Les membranes sont des barrières sélectives qui permettent à un sous-ensemble de particules de passer tout en empêchant d'autres de le faire. Puisqu'ils séparent les particules, ils sont utilisés dans plusieurs domaines d'application, y compris dans les industries alimentaire et chimique, la biotechnologie, la pharmacie et le traitement des eaux usées. Les charges de surface, déterminées par des mesures de potentiel zêta, sont un paramètre clé qui décrit l'interaction entre la membrane et son environnement. Cette information vous permet d'optimiser et de surveiller les processus de filtration par membrane.
Potentiel zêta de surface dans l'application industrielle
Cet article vous donne un aperçu des avantages de l'analyse du potentiel zêta pour diverses applications industrielles. Il peut aider à caractériser, modifier, optimiser et surveiller diverses propriétés de surface. L'analyse du potentiel zêta est devenue une méthode de caractérisation importante pour les surfaces solides. Pourquoi ? Parce que l'obtention d'informations sur la charge de surface améliore la recherche développementale et le contrôle qualité pour divers domaines d'application, y compris pour la conservation des aliments, la production textile, le développement de biomatériaux ainsi que la caractérisation des polymères, des membranes et des revêtements. Les valeurs du potentiel zêta changent avec le pH. La détermination du point isoélectrique (PIE), qui représente la valeur de pH où la charge de surface est inversée et le potentiel zêta est de 0 mV, vous donne l'opportunité de caractériser votre échantillon ou surface modifiée plus en détail. Pour réaliser une analyse du potentiel zêta sur des solides macroscopiques, SurPASS 3 est l'instrument de choix. Il combine une sensibilité de mesure très élevée – l'aidant à obtenir des résultats de potentiel zêta reproductibles dans une plage de quelques mV – avec une grande variété de cellules de mesure adaptées à un large éventail de géométries d'échantillons. Une unité de titrage intégrée assure un titrage pH-métrique entièrement automatisé. En tant que fonctionnalité supplémentaire, l'instrument est capable d'enregistrer la cinétique d'adsorption et de désorption des liquides sur des surfaces solides.
Textiles
Certains processus (par exemple, la teinture, ainsi que les opérations de brillance et de finition) sont fortement liés aux propriétés de surface des textiles et aux interactions avec l'environnement. Vous pouvez utiliser le potentiel zêta de surface pour surveiller et caractériser la fonctionnalisation des textiles – ce qui est fait pour créer des lingettes imprégnées pour l'hygiène ou des rideaux bactéricides et insecticides – et comme un indicateur de l'efficacité de nettoyage des détergents à lessive et des assouplissants. Pour que le linge soit lavé avec succès, les textiles doivent adsorber des détergents et des assouplissants. Les processus d'adsorption et de désorption sont strictement liés aux interactions interfaciales entre le bain aqueux et le textile (1). Le changement de potentiel Zêta peut être utilisé pour surveiller ces cinétiques d'adsorption et de désorption.
Le graphique affiche le potentiel zêta en fonction du pH d'un mélange textile non traité composé de 70 % de coton et de 30 % de fibre modacrylique avant et après adsorption d'un ammonium quaternaire (quat) ou d'un assouplissant. Après adsorption de détergents (ammonium quaternaire, assouplissant), le pH IEP passe d'un pH acide initial vers un pH basique. Cela indique un changement du comportement chimique du tissu après adsorption.
Polymères
Bien que vous puissiez trouver des polymères utilisés dans diverses applications industrielles, leur surface inerte peut être une contrainte. Modifier ou activer la surface polymère avant un traitement ultérieur, cependant, vous permet d'améliorer l'humidité, l'imprimabilité ou l'adhérence d'un matériau. Les mesures du potentiel zêta de surface peuvent corréler les changements dans le comportement de charge à l'interface solide-liquide avec le degré d'activation de surface. Cela vous donne une vue quantitative des modifications de surface et une qualité reproductible des produits.
Le graphique montre des films en polyéthylène basse densité (LDPE) qui ont été activés en surface par irradiation de lumière UV et exposés au dioxyde de soufre (SO2). Le graphique compare le potentiel zêta dépendant du pH de la feuille non traitée avec celui d'une feuille activée en surface. Vous pouvez voir des changements significatifs à la fois dans le IEP et le potentiel zêta. La surface inerte de la feuille non traitée marquée par un IEP à pH 4 change de manière spectaculaire. L'IEP passe à un pH de 2, et le potentiel zêta absolu final diminue en magnitude, indiquant une surface chimiquement modifiée.
Dispositifs médicaux
Dans le secteur de la santé, les dispositifs médicaux sont des objets du quotidien pour l'administration de médicaments et de traitements salvateurs. Il est vital que les seringues, les cathéters, les valves cardiaques ou les endoprothèses, et de nombreux autres instruments, fonctionnent bien. La caractérisation et la modification de surface (par exemple, les revêtements) peuvent optimiser l'utilisation des dispositifs médicaux. Les mesures du potentiel zêta vous aident à caractériser les propriétés de surface, à évaluer l'efficacité des revêtements et du nettoyage, et à surveiller dans quelle mesure les substances ou composants bioactifs sont adsorbés.
