多孔材料孔徑及孔徑分布測試方法

袁 英，董領(lǐng)峰

（西部寶德科技股份有限公司，陜西 西安 710116）

孔徑與孔徑分布是多孔材料最為重要的特性，它與多孔材料的過濾精度、過濾效率、流體滲透能力有直接關(guān)系，是設(shè)計、應(yīng)用時選擇多孔材料的重要依據(jù)[1]。由于多孔材料的材質(zhì)和種類繁多，孔隙形貌、孔隙尺寸復(fù)雜多樣，要準(zhǔn)確判定多孔材料的孔徑及孔徑分布比較困難，往往要將多種因素綜合起來進行分析，選擇合適的方法來表征孔徑及孔徑分布至為重要。

1 孔徑及孔徑分布的常用檢測方法

多孔材料孔徑與孔徑分布的測量方法概括起來有直接法和間接法兩類[2]。

1.1 直接法

通過電子顯微鏡結(jié)合計算機圖像分析技術(shù)，直接形象地觀測多孔材料表面局部孔的孔徑。

直接法主要有顯微鏡觀測法、掃描電鏡照相—計算機圖像分析法。

1.2 間接法

間接測量法是利用與孔尺寸有關(guān)的物理現(xiàn)象和參數(shù)，通過實驗測出相應(yīng)的物理參數(shù)，計算出的等效孔徑。

間接法主要包括泡點壓力法、氣液置換法、液—液置換法、壓汞法、氣體吸附法、標(biāo)準(zhǔn)粒子法、截留分子量法。

2 孔徑及孔徑分布的檢測方法的原理、測試范圍、優(yōu)缺點比較

多孔材料孔徑范圍廣，最大可達到幾毫米，最小到納米，材質(zhì)多樣(金屬材料、陶瓷材料、高分子材料及其復(fù)合材料)，制造方法不同，孔隙形貌、尺寸復(fù)雜多樣。因而多孔材料孔徑與孔徑分布測試方法有多種，常用檢測方法的使用范圍、優(yōu)缺點的比較見表1。

氣液置換法、液—液置換法、壓汞法、氣體吸附法能測試最大孔徑、平均孔徑及孔徑分布，標(biāo)準(zhǔn)粒子法、截留分子量法只能測試孔徑。

由于不同方法測試的原理及所依據(jù)的物理效應(yīng)即理論模型不同，所以，采用不同測試方法得到的孔徑指標(biāo)的測試結(jié)果存在差異，測試結(jié)果一定要注明測試方法、測試標(biāo)準(zhǔn)。

3 孔徑及孔徑分布測試方法的選擇

孔徑及孔徑分布每種測試方法都有一定的測試范圍，所以測試方法的選擇首先考慮孔徑，根據(jù)樣品的孔徑大小選擇適合的方法。例如大于0.5um的微濾膜選用氣液置換法。

其次考慮樣品的材質(zhì)強度、材質(zhì)與試驗液體的浸潤性。因為氣液置換法、液—液置換法、壓汞法測試時有一定壓力，強度差的樣品會變形，影響測試的準(zhǔn)確性。金屬多孔材料強度好，經(jīng)常采用氣液置換法、液—液置換法。而高分子材料強度低，小孔徑宜采用氣體吸附法、標(biāo)準(zhǔn)粒子法、截留分子量法而不適合采用氣液置換法、液—液置換法。若多孔材料的材質(zhì)與試驗液體不浸潤，不能使用氣液置換法、液—液置換法。

然后孔徑及孔徑分布的測試方法選擇與使用工況相對應(yīng)，過濾材料最好用過濾法--標(biāo)準(zhǔn)粒子法，其次選擇能測試貫通孔的方法氣液置換法、液—液置換法，截留分子量法，對阻火材料、隔音材料和電池電極材料最好壓汞法、氮氣吸附法[3]。

再次孔徑及孔徑分布的測試還需要考慮設(shè)備資源和成本、測試周期，盡量利用內(nèi)部檢測設(shè)備及低成本簡單易行的方法。對于納米級金屬及陶瓷膜多孔材料可以采用顯微鏡法。

表1 幾種檢測方法的使用范圍、優(yōu)缺點

綜合以上分析，孔徑及孔徑分布的測試方法選擇要在選擇依據(jù)孔徑大小的基礎(chǔ)上，結(jié)合材質(zhì)、孔隙形貌、使用工況、設(shè)備資源、成本綜合考慮。

