaturas. Un par de ejemplos de estas aplicaciones son la filtración de metales fundidos o soportes para catalizadores. Las ventajas de usar materiales cerámicos en estos campos incluyen su alto punto de fusión, resistencia al desgaste y a la corrosión, su alta conductividad eléctrica y varias características ganadas con la creación de los poros, como lo son baja densidad, baja conductividad térmica y una gran área superficial.

Estas propiedades pueden ser adaptadas para cada aplicación controlando la composición y microestructura de los materiales, es decir, se le pueden dar las propiedades requeridas al material controlando su ruta de procesamiento de la que dependen características como la distribución de los poros y el tamaño de los mismos. El objetivo del artículo fue comparar algunas rutas sintéticas actualmente disponibles para la preparación de materiales macroporosos (tamaño de poro >50 nm), haciendo énfasis en las propiedades de los materiales obtenidos por cada proceso.

1. Técnica de Réplica. Se basa en la impregnación de una estructura celular con una suspensión cerámica o una solución de precursor con el propósito de producir una cerámica macroporosa que presenta la misma morfología que el material poroso original.Muchas estructuras naturales o sintéticas pueden ser utilizadas como plantillas para llevar a cabo la técnica. En la década del 60, Schwartzwalder y Somers empezaron utilizando esponjas poliméricas para preparar cerámicos con diferentes tamaños de poro, porosidades y composiciones químicas. Este método tiene una enorme flexibilidad, puesto que hay una vasta cantidad de polímeros que sirven

como matriz y puede ser aplicada básicamente a cualquier material cerámico que se pueda dispersar en una suspensión. Los poros de los materiales obtenidos por esta técnica están altamente interconectados, lo que hace que dichos materiales tengan una alta permeabilidad, por lo cual son muy utilizados en filtración de gases y líquidos. La desventaja del método reside en que la resistencia mecánica de los materiales se ve seriamente disminuida por la formación de grietas o daños puntuales durante la pirolisis de la esponja polimérica. Un ejemplo de plantillas naturales son los corales, particularmente usados para el reemplazo de tejido, como el hueso. En los últimos años se han desarrollado métodos que usan madera como placa natural para la réplica. Sin embargo, este proceso puede tener altos costos, puesto que la parte más importante del mismo es la conversión del carbón derivado de la madera en una fase cerámica, lo que no es fácil de hacer y lleva muchos pasos.

2. Métodos de sacrificio de plantillas.Usualmente consiste en la preparación de una composición bifásica que comprende una matriz continua de partículas de cerámica o precursores de la misma y una fase dispersa de sacrificio que inicialmente se distribuye homogéneamente por toda la matriz y finalmente se extrae para generar poros dentro de la microestructura. El paso clave de este proceso es la eliminación de la fase de sacrificio que, dependiendo del tamaño y la distribución de poros deseada, puede ser por pirolisis, evaporación o sublimación. Este último detalle le da una elevada versatilidad al método; además, se ha registrado que en general la resistencia mecánica de los materiales obtenidos por sacrificio de plantillas es mayor a la de los materiales obtenidos por réplica, puesto que no se presentan los daños estructurales causados por la pirolisis de la plantilla.

3. Métodos de formación de espumas. Con esta técnica, los materiales porosos se producen mediante la incorporación de aire en una suspensión que es posteriormente fijada con el fin de mantener la estructura de las burbujas de aire creadas. En la mayoría de los casos, las espumas consolidadas se sinterizan a altas temperaturas para obtener materiales cerámicos porosos de alta resistencia. La porosidad total es proporcional a la cantidad de gas incorporado en la suspensión. Por otra parte, el tamaño de los poros está determinado por la estabilidad de la espuma húmeda antes de la configuración se lleva a cabo.

Así, para estabilizar las espumas formadas, se pueden utilizar la estabilización con agentes activos en superficie o la estabilización con partículas. La primera consiste en disminuir la fusión y la pérdida de proporción de las burbujas mediante una adsorción de las mismas en el agente “surfactante” reduciendo así la energía interfasial entre aire y agua. Sin embargo este método no sirve a largo plazo, por lo cual, sin la ayuda de un agente consolidador de estructura, al final las burbujas terminan por colapsar. La segunda técnica de estabilización aprovecha el hecho de que algunas partículas tienen la capacidad de adsorberse en la interfase aire-agua, impidiendo de esta manera que las burbujas colapsen. Estas partículas impiden la desestabilización de las burbujas por bastante más tiempo que los agentes activos en superficie, por lo que es una técnica más eficiente. Los materiales obtenidos por este método presentan una resistencia mecánica mayor a los productos de los procesos 1 y 2.

En conclusión, en el artículo se muestran tres rutas de síntesis para materiales cerámicos macroporosos que, dado sus propiedades mecánicas y de microestructura tienen un amplio rango de aplicaciones actualmente. Por esta razón, lo más seguro es que los futuros trabajos en el campo se basen en la búsqueda de nuevas rutas que permitan la obtención de estos materiales con las propiedades requeridas para cada proceso que los utilice.