УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА ПРОПИТКИ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ МНОГОКОМПОНЕНТНЫМИ СМЕСЯМИ

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для изучения кинетики процесса пропитки пористых материалов и в частности для полуавтоматизированного измерения прироста массы пористых материалов в процессе их пропитки многокомпонентными смесями и может быть использована в области строительного материаловедения.
Известно техническое решение установки для исследования кинетики пропитки волокнистых наполнителей полимерными связующими, включающее резервуар со связующим, устройство для пропитки связующим волокнистого наполнителя с окном наблюдения из прозрачного материала и компрессор (патент РФ на изобретение «Установка для исследования кинетики пропитки волокнистых наполнителей полимерными связующими» №2530575, МПК G01N 33/36, 2014).
Недостатками данного технического решения являются сложность очистки установки после пропитки, невозможность одновременного проведения параллельных испытаний, измерения прироста массы, ограниченная область применения.
Известно устройство для исследования процесса пропитки материалов, включающее источник питания, измерительный прибор, сосуд для пропитки, прижимные контакты, установленные в направляющих, и узлы прижима контактов к исследуемому образцу (патент РФ на изобретение «Устройство для исследования процесса пропитки материалов» №1288569 МПК G01N27/02, 1985)
Недостатками данного технического решения являются ограниченная область применения, а также трудоемкость измерения, не позволяющая изучать динамику прироста массы без извлечения образца.
Наиболее близким решением к заявляемому является устройство для оценки динамики прямоточной капиллярной пропитки образцов пород, включающее лабораторные электронные весы, образцовую камеру, в которую помещается образец для контакта с водой и насыщения водой за счет капиллярной пропитки, при этом устройство снабжено буферной емкостью, гидравлически связанной с образцовой камерой через П-образный носик для сохранения постоянного уровня воды в образцовой камере (патент РФ на изобретение «Устройство для оценки динамики прямоточной капиллярной пропитки образцов пород» №2496981, МПК G01N 15/08, 2012). Это устройство принято за прототип.
Недостатком этого способа является узкая область исследований.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение области применения.
Технический результат совпадает с поставленной задачей.
Это достигается тем, что корпус устройства выполнен в виде 6-секционной рабочей камеры из оргстекла, каждая из секций имеет вид параллелепипеда, на верхнем конце каждой секций установлены весы для гидростатического взвешивания, датчик температуры, датчик pH, датчик концентрации смеси, трубка для подачи смеси, а на нижнем конце установлены магнитная мешалка с подогревом, сменный стеклянный стакан с магнитом внутри, снаружи рабочей камеры находятся вакуумный насос, резервуары с компонентами смеси, устройство снабжено персональным компьютером с программным обеспечением. В секциях параллельно при одинаковых заданных внешних условиях (температуре, давлении, скорости перемешивания) проходит пропитка образцов одного и того же материала раздельно исследуемой смесью (в одной секции) и ее компонентами (в других секциях) с целью выявить влияние каждого из компонентов смеси на процесс пропитки.
На фиг. 1 изображена одна секция устройства для изучения кинетики процесса пропитки пористых материалов многокомпонентными смесями.
Устройство для изучения кинетики процесса пропитки пористых материалов многокомпонентными смесями содержит 6-секционную (секции A, B, C, D, E, F) рабочую камеру из оргстекла 1, каждая из секций содержит гидростатические весы 2, магнитную мешалку с подогревом 3, сменный стеклянный стакан 4, магнит 5, датчик температуры 6, датчик pH 7, датчик концентрации смеси 8, трубку для подачи смеси 9, держатель образца-невпитывающий утяжелитель (металлическая пластинка с известной массой) 10, снаружи рабочей камеры находятся вакуумный насос 11, персональный компьютер (ПК) 12 с программным обеспечением (ПО), резервуары с исследуемой смесью/компонентами смеси 13.
Устройство для изучения кинетики процесса пропитки пористых материалов многокомпонентными смесями работает следующим образом.
Подготавливают одинаковые по форме и размерам образцы испытываемого пористого материала (прямоугольные параллелепипеды, совпадающие по площади основания с держателем образца-утяжелителем 10) и высушивают их до постоянной массы. Наливают исследуемую смесь и ее компоненты в резервуары 13. Включают ПК 12 и запускают ПО - автоматически включаются гидростатические весы 2 во всех секциях рабочей камеры 1. Помещают и закрепляют необходимое количество образцов материала в держателях образца - утяжелителях 10. Каждый из держателей образца - утяжелителей 10 прикрепляют за крючок к нити гидростатических весов 2 и помещают в сменный стеклянный стакан 4 с магнитом 5 в подвешенном состоянии.
