Порометрия капиллярного потока - Capillary flow porometry - Wikipedia

Порометрия капиллярного потока, также известный как порометрия, представляет собой метод определения характеристик, основанный на вытеснении смачивающей жидкости из пор образца путем подачи газа под увеличивающимся давлением. Он широко используется для измерения минимального, максимального (или первой точки кипения) и среднего размера пор потока, а также распределения размеров сквозных пор в мембраны ^[1] нетканые материалы, бумага, фильтрация и среда ультрафильтрации, полые волокна,^[2] керамика, так далее.

В капиллярной порометрии инертный газ используется для вытеснения жидкость, который находится в порах. Давление, необходимое для опорожнения поры, соответствует давлению, необходимому для откачивания жидкости из наиболее суженной части поры. Эта наиболее узкая часть является наиболее сложной и обеспечивает самое высокое сопротивление удалению смачивающей жидкости. Этот параметр очень важен для фильтрации и аналогичных приложений, поскольку важно знать наименьший диаметр сквозных пор.

Расчет размера поры

Чтобы измерить размер пор методом капиллярной порометрии, необходимо пропитать образцы смачивающей жидкостью. Для вытеснения жидкости, находящейся в порах, используется поток инертного газа, и измеряется давление, необходимое для опорожнения наиболее суженной части поры.^[3] Наиболее суженная часть поры является наиболее сложной, поскольку она обеспечивает самое высокое 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 с использованием Формула Юнга-Лапласа P = 4 * γ * cos θ * / D, в котором D - диаметр поры, P - давление измеряется, γ - поверхностное натяжение смачивающей жидкости, θ - угол контакта смачивающей жидкости образцом. Поверхностное натяжение γ является измеряемым физическим свойством и зависит от используемой смачивающей жидкости. Краевой угол θ зависит от взаимодействия материала и смачивающей жидкости. В порометрии капиллярного потока, в отличие от ртутная порозиметрия, смачивающая жидкость самопроизвольно попадает в поры образца, обеспечивая полное смачивание материала, и поэтому угол контакта смачивающей жидкости с образцом равен 0, и предыдущая формула может быть упрощена как: P = 4 * γ / D.

Методы измерения

Сканирование давления

Рисунок 1. Непрерывное увеличение давления во времени.

Это традиционный подход, при котором давление непрерывно увеличивается с постоянной скоростью (рис. 1), которая может быть изменена в зависимости от прибора и требований пользователя, а также измеряется поток газа через образец. Опять же, количество полученных точек данных может регулироваться пользователем. Это быстрый и воспроизводимый метод, который обычно рекомендуется для контроль качества работы и для образцов со всеми порами одинаковыми. Однако важно учитывать, что когда образцы представляют собой сложную структуру и со значительным количеством пор различной извилистость возможно, что во время сканирования давления поры с одинаковым диаметром, но с более длинным ходом пор не опустошаются при давлении, соответствующем их диаметру (если сканирование выполняется быстро, нет времени, чтобы позволить потоку газа вытеснить смачивающую жидкость через поры длина). Как следствие, поры с большей длиной пор будут иметь меньший размер, чем фактические.

Шаг давления / стабильность

Рис. 2. Постепенное увеличение давления во времени, поддержание фактического давления в течение определенного времени перед его повышением до следующего значения.

Метод давления / ступенчатой стабильности^[4] представляет собой альтернативу методу сканирования давления, который позволяет более точно измерять размеры пор. Он учитывает различную извилистость и длину пор одного диаметра. Получение точки данных выполняется 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 для того, чтобы поток газа вытеснил смачивающую жидкость в длинные извилистые поры одинакового диаметра. Поэтому метод ступенчатого давления / стабильности является наиболее рекомендуемым для исследования и разработки Кроме того, принцип измерения шага / стабильности давления позволяет измерять истинную первую точку пузыря (FBP), в отличие от метода сканирования давления, который позволяет рассчитывать только FBP при выбранных расходах.

