非織造布孔隙率測試方法研究

雷李娜++++漆東岳++++孫現偉++++袁彬蘭++++王向欽

摘 要：

本文利用玻爾定律（PV=nRT），通過阿基米德原理-氣體膨脹置換法測試非織造布中纖維所占的絕對體積（真體積），并在其名義厚度下獲得其堆積體積，從而準確測得非織造布的孔隙率，并通過試驗證明此方法可以準確地測得非織造布的孔隙率。

關鍵詞：非織造布；孔隙率；玻爾定律；阿基米德原理-氣體膨脹置換法

1 引言

目前材料孔隙率測試方法有氮吸附法（BET）、壓汞法、浸液法及質量密度法。其中氮吸附法（BET）適用測試孔徑分布小于50nm的材料，如粉末狀的催化劑[1]，不適用于非織造布的孔徑特征；壓汞法需要較大的壓強，一般在100MPa以上，纖維真實體積易被壓縮，測試結果變大，使用小壓強時，液態汞又無法進入較小的孔隙[2，3]，測試結果偏小；浸液法使用表面張力較小的液體浸潤非織造布，但由于非織造材料的原料種類較多，且大部分是可溶于有機溶劑或會在有機溶劑中膨脹的，或者是表面能極低的材料（如PTFE是已知表面能最低的材料），浸潤液選擇成為難題；質量密度法采用非織造布質量除以其原料密度獲得纖維真體積，從而求出其孔隙率，目前在科研中被廣泛使用[4-7]，但這種方法僅適用于單一原料的非織造布或是已知原料百分比含量的非織造布，不能用于測試未知成分的非織造布孔隙率。

阿基米德原理-氣體膨脹置換法不受非織布原料、孔徑分布影響，解決了壓汞法壓強過大、浸液法溶劑適用性不強的難題，可廣泛應用于各類非織造布孔隙率的測定。李洪在《面狀纖維集合體孔隙相的研究》中提出可以使用此方法來測試非織造布的孔隙率，但并未詳細說明其原理，也未對其準確性進行驗證[8]。本文通過阿基米德原理-氣體膨脹置換法測定纖維所占的絕對體積（真體積），并在其名義厚度下獲得其堆積體積，從而準確測得非織造布的孔隙率，并試驗驗證了其準確性。

2 阿基米德原理-氣體膨脹置換法測試原理

利用小分子直徑的惰性氣體在一定條件下的玻爾定律（PV=nRT），通過測定由于樣品測試腔放入樣品所引起的樣品測試腔氣體容量的減少來精確測定樣品的真體積，從而計算出非織造布的孔隙率，阿基米德原理-氣體膨脹置換法測試非織造布真體積的原理如圖1所示。

阿基米德原理-氣體膨脹置換法所用儀器主要由一個樣品倉VC、一大一小兩個附加倉VA、高敏壓強傳感器、高壓氮氣源以及4個電磁閥構成，保證測試儀器具有良好的氣密性，樣品倉VC及附加倉體積VA已知。將樣品（假設體積為VP）放入樣品倉，關閉樣品倉，并保證其氣密性與溫度穩定，測試開始時電磁閥2、3及泄壓閥打開，然后開啟電磁閥1使氮氣進入并清洗樣品倉與附加倉，然后關閉電磁閥1，記錄此時樣品倉與附加倉的氣體壓強為P0，關閉電磁閥2、3及泄壓閥，打開電磁閥1使高壓氮氣進入樣品倉，并在樣品倉內達到一個較高的壓強值后，關閉電磁閥1，待樣品倉內氣壓穩定后，記錄壓強值P2；在保證電磁閥1及泄壓閥關閉的情況下，打開電磁閥2、3，使樣品倉與附加倉連通，樣品倉內的高壓氮氣流入附加倉，待壓強穩定后，記錄壓強值P3。

由此可測得非織造布中纖維所占的絕對體積（真體積），再結合其名義厚度下獲得其堆積體積，則可通過公式1、2、3求出非織造布孔隙率：

（1）

（2）

（3）

其中C為非織布的孔隙率，VP為非織造布中纖維所占的絕對體積（真體積），Vd為非織造布在名義厚度下的堆積體積，L為非織造布試樣長度，S為試樣寬度，d為在規定壓強下測得的試樣厚度。

