Способ определения распределения пор по радиусам

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 09) 00 4(51) С 01 И 15/О ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ е О СЛ ОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДКЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71),Ордена Трудового Красного Знамени институт физической химии АН СССР (53) 539.217. 1(088.8)(56) 1. Авторское свидетельство СССР В 562755, кл. С 01 И 15/08, 1976.2, Авторское свидетельство СССР В 685960, кл, С 01 И 15/08, 1978,3. Авторское свидетельство СССР Иф 104315, кл. С 01 В 15/08, 1952 (прототип)(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОР ПО РАДИУСАМ, заключающийся в вакуумировании камеры с помещенным в нее образцом, заполнении камерЫ ртутью и вдавливании ртути в поры образца при последовательно изменяющемсядавлении, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью определения распределения по радиусам сквозных пор, исследуемым образцом разделяют камеруна две электрически изолированные части и при вдавливании ртути одновременно с регистрацией давления регистрируют электрическую проводимостьобразца, причем в качестве измерительных электродов используют ртуть, заполняющую обе части камеры, и на основании зависимости проводимости образца от давления определяют распределение сквозных пор по радиусам.1 11335Изобретение относится к контрольноизмерительной технике исследования фи. зических свойств веществ и может быть использовано в заводской лабораторной Дпрактике, а также при научно-исследо вательской работе и промышленном производстве мембран, 4 серамики,фильтров, адсорбентов и т.п. материалов.Известен способ определения сквозной пористости полимерных пленок, 10 заключающийся в подсчете следов травления металла электролитом, прошедшим через поры в полимерной пленке Я .Однако этот способ очень трудоемок и не дает сведений о размере пор. 15Известен также способ определения пористости полимерного покрытия по измерению тока, текущего через поры покрытия, заполненные электролитом 2 .Однако данный способ не позволяет 20 определить распределение пор,по радиусам и, кроме того, его можно использовать только для достаточно крупных пор, в которых концентрация электролита в поре остается такой,же, как в 25 объеме.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения распределения пор по радиусам, заключающийся в вакуумиро- Зо ванин камеры с помещенным в нее образцом, аполнении камеры ртутью и вдавливании ртути в поры образца при последовательно изменяющемся давлении. На основании полученной программы, т. е3 зависимости количества вдавленной в образец ртути от приложенного давления, рассчитывают распределение пор по радиусам 3 .К недостаткам известного способа 4 О относятся невозможность выделения иэ общего количества пор в образце сквозных пор и определения для них распределения по радиусам, так как количество вдавленной в образец рту- ф 5 ти зависит не только от сквозных пор, но и от .тупиковых. В связи с развитием фильтрационныхметодов,связанных с использованием пористых материалов, во многих случаях необходимо знать способность материалов задерживать или пропускать определенные вещества, Эта способность зависит, в основном, от распределения по радиусам сквозных пор, через которые проходит жид кость или газ, В ряде случаев эта характеристика является определяющей,. Так, работа пористых фильтров, мем 06 2бран, пористых электродов и т,д. зависит от распределения по радиусам именно сквозных пор. Использование для характеристики этих материалов распределения по радиусам всей открытой пористости (по известному способу) дает существенную ошибку, величина которой зависит от вида пористой структуры конкретной мембраны и в общем случае не может быть оценена. Косвенная оцен. ка по фильтрации воды или другой жид-. кости дает значение сквозной пористости для стеклянных мембран в пределах 20-303 от открытой пористости, т,е ошибка может достигать, в некоторых случаях, 300-5007 Кроме того, тупиковыми, т.е. не фильтруюшими порами являются обычно самые тонкие поры из имеющихся в образце. Таким образом, ошибка может быть не только количественная, но и качественная.