Prenez l'exemple des seringues. Ils sont soit préremplis, soit vides et sont utilisés chaque jour pour administrer des médicaments particuliers. La surface intérieure de la seringue est en contact avec la substance appliquée. L'adsorption et toute réactivité avec la surface intérieure doivent être évitées afin de garantir l'efficacité et la sécurité de la substance appliquée. Ce graphique montre la comparaison du potentiel zêta dépendant du pH des cylindres de seringue en polymère et en verre. Ici, les fûts en verre siliconé se comportent de manière très similaire aux fûts en polymère, avec un IEP à pH 4 et un potentiel zêta très négatif dans la plage acide. Pour les fûts en verre sans revêtement en silicone, l'IEP passe à un pH de 2.3, révélant l'élimination efficace de la couche de silicone.
Semi-conducteurs
Puisque les résultats du potentiel zêta, qui sont déterminés à partir des mesures de courant de vapeur, ne sont pas affectés par la conductivité de surface du matériau, ceux-ci sont adaptés à l'analyse de surface des échantillons conducteurs. Le potentiel zeta de surface a de nombreuses applications dans le domaine du traitement des semi-conducteurs, y compris pour vous aider à caractériser l'auto-assemblage de films ultrafins et l'effet de différentes stratégies de gravure pour les plaquettes. Il peut également aider à prédire l'interaction particule-plaquette dans son application pratique dans le processus de polissage chimico-mécanique (CMP).
Pour tester l'efficacité du nettoyage, une plaquette en silicium avec une couche supérieure en nitrure de silicium a été exposée à différents protocoles de gravure. Ceci est montré dans le graphique. La dépendance du pH du potentiel zêta montre clairement la différence entre la plaquette de nitrure de silicium reçue telle quelle (SiN non traité) et une plaquette de silicium avec un revêtement d'oxyde de silicium natif (SiO). Lors du rinçage avec de l'acide hydrofluorique dilué (HF), le point isoélectrique de la plaquette de nitrure de silicium se déplace vers un pH plus élevé. Le traiter avec de l'acide hydrofluorique élimine la couche d'oxydation partielle qui se développe à la surface du nitrure de silicium pendant le stockage. L'oxydation avec la solution Piranha avant le rinçage à l'acide hydrofluorique déplace le point isoélectrique encore plus vers un pH plus élevé. Ce traitement est utilisé pour éliminer les contaminants organiques qui protègent le plaquette de nitrure de silicium tel que reçu contre l'attaque par l'acide hydrofluorique. Le potentiel zêta de surface aide donc à surveiller l'effet de différentes stratégies de nettoyage
Biomatériaux
Les biomatériaux sont des substances ou des matériaux qui ont été conçus pour interagir avec des systèmes biologiques. Ils sont conçus à des fins médicales ou thérapeutiques, telles que le remplacement d'une fonction tissulaire ou d'un morceau d'os dans le corps. En raison de cela, des matériaux biocompatibles doivent être conçus et optimisés. Ici, la caractérisation et la modification de surface jouent toutes deux un rôle majeur dans la minimisation des risques pour la santé de divers produits (par exemple, les implants). La cinétique d'adsorption des protéines sur la surface d'un implant est la première étape pour la croissance cellulaire – et donc la biocompatibilité – rendant leur analyse d'un grand intérêt également
Un biomatériau typique est le titane, qui est utilisé pour fabriquer des articulations artificielles et des implants dentaires. Le graphique montre une comparaison du potentiel zêta dépendant du pH des disques en titane non traités et revêtus. Le titane non traité (Ti cp) a un IEP de 3,6 et un potentiel zêta absolu très négatif au pH physiologique. Lorsqu'il est exposé à une solution de protéine d'albumine de sérum bovin (cp Ti+BSA), cependant, la surface en titane attire cette protéine globulaire, et le potentiel zêta révèle les changements dans la charge de surface. Ici, vous pouvez voir un changement significatif dans l'IEP à 5 et une diminution de l'amplitude du potentiel zêta absolu, ce qui démontre ce qu'un revêtement efficace peut faire.
Cosmétique
Les cosmétiques modifient les propriétés de surface des cheveux et de la peau. Tout au long de la journée, tous deux sont exposés à l'eau, à la lumière, à la chaleur et même aux polluants. Les cheveux doivent être nettoyés et adoucis sans détruire leur structure ni irriter le cuir chevelu. La surveillance de ces processus par des études de potentiel zêta de surface basées sur la technologie du potentiel de streaming vous permet d'évaluer l'efficacité et la qualité des réactifs de nettoyage et des produits cosmétiques. Le shampooing, l'après-shampooing et les cycles de rinçage influencent tous les cheveux. En déterminant le potentiel de streaming de ceux-ci, vous pouvez surveiller leur influence au fil du temps.
L'application de shampooing diminue le potentiel de streaming absolu, ce qui révèle le changement dans la chimie de surface de l'échantillon de cheveux. Ceci est inversé avec un cycle de rinçage. En revanche, l'application d'un après-shampooing diminue l'amplitude du potentiel de streaming et inverse la charge. Ce changement n'est pas inversé par le rinçage, indiquant l'excellente efficacité du conditionneur.
Filtration et membranes
Références
- Luxbacher, T. & Juriniak, Ana & Čurlin, Mirjana & Petrinic, Irena & Buksek, Hermina & Pusic, Tanja. (2014). Évaluation du taux d'adsorption d'un adoucissant sur des tissus tricotés par mesure du potentiel de streaming
