正反面對泡點(diǎn)法測定多層復(fù)合多孔材料孔徑的影響

魯偉濤 何南霏 靳向煜

(東華大學(xué)非織造研究中心，上海，201620)

孔徑大小及分布是多孔材料一個(gè)非常重要的特征指標(biāo)［1］，反映了多孔材料保持顆粒運(yùn)動和穿透的能力，對多孔材料的過濾性能、透氣性能等有顯著的影響。準(zhǔn)確地測量多孔材料的孔徑對材料的評估與應(yīng)用至關(guān)重要。

目前，孔徑測試方法一般分為直接法和間接法［2］。直接法包括顯微鏡觀察法、X衍射小角度散射測量法等，主要用于測量試樣表面空隙的大小。間接法在“孔隙為均勻通直圓孔”的假設(shè)下［3］，計(jì)算出孔隙的等效孔徑，包括壓汞法、泡點(diǎn)法、氣體吸附法等。對于有一定厚度或孔隙深度的多孔材料，大多采用間接測定的方法。本文采用泡點(diǎn)法對多層復(fù)合多孔材料的孔徑進(jìn)行測試。

多層復(fù)合多孔材料是由原料和結(jié)構(gòu)各異的不同基層復(fù)合而成的，試樣兩側(cè)可能存在組成與結(jié)構(gòu)的差異。用泡點(diǎn)法測試時(shí)，試樣放置方式(正面向上還是反面向上)的選擇可能會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。本文就此問題進(jìn)行分析和討論。

1 測試原理

泡點(diǎn)法測試多孔材料孔徑大小的原理如下：首先用浸潤液將樣品浸潤，使孔道充滿液體［如圖1(a)］，孔內(nèi)由于毛細(xì)現(xiàn)象而形成正壓，然后通入壓縮空氣，利用氣體壓力排空孔道［如圖1(d)］。測試過程如圖1所示，可以得到濕態(tài)樣品的壓力—流量曲線。再次通入壓縮空氣，可以測量出干態(tài)樣品的壓力—流量曲線。通過計(jì)算氣體的壓力和流量的變化，可計(jì)算出孔徑大小及孔徑分布。

圖1 泡點(diǎn)法孔徑測試過程

單個(gè)孔徑大小可以通過式(1)［4］計(jì)算得到：

式中：r——孔徑 (μm);

p——?dú)怏w壓力 (kPa);

σ——液體表面張力 (10－5N/cm);

θ——接觸角 (°)。

在計(jì)算平均孔徑時(shí)，找出濕態(tài)樣品流量剛好為干態(tài)樣品流量1/2處的壓力值，在此壓力下求出的孔徑稱為中流量孔徑。這種方法比普通氣泡法更為接近多孔材料的實(shí)際性能［5］。

對多孔材料而言，結(jié)構(gòu)中存在著各種不同形狀的孔［6］，如圖2所示。測定的孔徑代表的是每一個(gè)穿透孔道中最窄位置的孔徑，如圖2(b)和圖2(c)，這些孔在“孔隙為均勻通直圓孔”的假設(shè)下，可以歸化為最窄位置的通直圓孔，如圖2(a)。在多孔材料中，還有可能存在一些無效孔，如圖2(d)，這些孔如果用直接法進(jìn)行測量的話，會對結(jié)果造成一定的影響。

圖2 多孔材料的孔結(jié)構(gòu)示意圖

對于多層復(fù)合多孔材料，結(jié)構(gòu)中孔的形狀各異，非常復(fù)雜。根據(jù)上述理論，都可以歸化為如圖2(a)所示形狀的孔，那么多孔材料的正反面測試結(jié)果應(yīng)該是相同的。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

樣品為4種多層復(fù)合多孔材料，見表1。

表1 試驗(yàn)材料

2.2 試驗(yàn)儀器

美國康塔(Quantachrome)儀器公司POROMETER 3G型全自動薄膜孔徑測量儀。

2.3 浸潤液

由美國康塔儀器公司提供的專業(yè)配備的浸潤液(POROFIL)，其表面張力為16×10－5N/cm，相比于其他浸潤液(如二甲基硅油的表面張力為20×10－5N/cm，水為 72 ×10－5N/cm)，其表面張力較小。由式(1)可看出，表面張力越小，測試所需壓力越低，可避免由于高壓而引起孔變形，保證測試的精確性。