4 最簡便實用的孔徑測試方法-氣泡法測試過程準(zhǔn)確性的影響因素

泡點壓力法、氣液置換法因測試時有氣泡產(chǎn)生常稱作氣泡法，是孔徑測量最為普遍的方法。氣泡法是用浸潤性良好的液體浸潤試樣，然后用氣體將試樣孔隙中浸入的液體緩慢推出。依據(jù)壓力差根據(jù)公式d=4Ycosθ/ΔP可計算出多孔試樣的等效毛細(xì)管直徑。

氣泡法測試方法簡單，測試裝置容易建立，測試快捷，結(jié)果穩(wěn)定，是普遍接受和采用的孔徑測試方法，已經(jīng)形成國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T5249-2015 GB/T32361-2015、HY/T051-1999。

氣泡法測試過程中諸多因素影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測試時需要注意以下幾點：

（1）試樣處理：測試之前，應(yīng)從試樣的微孔中去除所有液體，確保其孔中沒有液體堵塞。如果多孔試樣有油脂，應(yīng)使用合適的溶劑去除[4]。測試前，試樣應(yīng)干燥。

（2）浸潤液的影響：浸潤液體應(yīng)根據(jù)多孔試樣的材質(zhì)選擇，測試時需要乘以cosθ，能和金屬完全浸潤的液體中95%乙醇、甲醇、異丙醇等均具有較好的浸潤性，浸潤角θ可視為0°。

（3）樣品浸潤從樣品一面浸潤，不能泡在浸潤液里，這樣會產(chǎn)生氣體夾雜在孔道中。

（4）試樣在浸潤液體中預(yù)浸泡10分鐘～15分鐘，使整個試樣的孔充滿液體?？讖捷^小、厚度較厚的試樣應(yīng)該真空浸潤。

（5）試樣形狀選用合適的夾具，保證試樣被浸潤液體完全浸沒。從液體表面到試樣表面的高度應(yīng)大于10mm，而且在整個測試過程中保持不變。

（6）密封：試樣與夾具密封要好，片狀試樣測試時密封圈用O型圈比片狀密封墊效果好，將O型圈鑲嵌在夾具的槽內(nèi)，測試面積穩(wěn)定，同時不漏氣，測試準(zhǔn)確。

如果氣泡出現(xiàn)在密封部位附近，應(yīng)檢查是否密封，再重新加壓測量。

（7）加壓速度：測量時應(yīng)緩慢通氣，氣壓從零開始，以20Pa/s～100Pa/s（根據(jù)孔徑確定）的速率加壓，孔徑越大泡點壓力越小，因此升壓速度越慢。實驗表明，壓力增加速度越小，則測量效果越好，否則所測得的孔徑偏高。

（8）管（環(huán)）狀試樣測試：必須在液體中沿對稱軸水平轉(zhuǎn)動。

（9）孔梯度樣品測試：粗孔基體上復(fù)合細(xì)孔層的試樣（孔梯度，膜等）樣品，測試時細(xì)孔層為觀察面。

（10）第一氣泡點假象：不連續(xù)的氣泡不是第一氣泡點，那是假象，是孔道中浸潤液體從兩面浸潤而夾雜的氣體。

（11）試樣如果需要再次測量，試樣應(yīng)烘干后重新進行浸潤。

（12）單位換算：

根據(jù)氣泡法計算公式d=4γ.cosθ/ΔP，ΔP=Pg-P1=Pg-ρgh

公式中常用計量單位與國際單位差別大，孔徑常用微米，而國際單位米，液面高度h常用mm，國際單位為米，因此切記計算時單位統(tǒng)一換算為國際單位。

5 結(jié)論

多孔材料孔徑與孔徑分布的測試方法有多種，每種方法都有其測試范圍及優(yōu)缺點。

孔徑及孔徑分布的測試方法選擇要在選擇依據(jù)孔徑大小的基礎(chǔ)上，結(jié)合材質(zhì)、孔隙形貌、使用工況、設(shè)備資源、成本等合考慮。

最簡便實用的孔徑測試方法-氣泡法測試過程準(zhǔn)確性的影響因素—樣品的處理浸潤方法、升壓速度、孔梯度樣品觀察面、孔道夾雜氣體等因素。