Проникновение

В физике и технике жидкости , проникновение (также называемое пропиткой ) — это проникновение пермеата ( такой как жидкость , газ или пар ) через твердое тело. Это напрямую связано с градиентом концентрации пермеата, собственной проницаемостью материала материала и коэффициентом диффузии массы . ^[1] Проницаемость моделируется такими уравнениями, как законы диффузии Фика , и может быть измерена с помощью таких инструментов, как минипермеаметр .

Описание

Процесс проникновения включает диффузию молекул, называемых пермеантом, через мембрану или интерфейс. Проникновение происходит посредством диффузии; пермеант будет перемещаться от высокой концентрации к низкой концентрации через границу раздела. Материал может быть полупроницаемым, с наличием полупроницаемой мембраны . Только молекулы или ионы с определенными свойствами смогут диффундировать через такую мембрану. Это очень важный механизм в биологии, где жидкость внутри кровеносного сосуда необходимо регулировать и контролировать. Проникновение может происходить через большинство материалов, включая металлы, керамику и полимеры. Однако проницаемость металлов значительно ниже, чем у керамики и полимеров из-за их кристаллической структуры и пористости.

Проницаемость – это то, что необходимо тщательно учитывать во многих применениях полимеров из-за их высокой проницаемости. Проницаемость зависит от температуры взаимодействия, а также характеристик как полимера, так и проницаемого компонента. В процессе сорбции молекулы пермеанта могут либо абсорбироваться, либо десорбироваться на границе раздела. Проницаемость материала можно измерить с помощью многочисленных методов, которые количественно определяют проницаемость вещества через конкретный материал.

Проницаемость, обусловленная диффузией, измеряется в единицах СИ моль/(м･с･Па), хотя Барреры также широко используются. Проницаемость, обусловленную диффузией, не следует путать с проницаемостью (науки о Земле), обусловленной потоком жидкости в пористых твердых телах, измеряемой по Дарси. ^[2]^[3]

Связанные термины

Проницающий: Вещество или разновидность, ион, молекулы, проникающие через твердое тело.
Полупроницаемость: Свойство материала быть проницаемым только для некоторых веществ и непроницаемым для других.
Измерение проницаемости: метод количественной оценки проницаемости материала для конкретного вещества.

История

Аббат Жан-Антуан Нолле (физик, 1700–1770)

Нолле пытался запечатать контейнеры с вином свиным пузырем и хранить их под водой. Через некоторое время мочевой пузырь выпячивался наружу. Он заметил высокое давление, возникшее после того, как он проколол мочевой пузырь. Любопытно, что он проделал эксперимент наоборот: наполнил контейнер водой и хранил ее в вине. Результатом стало выпячивание мочевого пузыря внутрь. Его заметки об этом эксперименте — первое научное упоминание о проницаемости (позже ее назовут полупроницаемостью).

Томас Грэм (химик, 1805–1869)

Грэм экспериментально доказал зависимость диффузии газа от молекулярной массы , которая сейчас известна как закон Грэма .

Ричард Баррер (1910–1996)

Баррер разработал современную технику измерения Баррера и впервые применил научные методы измерения скорости проникновения.

Приложения

Упаковка : проницаемость упаковки (материалы, уплотнения, затворы и т. д.) должна соответствовать чувствительности содержимого упаковки и указанному сроку хранения . Некоторые упаковки должны иметь почти герметичные швы , тогда как другие могут (а иногда и должны) быть избирательно проницаемыми. Поэтому знание точных скоростей проникновения имеет важное значение.

Шины : Давление воздуха в шинах должно снижаться как можно медленнее. Хорошая шина — это та, из которой выходит наименьшее количество газа. Проникновение в шины будет происходить со временем, поэтому лучше знать проницаемость материала, из которого состоит шина, для нужного газа, чтобы изготовить наиболее эффективные шины.
Изоляционный материал: паропроницаемость изоляционного материала важна, как и для подводных кабелей, для защиты проводника от коррозии .
Топливные элементы : Автомобили оснащены топливными элементами с полимерно-электролитной мембраной (PEM) для преобразования водородного топлива и кислорода, содержащихся в атмосфере, в производство электроэнергии. Однако эти элементы производят только около 1,16 вольт электроэнергии. Для питания автомобиля несколько ячеек объединяются в стопку. Выходная мощность батареи зависит как от количества, так и от размера отдельных топливных элементов.
Трубы из термопластика и термореактивного материала. Трубы, предназначенные для транспортировки воды под высоким давлением, можно считать неисправными, если наблюдается заметное проникновение воды через стенку трубы на внешнюю поверхность трубы.
Медицинское использование: Проникновение также можно увидеть в медицинской сфере при доставке лекарств. Пластыри с лекарственными средствами, изготовленные из полимерного материала, содержат химический резервуар, который загружен сверх его растворимости и затем переносится в организм при контакте. Чтобы химическое вещество попало в организм, оно должно проникнуть и диффундировать через полимерную мембрану в соответствии с градиентом концентрации. Из-за чрезмерной растворимости резервуара транспорт препарата осуществляется по механизму «всплеск-лаг». При контакте пластыря с кожей наблюдается высокая скорость переноса лекарства, но с увеличением времени устанавливается градиент концентрации, что означает, что скорость доставки лекарства становится постоянной. Это имеет решающее значение для доставки лекарств и используется в таких случаях, как система Ocusert. Но в медицинской сфере можно встретить и противоположный случай. Поскольку ампулы могут содержать высокочувствительные фармацевтические препараты для инъекций, крайне важно, чтобы используемый материал предотвращал попадание любых веществ в фармацевтический продукт или испарение из него. Для этого ампулы часто изготавливают из стекла и реже из синтетических материалов.
Техническое использование: При производстве галогенных ламп галогенные газы должны быть очень плотно инкапсулированы. Алюмосиликатное стекло может стать идеальным барьером для герметизации газа. Таким образом, переход к электроду имеет решающее значение. благодаря совпадению тепловых расширений стеклянного Но корпуса и металла переход работает.