Целью изобретения является определение распределения по радиусам сквозных пор.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения рас,пределения пор по радиусам, заключающемуся в вакуумированйи камеры с помещенным в нее образцом, заполнении камеры ртутью и вдавливании ртути в поры образца при последовательно изменяющемся давлении, исследуемым образцом разделяют камеру на две электрически изолированные части и при вдавливании ртути одновременно с регистрацией давления регистрируют электрическую проводимость образца, причем в качестве измерительных электродов используют ртуть, заполняющую обе части камеры, и на основании зависимости проводимости образца от давления определяют распределение,сквозных пор по радиусам. На чертеже представлена схема устройства для исследования пористой структуры материалов предлагаемым способом.Устройство содержит бомбу 1 высокого давления, измерительную камеру 2, исследуемый образец 3, заливочиые отверстия 4 и 5, токовые электроды 6 и 7, потенциальные электроды 8 и 9, прибор 10, измеряющий проводимость, трубопровод 11.В бомбу 1 высокого давления помещают измерительную камеру 2. Исследуемым образом 3 разделяют измерительную камеру на две электрически изолирован3 1133ные части. Заливочные .отверстия 4 и5 служат для заполнения камеры ртутью.Две пары электродов - токовые 6,7 ипотенциальные 8,9 служат для подключения прибора 10, измеряющего электрическую проводимость образца. Трубопровод 11 соединяет бомбу 1 высокогодавления с,манометрической измерительной системой и приспособлением для создания давления. Внутренняя часть бом 1 Обы в зависимости от максимальйого используемого давления может быть заполнена газом или не проводящей токжидкостью (трансформаторное масло,спирт и т.д.),15ФЗатем камеру вакуумируют и обе ее части заполняют ртутью, Образуются два ртутных электрода, к которым подключен прибор, измеряющий электричес 20 кую проводимость образца. Так как ртуть не смачивает. материал образца, поры его свободны от ртути и образецявляется изолятором, разделяющим ртутные электроды. Проводимость об- разцаМ 0. Затем давление увеличивают. Когдаоно становится достаточным для заполнения ртутью самых крупных пор, появляется проводимость, которая зависит от радиуса и числа пор,ЗО заполненных ртутью. При дальнейшем 1 увеличении давления заполняются все более мелкие поры и проводимость увеличивается. При заполнении самых мелких сквозных пор в образце его проводимость достигает максимума и при 35 дальнейшем увеличении давления не изменяется. Естественно, что при увеличении давления ртутью заполняются не только сквозные, но и тупиковые поры. Но так как удельное сопротивление ма 40 териала образца много больше удельного сопротивления ртути, то даже небольшой участок образца, отделяющий тупиковую пору от противоположного края образца, является изолятором, 45 который не пропускает электрический ток по тупиковой поре. Поэтому такая пора не вносит вклад в проводимость образца. Следовательно, величина электрической проводимости образца будет 50 зависеть только от ртути, вдавленной в сквозные поры, и не будет. зависеть от ртути, вдавленной в тупиковые поры По полученной зависимости Ж (Р), т.е. но зависимости проводимости образца 55 от давления, рассчитывают распределение по радиусам сквозных пор в образце и его сквозную пористость.где Ь - поверхностное натяжение ртути;8 - краевой угол смачивания;Р - приложенное давление,Проводимость, единичной поры , для цилиндрического проводника можно определить по формуле(2) а проводимость всех пор мембраны радиуса Р -по формуле ЬМ, - ВН (3)рЬгде ЬМ- изменение проводимости образца, вызванное заполнениемртутью пор радиусом 1;- удельное сопротивление ртути,Ь - толщина образца,Отсюда можно вычислить суммарнуюплощадь сечения Ьб сквозных пор радиуса 1аб=ьэерЬ .и их число вМжРЬ(4) Сквозную пористость 3 , равную отношению полной площади всех пор (сквозных) к площади образца 5 о, определяют по формуле,гдето - наибольшее значение проводийщмости образца.Таким образом, обработав зависимость м (Р) по формулам (4) и (5), получают зависимость ь М ) , т.е. распределение сквозных пор по радиусам.