Устанавливают параметры испытания на ПО:
вводят название исследуемого пористого материала и буквы секций, в которых помещены образцы из этого материала;
вводят массу держателей-утяжелителей 10 и буквы секций, в которых они помещены;
вводят название и описание исследуемой смеси и буквы секций, в которые ее следует закачать в сменные стеклянные стаканы 4;
вводят название и описание компонентов смеси и буквы секций, в которые ее следует закачать в сменные стеклянные стаканы 4;
указывают требуемую частоту записи температуры, pH и концентрации смеси в секциях датчиками 6, 7, 8;
указывают температуру, частоту и скорость перемешивания смеси, которые необходимо выдерживать во время исследования;
указывают требуемое разрежение в камере.
Запускают испытание.
ПО рассчитывает начальную массу образцов в секциях по формуле
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi><mo>+</mo><mi>д</mi><mi>е</mi><mi>р</mi><mi>ж</mi><mo>.</mo><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>д</mi><mi>е</mi><mi>р</mi><mi>ж</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi><mo>+</mo><mi>д</mi><mi>е</mi><mi>р</mi><mi>ж</mi><mo>.</mo><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
где  - масса держателя с образцом, г;
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>д</mi><mi>е</mi><mi>р</mi><mi>ж</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
- масса держателя, г;
<mi>i</mi>
- буква секции.
ПО открывает клапана на резервуарах 13 и из них через трубки 9 смесь и ее компоненты поступают в стаканы 4 в соответствии с ранее указанными в ПО секциями. Датчики температуры 6, pH 7 и концентрации 8 фиксируют и строят графики соответствующих параметров от времени в процессе всего испытания с заданной в ПО частотой. Магнитная мешалка 3 включает нагрев и перемешивание в соответствии с ранее заданной ПО программой.
ПО на ПК 12 рассчитывает и строит график прироста массы образца от времени в секции i по формуле
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>к</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>к</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
где  - текущая масса образца, г;
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>к</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi><mo>+</mo><mi>д</mi><mi>е</mi><mi>р</mi><mi>ж</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>к</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>д</mi><mi>е</mi><mi>р</mi><mi>ж</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi><mo>+</mo><mi>д</mi><mi>е</mi><mi>р</mi><mi>ж</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>к</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
где  - текущая масса держателя с образцом, г.
По окончанию расчета ПО вносит результаты испытания в свою базу данных и выводит протоколы измерения на печать. Путем сопоставления графиков прироста массы образцов во времени возможно выделить влияние каждого компонента смеси на процесс пропитки.
Пример реализации:
Пористый образец - древесина сосны, многокомпонентная смесь, приготовленная следующим образом: в 10% (по массе) раствор арабиногалактана добавлен тонкодисперсный кремнезем в виде порошка (со среднечисленным размером частиц 200 нм) до получения смеси с 10% (по массе) содержанием кремнезема.
В секциях А, С, D, E помещены образцы древесины в держателях-утяжелителях 10, в секциях B, F держатели-утяжелители 10 без образцов.
В секции A и B через трубки 9 смесь поступает в стаканы 4. В секции С через трубку 9 водорастворимый компонент смеси (арабиногалактан (АГ)) в виде 10% раствора поступает в стакан 4. В секции D через трубку 9 дистиллированная вода поступает в стакан 4. В секции E и F через трубки 9 водонерастворимый компонент смеси (кремнезем) в виде 10% водной суспензии поступает в стакан 4.
В результате в ПО на ПК 12 будет рассчитывать и строить следующие графики прироста массы образца во времени:
в секции A - за счет поглощения многокомпонентной смеси и оседания частиц кремнезема на поверхности образца;
в секции B - за счет оседания частиц кремнезема на поверхности образца в многокомпонентной смеси;
в секции C - за счет поглощения 10% раствора арабиногалактана;
в секции D - за счет поглощения воды;
в секции E - за счет поглощения 10% суспензии кремнезема;
в секции F - за счет оседания частиц кремнезема на поверхности образца в воде.
Комбинируя графики, ПО может рассчитать:
прирост массы образца за счет заполнения порового пространства компонентами смеси после высушивания по формуле
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mi>A</mi></msubsup><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mi>B</mi></msubsup><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mi>D</mi></msubsup></mrow>
,
прирост массы исследуемого образца за счет заполнения порового пространства водорастворимым компонентом (арабиногалактаном) после высушивания по формуле
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>А</mi><mi>Г</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mi>С</mi></msubsup><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mi>D</mi></msubsup></mrow>
,
прирост массы исследуемого образца за счет заполнения порового пространства водонерастворимым компонентом (кремнеземом) после высушивания по формуле
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msubsup><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mi>E</mi></msubsup><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mi>F</mi></msubsup><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mi>D</mi></msubsup></mrow>
,
возможный дополнительный прирост массы исследуемого образца, обусловленный комплексным действием компонентов реакционной смеси после высушивания по формуле
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>А</mi><mi>Г</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msubsup></mrow>
.
Применение ПО в процессе измерения прироста массы образца от времени, позволяет повысить точность измерения. Использование камеры из органического стекла позволит непосредственно вести визуальное наблюдение за процессом пропитки образцов. Применение устройства позволит определить скорость процесса пропитки, а также влияние на нее следующих факторов: температуры, давления, pH, концентрации, перемешивания смеси и других.