Измерение проницаемости

Проницаемость пленок и мембран можно измерить с помощью любого газа или жидкости. В одном методе используется центральный модуль, который отделен тестовой пленкой: тестовый газ подается с одной стороны ячейки, а проникший газ переносится к детектору продувочным газом. На диаграмме справа показана испытательная камера для пленок, обычно изготовленная из металлов, например нержавеющей стали . На фотографии изображена испытательная камера для труб из стекла , похожая на конденсатор Либиха . Испытательная среда (жидкость или газ) находится во внутренней белой трубе, а пермеат собирается в пространстве между трубой и стеклянной стенкой. Он транспортируется продувочным газом (подключенным к верхнему и нижнему патрубку) к анализирующему устройству.

Проницаемость также можно измерить посредством периодического контакта. Этот метод включает в себя взятие образца тестируемого химиката и помещение его на поверхность материала, проницаемость которого наблюдается при добавлении или удалении определенных количеств тестируемого химиката. По истечении известного периода времени материал анализируется, чтобы определить концентрацию испытуемого химического вещества, присутствующего во всей его структуре. Наряду с количеством времени, в течение которого химическое вещество находилось на материале, и анализом испытуемого материала, можно определить совокупную проницаемость испытуемого химического вещества.

В следующей таблице приведены примеры расчетного коэффициента проницаемости некоторых газов через силиконовую мембрану.

Название газа	Химическая формула	Коэффициент проницаемости силикона ( баррер )*
Кислород	Около ₂	600
Водород	Ч ₂	650
углекислый газ	СО ₂	3250
Метанол	СН ₃ ОН	13900
Вода	Н ₂ О	36000

* 1 взмах = 10 ⁻¹⁰ см ³ (СТП) · см/см ² · с · см-рт.ст.

Если не указано иное, проницаемость измеряется и сообщается при 25 °C (RTP), а не (STP).От У. Л. Робба. Тонкие силиконовые мембраны – их проницаемость и некоторые применения. Анналы Нью-Йоркской академии наук, том. 146, (январь 1968 г.), выпуск 1. Материалы, стр. 119–137. ^[4]

Приближение с использованием первого закона Фика.

Поток или поток массы пермеата через твердое тело можно смоделировать с помощью первого закона Фика .

{\bigg .}J=-D{\frac {\partial \phi }{\partial x}}{\bigg .}

Это уравнение можно преобразовать в очень простую формулу, которую можно использовать в основных задачах для аппроксимации проникновения через мембрану.

{\bigg .}J=-D{\frac {(C_{2}-C_{1})}{\delta }}{\bigg .}

где

$J$ это «диффузионный поток»
$\,D$ это коэффициент диффузии или коэффициент диффузии массы
$C$ это концентрация пермеата
$\,\delta$ это толщина мембраны

Мы можем представить $S$ в это уравнение, которое представляет собой параметр сорбционного равновесия, который представляет собой константу пропорциональности между давлением ( $p$ ) и $C$ . Эту связь можно представить как $C=Sp$ .

{\bigg .}J=-D{\frac {S(p_{2}-p_{1})}{\delta }}{\bigg .}

Коэффициент диффузии можно объединить с параметром сорбционного равновесия, чтобы получить окончательную форму уравнения, где $P$ это проницаемость мембраны. Отношения $P=SD$

{\bigg .}J=-{\frac {P(p_{2}-p_{1})}{\delta }}{\bigg .}

Растворимость газа в металле

В практических приложениях при рассмотрении газов, проникающих в металлы, существует способ связать давление газа с концентрацией. Многие газы в газовой фазе существуют в виде двухатомных молекул, но, проникая в металлы, они существуют в своей единственной ионной форме. Закон Сивертса гласит, что растворимость газа в форме двухатомной молекулы в металле пропорциональна квадратному корню из парциального давления газа.

В этом случае поток можно аппроксимировать уравнением

{\bigg .}J=-D{\frac {(S_{1}-S_{2})}{\delta }}{\bigg .}

Мы можем представить $K$ в это уравнение, которое представляет константу равновесия реакции . От отношений $S={K{\sqrt {p_{N}}}}$ .

