Определение параметров нетканых материалов методом порометрии капиллярного потока

МАЯ162016

Термин «нетканый материал» относится к материалу, полученному без применения методов плетения или вязания. Волокна в этом случае связаны между собой химическим или механическим способом. Нетканые материалы используются в самых разных сферах деятельности (строительство и сельское хозяйство, производство одежды и обуви, медицина, транспорт, упаковка, спортивные и защитные материалы и пр.). По данным 2013 г объем рынка нетканых материалов оценивался в 5,4 млрд $, при этом спрос ежегодно увеличивается на 5,7 %. Возможность оценить параметры материала позволяет в дальнейшем влиять на их характеристики и изменять свойства.

Для определения размеров пор с высокой точностью и воспроизводимостью используется метод порометрии капиллярного потока, основанный на вытеснении смачивающей нетоксичной жидкости из пор материала инертным газом под давлением. Более крупные поры, при этом, открываются в первую очередь; с ростом давления газ выдавливает жидкость из пор меньшего размера до момента, пока не откроется наименьшая пора. Таким образом выстраивается зависимость расхода газа от приложенного давления.

Для вычисления размеров пор используется уравнение Юнга-Лапласа:

где Р – давление газа, требуемое для вытеснения жидкости

θ – угол контакта жидкости

γ – поверхностное натяжение жидкости

D – диаметр поры, вскрываемой при данном давлении

Применение нетканых материалов

Метод порометрии капиллярного потока реализован в порометре Porolux^TM 100 NV, который разработан специально для исследования нетканых материалов. В процессе анализа происходит плавный рост давления и расхода газа через образец, что позволяет получать результат с высокой воспроизводимостью и за короткое время. Подобные преимущества делают прибор незаменимым для контроля качества материалов.

Максимальное рабочее давление газа, создаваемое над образцом, 1,5 бар (22 psi), при этом охватываемый диапазон пор материала 0,427 – 500 мкм.

Определение первой точки пузырька (или наибольшего размера поры в материале) происходит в соответствии со стандартом ASTM F-316-03. Первая точка пузырька определяется как давление, требуемое для установления непрерывного потока пузырьков сквозь жидкость над образцом. Поскольку такой подход достаточно субъективен, единого критерия расчета ПТП не существует.

В Porolux^TM 100 NV пользователю предлагается на выбор расчет ПТП при давлении, соответствующем потоку 30,50,100 мл/мин или измерение давления, при котором прибор детектирует поток газа через образец.

В приведенном ниже примере первая точка пузырька рассчитывалась исходя из давления, при котором прибор фиксировал поток газа через образец. Для нетканых и любых других высокопористых материалов такой подход является приоритетным, поскольку зачастую очень сложно рассчитать ПТП при некотором конкретном значении потока газа через образец (например, 30 мл/мин). В ходе каждого измерения были получены 30 точек в диапазоне 0-100 мбар. Для каждого образца было выполнено по 3 измерения. В таблице ниже приведены значение первой точки пузырька, размер поры при усредненном потоке и размер наименьшей поры. В качестве исследуемых материалов были выбраны спанбонд (А) и мелтблаун (В):

В ходе измерения были получены сухая и мокрая кривые. Полусухая кривая рассчитывалась делением пополам значений расхода газа через образец при сухом измерении. Размер пор при усредненном потоке вычислялся при давлении, которое соответствовало пересечению сухой и полусухой кривых.

Для определения размера наименьшей поры бралось давление, которое соответствовало пересечению сухой и мокрой кривых. Все три кривые для образца А представлены ниже на графике. Примечательно, что для нетканых материалов характерна округлая форма сухой кривой.

Расход газа через образец использовался для расчета интегральной и дифференциальной пропускной способности материала (распределения пор по размерам).

Соответствующие кривые для образца В показаны на графике ниже:

Таким образом, порометр Porolux^TM 100 NV является незаменимым инструментом для определения ключевых параметров нетканых материалов.

Подробные характеристики газо-жидкостного порометра POROLUX™ 100