СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО РАЗМЕРА ПОР МЕМБРАНЫ
METHOD FOR DETERMINING MAXIMUM SIZE OF MEMBRANE PORES

Изобретение относится к контрольно-измерительной и экспериментальной технике и может быть использовано для контроля качества фильтрующих материалов в химической, медицинской, радиоэлектронной и других областях промышленности.
Наиболее распространенный способ определения размера максимальной сквозной поры мембраны - метод пузырька [1. ГОСТ Р 50516-93. Мембраны полимерные. Метод определения точки пузырька плоских мембран. М., Госстандарт России, 1993, 8 с.]. Теоретическая основа метода - закон Лапласа, устанавливающий зависимость разности давлений в фазах для искривленной поверхности от диаметра капилляра. Сущность метода состоит в выдавливании пузырька газа через насыщенную смачивающей жидкостью мембрану.
Основной недостаток метода состоит в том, что при размерах сквозных пор менее 0,1 мкм требуются высокие давления газа. Это приводит к разрушению мембраны.
Наиболее близким к заявляемому является способ измерения максимальной сквозной поры по методу пузырька при малых давлениях газовой фазы [2. Патент РФ №2248552, G01N 15/08, 2005]. В основе метода лежит свойство уменьшения коэффициента поверхностного натяжения жидкость-газ при приближении к критической точке.
Способ предусматривает установку мембраны в ячейку и заполнение ячейки жидкостью, создание условий для проникновения жидкости (в газообразном состоянии) сквозь мембрану. Фиксируют давление над мембраной, при котором исчезает перепад давления на ней. По давлению находят значение коэффициента поверхностного натяжения, затем по формуле Лапласа рассчитывают максимальный размер пор мембраны.
Измерение происходит в неравновесных условиях. Поскольку вблизи критической точки коэффициент поверхностного натяжения существенно зависит от температуры, это может приводить к неконтролируемым погрешностям в определении размера сквозных пор. Кроме того, использование воды при проведении измерений оказывается проблематичным, так как давление насыщенных паров в критической точке достигает 220 атм.
Задачей изобретения являются разработка простого неразрушающего способа измерения максимального размера сквозных каналов пористого материала, повышение надежности испытаний и расширение области измеряемого диапазона сквозных каналов в область более мелких пор.
Для решения поставленной задачи при определении максимального размера пор мембраны, включающем установку мембраны в ячейку и заполнение ячейки жидкостью, создание условий для проникновения льда сквозь мембрану и расчет значения максимального размера пор мембраны, установкой мембраны делят ячейку на две полости, после заполнения ячейки с мембраной дегазированной дистиллированной водой ее охлаждают до температуры ниже 0°C при атмосферном давлении, в одну из полостей ячейки вносят затравку льда и по истечении времени полного замерзания воды начинают понижать температуру ячейки до тех пор, когда начнется кристаллизация воды во второй полости ячейки, по температуре начала кристаллизации и зависимости понижения температуры фазового равновесия воды и льда от радиуса пор находят максимальный размер пор мембраны.
Технический результат достигается тем, что процесс измерения происходит при атмосферном давлении в квазиравновесном режиме, либо в неравновесных условиях с заданной скоростью понижения температуры термостата. В качестве насыщающей жидкости используется дегазированная дистиллированная вода. Температура измерительной ячейки изменяется в пределах от 0 до -3°С.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показана ячейка для определения максимального размера пор.
Сущность предлагаемого способа измерения заключается в следующем.
Мембрану (пористый образец) 1 помещают в цилиндрическую ячейку (сосуд) 2, обеспечивая герметичный контакт со стенкой ячейки. Мембрана делит сосуд на две полости (емкости). Через отводы 3 вакуумируют и заполняют полости и образец дегазированной дистиллированной водой. Затем помещают ячейку с мембраной в термостат и охлаждают до температуры незначительно ниже 0°С.
В одну из полостей вносят затравку льда. Через некоторое время вся вода в ней замерзает. В полости на противоположной стороне мембраны остается жидкая вода в переохлажденном состоянии. Начинают понижать температуру термостата в пошаговом режиме. При определенной температуре лед проникает через максимальный канал мембраны (пористого образца) на противоположную сторону, что приводит к резкому повышению температуры системы вследствие кристаллизации переохлажденной воды. По формуле [3. Christenson Н.K. Confinement effects on freezing and melting. Journal of Physics: Condensed Matter 13 (11), R95, 2001], связывающей температуру замерзания воды с радиусом капилляра (поры), определяют максимальный размер сквозного канала:
,
i
iw
0
0
где ρ - плотность льда, κ - удельная теплота фазового перехода, σ - коэффициент поверхностного натяжения лед-вода, R - радиус капилляра, Т - температура фазового равновесия объемных фаз воды и льда при атмосферном давлении (T=273,15 K).
В институте криосферы Земли СО РАН определены максимальные размеры сквозных пор керамических фильтров предлагаемым способом и по методу точки пузырька. Построена корреляционная зависимость между температурой начала кристаллизации, найденной по предлагаемому способу, и перепадом давления появления первого пузырька. Определен коэффициент поверхностного натяжения лед-вода - 0,039 Н/м, величина которого попадает в диапазон значений от 0,033 до 0,044 Н/м, который известен из литературных источников [4. Горелик Я.Б., Колунин B.C. Физика и моделирование криогенных процессов в литосфере. Новосибирск, 2002, 317 с.].