{\bigg .}J=-D{\frac {K({\sqrt {p_{1}}}-{\sqrt {p_{2}}})}{\delta }}{\bigg .}

Коэффициент диффузии можно объединить с константой равновесия реакции, чтобы получить окончательную форму уравнения, где $P$ это проницаемость мембраны. Отношения $P=KD$

{\bigg .}J=-{\frac {P({\sqrt {p_{1}}}-{\sqrt {p_{2}}})}{\delta }}{\bigg .}

См. также

Скорость передачи паров влаги - мера прохождения водяного пара через вещество.
Скорость проникновения кислорода – показатель проницаемости упаковки.
Скорость передачи углекислого газа
Герметичное уплотнение – Герметичное уплотнение.
Проницаемость (науки о Земле) – мера способности пористого материала пропускать через себя жидкости.

Ссылки

^ Фу, Цзиньлун; Томас, Хиуэл Р.; Ли, Чэньфэн (январь 2021 г.). «Извилистость пористых сред: анализ изображений и физическое моделирование» (PDF) . Обзоры наук о Земле . 212 : 103439. Бибкод : 2021ESRv..21203439F . doi : 10.1016/j.earscirev.2020.103439 . S2CID 229386129 .
^ Карли, словарь Джеймса Ф. Уиттингтона по пластмассам. ЦРК Пресс, 1993.
^ Карли, Джеймс Ф. (8 октября 1993 г.). Словарь пластмасс Уиттингтона, третье издание . ЦРК Пресс. ISBN 9781566760904 . Проверено 20 сентября 2017 г. - через Google Книги.
^ Робб, WL (1968). «Тонкие силиконовые мембраны - их проницаемость и некоторые применения». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 146 (1): 119–137. Бибкод : 1968NYASA.146..119R . дои : 10.1111/j.1749-6632.1968.tb20277.x . ПМИД 5238627 . S2CID 28605088 .

Дальнейшее чтение

Ям, КЛ, Энциклопедия упаковочных технологий , John Wiley & Sons, 2009 г., ISBN 978-0-470-08704-6
Мэсси, Л.К., «Свойства проницаемости пластмасс и эластомеров» , 2003, издательство «Эндрю Паблишинг», ISBN 978-1-884207-97-6
Стандартный метод испытаний ASTM F1249 на скорость проникновения водяного пара через пластиковую пленку и листы с использованием модулированного инфракрасного датчика
Стандартный метод испытаний ASTM E398 на скорость проникновения водяного пара в листовые материалы с использованием динамического измерения относительной влажности
ASTM F2298 Стандартные методы испытаний на сопротивление диффузии водяного пара и сопротивление воздушному потоку материалов одежды с использованием ячейки динамического проникновения влаги
F2622 Стандартный метод испытаний скорости прохождения газообразного кислорода через пластиковую пленку и листы с использованием различных датчиков
G1383: Стандартный метод испытаний на проникновение жидкостей и газов через материалы защитной одежды в условиях периодического контакта.
«Тонкие силиконовые мембраны - их проницаемость и некоторые применения», Анналы Нью-Йоркской академии наук, том. 146, вып. 1 Материалы в, с. 119–137 У. Л. Робб
«Фармацевтические системы доставки лекарств» , Дэвид Джонс; Чиен Ю.В. 2-е изд. Нью-Йорк: Марсель Деккер, Inc; 1993. Новые системы доставки лекарств.
О.В. Малых, А.Ю. Голуб, В. В. Тепляков, «Полимерные мембранные материалы: Новые аспекты эмпирических подходов к прогнозированию параметров газопроницаемости по отношению к постоянным газам, линейным низшим углеводородам и некоторым токсичным газам», Успехи коллоидной и интерфейсной науки , Том 165, выпуски 1–2 , 11 мая 2011 г., страницы 89–99 дои : 10.1016/j.cis.2010.10.004 .
CheFEM 3 — это программное обеспечение FEM на основе уравнения состояния для прогнозирования проникновения полимеров и их композитов, программное обеспечение CheFEM 3 .

[1] Фу, Цзиньлун; Томас, Хиуэл Р.; Ли, Чэньфэн (январь 2021 г.). «Извилистость пористых сред: анализ изображений и физическое моделирование» (PDF) . Обзоры наук о Земле . 212 : 103439. Бибкод : 2021ESRv..21203439F . doi : 10.1016/j.earscirev.2020.103439 . S2CID 229386129 .

[2] Карли, словарь Джеймса Ф. Уиттингтона по пластмассам. ЦРК Пресс, 1993.

[3] Карли, Джеймс Ф. (8 октября 1993 г.). Словарь пластмасс Уиттингтона, третье издание . ЦРК Пресс. ISBN 9781566760904 . Проверено 20 сентября 2017 г. - через Google Книги.

[4] Робб, WL (1968). «Тонкие силиконовые мембраны - их проницаемость и некоторые применения». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 146 (1): 119–137. Бибкод : 1968NYASA.146..119R . дои : 10.1111/j.1749-6632.1968.tb20277.x . ПМИД 5238627 . S2CID 28605088 .

[1]

[2]

[3]

[4]