正反面對泡點法測定多層復合多孔材料孔徑的影響

魯偉濤 何南霏 靳向煜

(東華大學非織造研究中心，上海，201620)

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

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”的假設下［3］，計算出孔隙的等效孔徑，包括壓汞法、泡點法、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。本文采用泡點法對多層復合多孔材料的孔徑進行測試。

多層復合多孔材料是由原料和結構各異的不同基層復合而成的，試樣兩側可能存在組成與結構的差異。用泡點法測試時，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果產生影響。本文就此問題進行分析和討論。

1 測試原理

泡點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)］，孔內由于毛細現象而形成正壓，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，可以得到濕態樣品的壓力—流量曲線。再次通入壓縮空氣，可以測量出干態樣品的壓力—流量曲線。通過計算氣體的壓力和流量的變化，可計算出孔徑大小及孔徑分布。

圖1 泡點法孔徑測試過程

單個孔徑大小可以通過式(1)［4］計算得到：

式中：r——孔徑 (μm);

p——氣體壓力 (kPa);

σ——液體表面張力 (10－5N/cm);

θ——接觸角 (°)。

在計算平均孔徑時，找出濕態樣品流量剛好為干態樣品流量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際性能［5］。

對多孔材料而言，結構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行測量的話，會對結果造成一定的影響。

圖2 多孔材料的孔結構示意圖

對于多層復合多孔材料，結構中孔的形狀各異，非常復雜。根據上述理論，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果應該是相同的。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

樣品為4種多層復合多孔材料，見表1。

表1 試驗材料

2.2 試驗儀器

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 結果與討論

對4種試驗材料進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。試驗結果如表2所示。

表2 孔徑大小測試結果

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，而4#樣品B面的測試結果明顯比A面大得多。

從1#、2#樣品的結果分析，雖然這2個樣品的層數不同，生產工藝不同，但是由于各自正反面整體的結構相同，因此A、B兩面的測試結果基本相同。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”結構。從孔徑測試結果可知，A、B兩面的測試結果基本一致。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處有一個微小的峰，這是由于針刺時對試樣有所損傷，針痕周圍孔徑會稍大，且兩者都在17 μm處孔徑數量最多，孔徑分布趨于一致，因此可以判定正反面測試結果也基本相同。這說明燒結處理并沒有從本質上改變其微觀結構，不會對孔徑測試產生影響。

圖4 3#樣品孔徑分布圖

4#樣品B面的測試結果明顯比A面大，為了確定這不是由誤差等原因引起的，進行了驗證性試驗，結果如表3所示。

從表3中看到，驗證性試驗結果仍是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面朝上測試的結果偏大。再從驗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#樣品孔徑測試結果

圖5 4#樣品孔徑分布圖

由泡點法測試原理可知，材料的孔徑越小，所需的測試壓力越大。4#樣品兩層的結構孔徑值差異大，吹干各層孔內浸潤液所需的壓力也就相差較大。當將4#樣品紡黏熱軋非織造布一面朝上測試時，氣流從該樣品的大孔徑層進入后到達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，從而影響測試結果。

試驗表明，對于這種正反面孔徑值差異較大的材料，應將多層復合多孔材料在實際應用中的作用面朝上測試。

4 結語

本文采用泡點法對幾種多層復合多孔材料進行了孔徑測試。結果表明：正反面測試的孔徑大小及分布與樣品層數無關，只與樣品正反面整體的材料結構有關;多層復合多孔材料正反面的組成與結構一致時，泡點法測試時試樣的放置方式對測試結果沒有影響。

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

［1］朱小龍，蘇雪筠.多孔陶瓷材料［J］.中國陶瓷，2000，36(4)：36-39.

［2］梁云，胡健，周雪松，等.纖維過濾材料孔徑及孔徑分布測試方法的研究［J］.紡織科學研究，2004(4)：23-26.

［3］曾漢民.高技術新材料要覽［M］.北京：中國科技出版社，1993：156.

［4］丁祥金，張繼周，寶志琴，等.泡點法測定微孔孔徑分布的改進算法［J］.無機材料學報，2000，15(3)：493-497.

［5］許祥在，翟秋蘭.多孔材料的孔徑分布與滲透性測定［J］.分析儀器，1999(4)：48-52.

［6］呂曉龍，馬世虎，陳燚.一種多孔分離膜孔徑及其分布的測定方法［J］.天津工業大學學報，2005，24(2)：6-8.