3 結(jié)果與討論

對4種試驗(yàn)材料進(jìn)行孔徑大小及分布測試。其中1#、2#樣品正反面(A、B 面)相同，而 3#、4#樣品的A、B面不同，3#樣品 A面為燒結(jié)處理過的PET材料朝上測試，4#樣品A面為PTFE膜朝上測試。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 孔徑大小測試結(jié)果

由表2可知，1#～3#樣品A、B兩面的最大孔徑、平均孔徑及最小孔徑基本相同，都在誤差范圍之內(nèi)，而4#樣品B面的測試結(jié)果明顯比A面大得多。

從1#、2#樣品的結(jié)果分析，雖然這2個(gè)樣品的層數(shù)不同，生產(chǎn)工藝不同，但是由于各自正反面整體的結(jié)構(gòu)相同，因此A、B兩面的測試結(jié)果基本相同。以2#樣品為例，比較正反面孔徑分布的情況，如圖3(a)和圖3(b)。A面測試的孔徑分布較B面窄，A、B兩面測試的孔徑分布基本上一致，而累積數(shù)量分布更是一致。綜合孔徑大小和孔徑分布，可以斷定該樣品正反兩面的測試結(jié)果基本相同。

圖3 2#樣品孔徑分布圖

3#樣品為PET針刺+玻纖基布的“三明治”結(jié)構(gòu)。從孔徑測試結(jié)果可知，A、B兩面的測試結(jié)果基本一致。再從孔徑分布來看，如圖4(a)和圖4(b)，A面和B面都在孔徑為32 μm處有一個(gè)微小的峰，這是由于針刺時(shí)對試樣有所損傷，針痕周圍孔徑會稍大，且兩者都在17 μm處孔徑數(shù)量最多，孔徑分布趨于一致，因此可以判定正反面測試結(jié)果也基本相同。這說明燒結(jié)處理并沒有從本質(zhì)上改變其微觀結(jié)構(gòu)，不會對孔徑測試產(chǎn)生影響。

圖4 3#樣品孔徑分布圖

4#樣品B面的測試結(jié)果明顯比A面大，為了確定這不是由誤差等原因引起的，進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

從表3中看到，驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果仍是B面的孔徑比A面大，并且無論是最大孔徑、最小孔徑，還是平均孔徑，都是B面朝上測試的結(jié)果偏大。再從驗(yàn)證性測試的孔徑分布圖來分析，如圖5(a)和圖5(b)，明顯可以看到B面的分布圖往孔徑大的一邊偏移很多。圖5(a)中，大于0.5 μm的孔不到5%，大于 0.4 μm 的孔約占 30%;而圖5(b)中，大于 0.5 μm 的孔約占 18%，大于 0.4 μm 的孔約占95%。

表3 4#樣品孔徑測試結(jié)果

圖5 4#樣品孔徑分布圖

由泡點(diǎn)法測試原理可知，材料的孔徑越小，所需的測試壓力越大。4#樣品兩層的結(jié)構(gòu)孔徑值差異大，吹干各層孔內(nèi)浸潤液所需的壓力也就相差較大。當(dāng)將4#樣品紡黏熱軋非織造布一面朝上測試時(shí)，氣流從該樣品的大孔徑層進(jìn)入后到達(dá)PTFE膜的小孔徑層，所需氣流壓力突然增大，該過程可能造成非織造布與膜的剝離，氣體會從層間吹過，從而影響測試結(jié)果。

試驗(yàn)表明，對于這種正反面孔徑值差異較大的材料，應(yīng)將多層復(fù)合多孔材料在實(shí)際應(yīng)用中的作用面朝上測試。

4 結(jié)語

本文采用泡點(diǎn)法對幾種多層復(fù)合多孔材料進(jìn)行了孔徑測試。結(jié)果表明：正反面測試的孔徑大小及分布與樣品層數(shù)無關(guān)，只與樣品正反面整體的材料結(jié)構(gòu)有關(guān);多層復(fù)合多孔材料正反面的組成與結(jié)構(gòu)一致時(shí)，泡點(diǎn)法測試時(shí)試樣的放置方式對測試結(jié)果沒有影響。

多層復(fù)合多孔材料正反面的組成與結(jié)構(gòu)不一致時(shí)，若兩者孔徑值差異不大，則對測試結(jié)果基本沒有影響;若兩者孔徑值差異較大，則測試結(jié)果存在一定差異。對于這種情況，在測試孔徑時(shí)，應(yīng)將多層復(fù)合多孔材料在實(shí)際應(yīng)用中的作用面朝上測試才能較準(zhǔn)確地反映多孔材料的孔徑狀況。

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