Кроме указанного метода расчета распределения сквозных пор по радиусам может применяться метод, основанный на переходе от измеряемой зависимости М,(Р) к обычно используемой в практике ртутной порометрии зависимости объема вдавленной в образец ртути / от давления. Формулу перехода получают умножением обеих частей формулы (4) на и,(7) 506 4В случае цилиндрических пор их радиус Р можно определить по формуле Фай со 9Этот способ расчета позволяет использовать уже разработанный математический аппарат, программы ЭВИ и привычные координаты на графиках.П р и м е р 1. Измеряют распреде ление сквозных пор по радиусам стеклянной мембраны в виде диска диаметром 16 мм и толщиной 5 мм. Для этого мембрану с герметизирующими прокладками зажимают между двумя частями 10 измерительной камеры, При этом рабо-чий участок мембраны (не закрытый прокладками) равен 10 мм. После тщательного вакуумирования обе части камеры заполняют ртутью так, что уро вень ртути в заливочных отверстиях выше рабочего участка мембраны. Затем увеличивают давление в бомбе, одновременно измеряя проводимость мембраны одинарно-двойным мостом типа Р,20 При давлениях, которые меньше 4,6 ат, мембрана является изолятором. Проводи. мость ее вместе с проводимостью, обусловленной токами утечки, не превышает 10 См. При увеличении давле ния до Р =4,6 ат появляется проводимость по ртути Ж=.,0,94 См, а при давлении Р =12,2 ат она достигает максимума М = 178 См, По формуле (1) определяют радиусы максимальных и ми" З 0 ,имальных пор, которые соответственно равны "1 = 1,35 мкгл и Г 2.= 0,52 мкм, а по Формулам (4)-(6) определяют количество пор и сквозную пористость, которая равна 1,1 . Радиус, на кото- З рый приходится максимальная площадь сквозных пор, для исследуемой мембраны равен 1,01 мкм.П р и м е р 2. Измеряют распределение сквозных пор по радиусам поли мерной мембраны в виде диска диаметром 16 мм и толщиной 0,01 мм. Мембрану заливают в измерительной камере, вакуумируют и заполняют ртутью камеру по примеру 1, Затем увеличивают давление в бомбе, одновременно измеряя проводимость мембраны. При увеличении давления до Р = 18, 1 ат появляется проводимость М,= 3,35 См, затем она увеличивается при Р21,1 ат до Ж = 110 См, а при Р =3 1,5 ат резко возрастает до 3, - 2320 См, и при дальнейшем увеличении давления практически не изменяется. По Формуле (1) определяют ради, усы максимальных пор Г 1, пор, отвеча И/////И И К ///1///Фш ШШ Пп, .У ющих за быстрое увеличение проводимости Г 2 и минимальных пор Гкоторые равны соответственно 0,35,0,3 и0,2 мкм, По формуле (5) вычисляют количество пор указанных радиусов, котороеравно И= 88 И =4,210 и В = 1 74 кЯМО . Общая сквозная пористость, вычисленная по формуле (6), равна а= 0,022 ,Приведенными примерами не исчерпываются все возможные случаи реали-зации заявляемого технического реше"ния.Проводят также сравнительные испытания полимерной мембраны предлагаемым устройством и известным.При испытании мембраны известнымустройством радиус, на который приходится максимальная площадь сквозныхпор, равен 0,81 мкм, а пористость 22.При испытании аналогичной мембраныпредлагаемым устройством средний радиус сквозных пор 0,86 мкм, а сквозная пористость 5,4 . Полученные значения находятся в хорошем согласии сФильтрационными экспериментами, Таккоэффициент фильтрации К воды черезиспытуемую мембрану, рассчитанный позначениям радиуса и пористости, полученным при помощи предлагаемого изобретения, равен К 1 = 3,34 10 м /Паес,-8что хорошо согласуется с экспериментально измеренным значением К 1= 3,08 10 м 7/Па с. Отличие составляет 8,4 . Коэффициент Фильтрации,рассчитанный по радиусу и пористости,полученным при помощи базового объекта, равен К = 12,0210 м 7/Па с.Отличие от экспериментально измеренного составляет 291 .,Яо изобретению для испытания используется мембрана площадью 2 см и весом около 0,027 г, тогда как при загрузке поромера для одного испыта-" ния требуется 1-2 г образца, что в 50-100 раз больше.Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить распределение пор по радиусам, а также вычислить сквозную пористость любых материалов и может найти применение в технике при производстве фильтрующих материалов,в медицине и пишевсй промышленностипри контроле отовых фильтров и т.д.Т аж 898 Портисноегород, ул.Проектная, 4