Капиллярная порометрия

Порометрия капиллярного потока , также известная как порометрия, представляет собой метод определения характеристик, основанный на вытеснении смачивающей жидкости из пор образца путем подачи газа под повышенным давлением. Он широко используется для измерения минимального, максимального (или первой точки пузырька) и среднего размера пор потока, а также распределения сквозных пор в мембранах по размерам. нетканые материалы , бумага , фильтрационные и ультрафильтрационные материалы , полые волокна, керамика и т. д.

В капиллярной порометрии инертный газ используется для вытеснения жидкости , находящейся в порах, . Давление, необходимое для опорожнения поры, соответствует давлению, необходимому для эвакуации жидкости из наиболее суженной части поры. Эта наиболее суженная часть является самой сложной и обеспечивает наибольшее сопротивление удалению смачивающей жидкости. Этот параметр очень важен для фильтрации и подобных применений, поскольку важно знать наименьший диаметр сквозных пор.

Расчет размера пор

Для измерения размера пор методом капиллярной порометрии необходимо пропитать образцы смачивающей жидкостью. Поток инертного газа используется для вытеснения жидкости, находящейся в порах, и измеряется давление, необходимое для опорожнения наиболее суженной части поры. Самая суженная часть пор является самой сложной, поскольку она обеспечивает наибольшее сопротивление удалению смачивающей жидкости. Этот параметр очень важен при фильтрации и подобных применениях, поскольку важно знать наименьший диаметр сквозных пор.

Это измеренное давление позволяет получить диаметр пор, который рассчитывается по формуле Юнга-Лапласа P = 4*γ*cos θ*/D, где D — диаметр поры, P — измеренное давление , γ — поверхностное натяжение. смачивающей жидкости, θ — угол контакта смачивающей жидкости с образцом. Поверхностное натяжение γ является измеримым физическим свойством и зависит от используемой смачивающей жидкости. Угол смачивания θ зависит от взаимодействия материала и смачивающей жидкости. В порометрии с капиллярным потоком, в отличие от ртутной порометрии , смачивающая жидкость самопроизвольно проникает в поры образца, обеспечивая полное смачивание материала, и поэтому угол контакта смачивающей жидкости с образцом равен 0, и предыдущая формула может быть упрощенно: P= 4*γ/D.

Методы измерения

Сканирование давления

Рисунок 1. Непрерывное увеличение давления во времени.

Это традиционный подход, при котором давление увеличивается непрерывно с постоянной скоростью (рис. 1), которую можно изменять в зависимости от прибора и требований пользователя, и измеряется поток газа через образец. Опять же, количество полученных точек данных может регулироваться пользователем. Это быстрый и воспроизводимый метод, который обычно рекомендуется для работ по контролю качества и для образцов с идентичными порами. Однако важно учитывать, что в случае, когда образцы имеют сложную структуру и имеют значительное количество пор различной извилистости , возможно, что при сканировании давления поры одинакового диаметра, но с большей длиной пути не опорожняются при давлении, соответствующем их диаметру (если сканирование быстрое, то нет времени позволить потоку газа вытеснить смачивающую жидкость по длине пор). Как следствие, поры с большей длиной будут иметь меньшие размеры, чем фактические.

Шаг давления/стабильность

Рисунок 2. Увеличение давления во времени поэтапно, выдерживая фактическое давление в течение определенного времени, прежде чем увеличить его до следующего значения.

Метод стабильности давления/ступени представляет собой альтернативу методу сканирования давления, которая позволяет более точно измерить размеры пор. Он учитывает различную извилистость и длину пор одного и того же диаметра. Получение точки данных осуществляется только после поддержания давления на постоянном значении в течение заданного пользователем времени (см. рисунок 2), а также только после того, как поток газа через образец стабилизируется, что также определяется пользователем. Это дает достаточно времени газовому потоку для вытеснения смачивающей жидкости в длинных и извилистых порах одинакового диаметра. Поэтому метод скачка давления/стабильности является наиболее рекомендуемым для исследований и разработок . Кроме того, принцип измерения скачка/стабильности давления позволяет измерять истинную первую точку пузырька (FBP), в отличие от метода сканирования давления, который позволяет рассчитывать FBP только при выбранных скоростях потока.