3 試驗驗證

非織布的孔隙率通過公式（3）得出，其中堆積體積與其名義厚度有關，名義厚度可以通過GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分：厚度的測定》、GB/T 13761.1—2009《土工合成材料 規定壓力下厚度的測定 第1部分：單層產品厚度的測定方法》等標準測試，然后通過公式（2）獲得樣品的堆積體積，所以驗證非織造布孔隙率測試方法的準確性，關鍵在于驗證纖維真實體積測試方法的準確性。

選取5種已知原料密度的非織造布，稱量其質量，精確至0.001g，并通過質量除以其原料密度獲得其理論體積，然后采用阿基米德原理-氣體膨脹置換法測試非織造布中纖維材料的真體積，再通過測試所得真體積與理論體積的對比來驗證測試方法的可行性與準確性。

試驗采用康塔Quotation ULTRAPYC 1200e真密度儀，根據樣品倉大小將試樣裁剪為20mm×200mm，根據樣品倉形態調整樣品狀態（如圖2）。根據纖維材料的特點，測試用壓強不能過高，以免引起纖維材料的壓縮，也不能過低，以免氣體不能完全進入所有空隙，故本試驗選取10psi、8psi、6psi、4psi4個較為適中的壓強進行測試，驗證測試結果準確性與測試壓強之間的關系，并探尋合適的測試壓強。調整真密度測試儀測試壓強，按文中第1章節所述過程進行試驗，對每個試樣進行重復測試，當樣品連續三次測試結果偏差小于5%時，認為可以接受。本試驗中選取了5種由單一原料制備的非織造布進行真體積測試試驗，試驗結果及與其理論體積的百分比如表1及如圖3所示。

可以看出，所有試樣的測試真體積均十分接近理論體積，但不同原料的試樣依然呈現出不同的規律：就試樣1、試樣2及試樣3而言，隨著壓強值的減小，測試結果不斷增大，并不斷接近理論體積，但并未有出現超出理論體積的測試值；試樣4、試樣5隨著測試壓強減小，其測試體積與理論體積的偏差忽大忽小，但均十分接近理論體積，但并未表現出與測試壓強存在明顯關系。

由表1可知：試樣1、試樣2及試樣3，其采用的纖維原料剛性較小，具有一定的可變形性，在較高的測試壓強下會出現一定的壓縮變形，故隨著測試壓強的減小，纖維受到壓縮的變小，其測試值不斷增大并不斷接近真值；試樣4、試樣5所采用的纖維原料剛性較大，可以承受較高的測試壓強而不被壓縮，故測試壓強對其真體積測試結果影響不大。

4 結論

采用阿基米德原理-氣體膨脹置換法測試非織造布真體積時，應采用較低的測試壓強，建議采用4psi或6psi的壓強進行測試，此方法可以準確測得非織造布的孔隙率。

參考文獻：

[1]楊通在，羅順忠，許云書. 氮吸附法表征多孔材料的孔結構[J]. 炭素，2006（01）：17-22.

[2]陳悅，李東旭. 壓汞法測定材料孔結構的誤差分析[J].硅酸鹽通報，2006（04）：198-201+207.

[3]常東武. 壓汞法測量孔隙時減小誤差的方法及分析[J]. 實驗技術與管理，2003（05）：76-80.

[4]王立波，沈恒根，王振華，等. PSA/BAS水刺濾料過濾性能研究[J].產業用紡織品，2012（05）：18-22.

[5]田偉，雷新，從明芳，等. 紡粘非織造布制備工藝與性能的關系[J]. 紡織學報，2015（11）：68-71.

[6]姚春梅，黃鋒林，魏取福，等. 靜電紡聚乳酸納米纖維復合濾料的過濾性能研究[J]. 化工新型材料，2012（04）：122-124.

[7]楊樹，于偉東，潘寧. 非織造布的結構特征與其吸聲性能研究[J]. 產業用紡織品，2010（07）：6-11.

[8]李洪. 面狀纖維集合體孔隙相的研究——非織造布孔隙相結構參數的測定[J]. 非織造布，2000（04）：28-31.

（作者單位：廣州纖維產品檢測研究院）