Измеренная первая точка пузыря (FBP)

FBP определяется ASTM Ф-316-03 стандарт ^[5] как давление, при котором обнаруживаются первые непрерывные пузырьки газа. На практике FBP ассоциируется с наибольшим или максимальным размером пор. Расчет FBP требует выбора определенного минимального потока (например, 30, 50, 100 мл / мин) и, когда он достигается, записывают давление. Затем это давление используется для расчета размера FBP. Вопрос в том, чтобы выбрать минимальный поток через образец, и основным недостатком является то, что этот минимальный поток отличается для каждой пробы, и его непросто определить априори. Если для расчета выбран определенный минимальный поток, возможно, что самая большая пора в образце уже была открыта некоторое время до того, как этот конкретный поток был определен. С помощью метода шага / стабильности можно измерить истинное FBP. При подаче постоянного потока газа перед открытием самого большого потока давление увеличивается линейно. В момент, когда поток газа проходит через образец через самую большую пору, давление падает, и именно это давление соответствует FBP образца.

Измеренные параметры

Рисунок 1. Параметры, измеренные в порометрии.

Порометрия капиллярного потока позволяет получить несколько параметров и информацию за одно индивидуальное и быстрое измерение. Как правило, сначала проводятся измерения с влажным образцом (пропитанным смачивающей жидкостью). Это обычно известно как «мокрый прогон», и представление потока газа в зависимости от приложенного давления представляет собой так называемую «влажную кривую». После мокрого прогона проводится измерение того же образца в сухом состоянии для регистрации аналогичной «сухой кривой». Полусухая кривая рассчитывается и представляется путем деления значений расхода по отношению к приложенному давлению на 2, и она также представлена на том же графике. Из представления трех кривых можно определить соответствующую информацию об образце: максимальный размер пор (или первая точка пузырька) регистрируется при обнаружении потока газа через образец (см. пояснение к FBP выше), средний размер пор потока соответствует размеру пор, рассчитанному при давлении, где влажная кривая и половина сухая кривая пересекается (соответствует размеру пор, при котором может быть учтено 50% от общего потока газа), а минимальный размер пор определяется давлением, при котором пересекаются влажная и сухая кривая (с этого момента поток будет быть таким же, потому что все поры опустошены).

Помимо этих индивидуальных размеров пор, одно и то же измерение CFP позволяет представить совокупное распределение потока через фильтр в зависимости от размера пор, что дает информацию о процентном соотношении совокупного общего потока через образец, который проходит через поры большего размера, чем определенный ценить. Другая информация, которую можно получить из измерений, - это скорректированный дифференциальный поток в фильтре, который показывает распределение потока на единицу изменения размера, то есть 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 диапазон измеряемых размеров пор для данного давления. Некоторые распространенные смачивающие жидкости, используемые в капиллярной порометрии, включают: воды, спирты, силиконовое масло и перфторэфиры. Использование воды и / или спиртов имеет тот недостаток, что они могут испаряться, и поэтому образцы могут частично высохнуть до начала фактического порометрического испытания. Также вода, например, имеет относительно высокий поверхностное натяжение (γ = 72 дин / см) по сравнению с перфторэфирами (например, γ = 16 дин / см), что означает, что для измерения того же размера пор с использованием воды в качестве смачивающей жидкости требуется приложение в 4 раза большее давление, чем при использовании перфторэфиры. Силиконовое масло не имеет недостатка испарения, но имеет высокий вязкость затрудняет очистку деталей оборудования в перерывах между измерениями. Перфторэфиры имеют очень низкое поверхностное натяжение и низкое давление пара, что делает их невосприимчивыми к проблеме испарение. Обычно они не вступают в реакцию с образцами и не вызывают их набухание. В принципе не существует универсальной смачивающей жидкости, и выбор той или иной зависит от области применения и типа исследуемого образца. Тем не менее, при сравнении результатов важно всегда использовать одну и ту же смачивающую жидкость.