Измеренная точка первого пузырька (FBP)

FBP определяется стандартом ASTM F-316-03. как давление, при котором обнаруживаются первые непрерывные пузырьки газа. На практике FBP ассоциируется с наибольшим или максимальным размером пор. Для расчета ФАД необходимо выбрать определенный минимальный расход (например, 30, 50, 100 мл/мин) и при его достижении зафиксировать давление. Затем это давление используется для расчета размера ФБП. Вопрос состоит в том, чтобы выбрать минимальный поток через образец, и основным недостатком является то, что этот минимальный поток различен для каждого образца, и его нелегко определить априори. Если для расчета выбран определенный минимальный поток, возможно, что самая большая пора в образце уже была открыта за некоторое время до того, как был определен этот конкретный поток. С помощью метода шага/стабильности можно измерить истинное FBP. При подаче постоянного расхода газа до открытия наибольшего потока давление возрастает линейно. В тот момент, когда газовый поток проходит через образец через наибольшую пору, прирост давления падает и именно это давление соответствует FBP образца.

Измеряемые параметры

Рисунок 1. Параметры, измеренные при порометрии.

Капиллярная порометрия позволяет получить несколько параметров и информации за одно индивидуальное и быстрое измерение. Обычно сначала проводят измерение влажного образца (пропитанного смачивающей жидкостью). Обычно его называют «мокрым ходом», а зависимость расхода газа от приложенного давления представляет собой так называемую «мокрую кривую». После мокрого прогона проводится измерение того же образца в сухом состоянии для регистрации аналогичной «сухой кривой». Кривая полусухого состояния рассчитывается и отображается путем деления значений расхода относительно приложенного давления на 2 и также отображается на том же графике. Из представления трех кривых можно определить соответствующую информацию об образце: максимальный размер пор (или первая точка пузырька) регистрируется, когда обнаруживается поток газа через образец (см. объяснение FBP выше), средний поток Размер пор соответствует размеру пор, рассчитанному при давлении, при котором пересекаются кривая влажного состояния и кривая полусухого состояния (это соответствует размеру пор, при котором может приходиться 50% общего потока газа), а минимальный размер пор получается из давление, при котором влажные и сухие кривая пересекается (с этого момента поток будет таким же, поскольку все поры опорожнены).

Помимо этих отдельных размеров пор, то же измерение CFP позволяет представить распределение совокупного потока фильтра в зависимости от размера пор, что дает информацию о проценте совокупного общего потока через образец, который проходит через поры большего размера, чем поры. определенная ценность. Другой информацией, которую можно получить в результате измерений, является скорректированный дифференциальный поток фильтра, который показывает распределение потока на единицу изменения размера, т.е. увеличение скорости потока на единицу увеличения диаметра пор. Это также определяется как распределение пор по размерам.

Смачивающие жидкости

Выбор смачивающей жидкости важен, поскольку он определяет измеряемый диапазон размеров пор для данного давления. Некоторые распространенные смачивающие жидкости, используемые в капиллярной порометрии, включают воду , спирты , силиконовое масло и перфторэфиры. Использование воды и/или спиртов имеет тот недостаток, что они могут испаряться и, следовательно, образцы могут частично высохнуть до того, как начнется фактическое испытание на порометрию. Кроме того, вода, например, имеет относительно высокое поверхностное натяжение (γ= 72 дин/см) по сравнению с перфторэфирами (например, γ= 16 дин/см), а это означает, что для измерения того же размера пор использование воды в качестве смачивающей жидкости требуется приложить в 4 раза большее давление, чем при использовании перфторэфиров. Силиконовое масло не имеет недостатка испарения, но его высокая вязкость затрудняет очистку деталей оборудования между различными измерениями. Перфторэфиры имеют очень низкое поверхностное натяжение и низкое давление пара , что делает их невосприимчивыми к проблеме испарения . Обычно они не вступают в реакцию с образцами и не вызывают их набухания. В принципе, универсальной смачивающей жидкости не существует, и выбор той или иной жидкости зависит от применения и типа охарактеризуемого образца. Тем не менее, важно всегда использовать одну и ту же смачивающую жидкость при сравнении результатов.