СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СМАЧИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF DETERMINING WETTING ABILITY OF AQUEOUS SOLUTIONS OF POROUS MATERIALS

Изобретение относится к области исследования смачиваемости поверхностей, применительно к различным отраслям промышленности, а также для обоснования рабочей концентрации смачивателей, используемых для тушения пожаров. Предлагаемое изобретение, также относится к области измерительной техники, связанной с исследованием смачивания пористых материалов водными растворами. Изобретение может использоваться для характеристики дисперсных и пористых веществ, а также образцов торфа или гидрофобных тканых материалов.
Известны способы определения смачивающего действия водными растворами гидрофобных материалов, к которым относятся методы определения краевого угла смачивания [1, 2].
В патентах US 7952698B2 2011 [1] «Methodanddeviceforcontactangledeterminationfromradiusofcurvatureofdropbyopticaldistancemeasurement» [1] и US 5137352 * 1992 «Method and apparatus for determining the contact angle of liquid droplets on curved substrate surfaces» указывается, что чем меньше краевой угол смачивания, тем быстрее водный раствор растекается по твердой поверхности.
В Патенте US 7952698 b2 2011 величину краевого угла смачивания определяют с помощью регулируемого окуляра, что позволяет более точно определять краевой угол смачивания поверхности твердого тела. Существенным недостатком этих методов является невозможность определения краевого угла смачивания пористых и высокодисперсных материалов.
Известны способы определения смачивающего действия водных растворов путем определения капиллярного давления смачивания пористых материалов, причем эти способы предусматривают расчет величины капиллярного давления по результатам косвенных измерений: степени пропитки или тепловых эффектов смачивании, измеренных в калориметре - способ определения смачиваемости (РФ №2497098) [3]. Существенным недостатков этих способов является необходимость проведения косвенных измерений, по которым рассчитывается капиллярное давление смачивания.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способы, описанные в патентах[4-6].
Устройство по патенту SU 1500882: 1989 [5] позволяет повысить эксплуатационную надежность устройства и точность измерений капиллярного давления. Изобретение по патенту РФ №2497098: 2012 [6] относится к области исследования смачиваемости поверхностей применительно к различным отраслям промышленности.
В качестве прототипа приведен способ описанный в патенте SU 1530950 [4] «Устройство для измерения капиллярного давления». Способ определения капиллярного давления. Изобретение относится к исследованию пористых сред. Насыщенный водой (или другой жидкостью) образец помещают в кернодержатель и создают в нем необходимые термобарические условия (заданные температуру и давление обжима). Пространство над верхним торцом образца заполняют водой, а на нижний торец подают вытесняющую фазу (газ, жидкость) под входным давлением Р, значительно превышающим капиллярное. Фиксируют время прорыва через образец вытесняющей фазы по появлению над верхним торцом пузырьков либо капель, наблюдаемых через смотровое стекло в верхней части кернодержателя. Затем, не извлекая образец, его повторно насыщают водой и вновь осуществляют прорыв вытесняющей фазой. При давлении меньшем на 0,3-0,5 МПа предыдущего, фиксируют время прорыва вытесняющей фазы через образец. Подобным образом, понижая в каждом случае входное давление прорыва и замеряя время прорыва, строят график зависимости (Р/Т), где Τ - время прорыва вытесняющей фазы, с; Ρ - давление, МПа, и определяют величину капиллярного давления по точке пересечения прямой Ρ с осью ординат (ось давления).
Рассмотренный способ-прототип сложен в исполнении и базируется на процессах пропитки и последующего вытеснения воды из порового пространства образца. Для упрощения процедуры измерения капиллярного давления в данном изобретении предложен прямой способ измерения капиллярного давления пористого материала, который включает исследуемый пористый материал, водный раствор поверхностно-активного вещества, стеклянную емкость, отличается тем, что с целью прямого измерения капиллярного давления, измерение проводят компенсацией давления смачивания, которое отслеживают по положению мениска раствора, которое перемещается в пористый материал при соприкосновении с влажным пористым фильтром, к которому прижимают исследуемый материал, при этом величину капиллярного давления смачивания определяют по водяному манометру, изменяя положение штока в шприце, в воздушную линию которого подключен водяной манометр, а процесс прижатия исследуемой ткани к измерительному пористому фильтру, происходит за счет синхронного движения плунжеров двух шприцов, соединенных гибкой трубкой, заполненной водой.
ж
ж
Предлагаемый способ измерения капиллярного давления смачивания пористого материала, отличающийся тем, что в качестве пористой перегородки используется сетка или стеклянный фильтр, причем средний радиус пор фильтра - r, должен быть не больше, чем рассчитанный по формуле: r=2σ/ΔΡ, в которой σ - поверхностное натяжение водного раствора смачивателя, мН/м; ΔΡ - максимальное давление, на которое рассчитан водяной манометр.
Схема установки для измерения капиллярного давления смачивания гидрофобногопористого материала водными растворами смачивателей представлена на рис. 1 (где 1 - держатель; 2 - пористый материал; 3 - герметичная емкость с пористым фильтром; 4 - шприц с плунжером; 5 - мениск раствора в капилляре; 6 - водяной манометр; 7, 8 - шприц с плунжером).
Измерение капиллярного давления смачивания пористого материала проводят в следующей последовательности. Величину капиллярного давления смачивания гидрофобной ткани определяли на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис. 1. Для приведения в соприкосновения гидрофобной ткани с измерительным датчиком использовали вертикальное перемещение плунжера шприца, соединенного с аналогичным шприцом, с помощью которого регулировали положение ткани.
При соприкосновении пористого датчика с гидрофобной тканью раствор из датчика через пористый фильтр герметичной емкости вытягивается капиллярами ткани. Чем ниже величина краевого угла смачивания, тем большее давление развивается в капиллярах ткани. Сообщающаяся с датчиком линия раствора, установленная до испытаний в определенную позицию в измерительном стеклянном капилляре, начинает перемещаться в сторону датчика. Экспериментатор, перемещая плунжер в измерительном шприце, создает в надводном растворе небольшое разряжение, возвращает положение жидкости в капилляре в исходное положение.  Водяной манометр сразу покажет величину капиллярного давления, которое соответствует заданной концентрации смачивателя.
Участок экспериментально полученной кривой зависимости капиллярного давления от концентрации смачивателя, получен путем компенсации внешним давлением капиллярного давления смачивания раствора в порах ткани.
9
19
6
4
2
4
7
9
19
6
4
2
4
10
6
13
3
7
6
4
2
4
7
Результаты экспериментальных измерений с водными растворами типичных смачивателей представлены на рис. 2 - Капиллярное давление смачивания водных растворов с добавками ПАВ различной природы: 9 - нонил фенол, формула CHCHO(CHO)ОН; 10 - нонил фенол, формула CHCHO(CHO)ОН; 11 - лаурилсульфат натрия; 12 - катионное фторированное ПАВ с тримерным радикалом; 13 - вторичные алкилсульфаты натрия С8-С12; 14 - катионное углеводородное ПАВ-цетипиридиний хлорид; 15 - изононил фенол, формула СН(CH)CHO(CHO)ОН.
Процесс измерения предложенным нами способом прост в реализации и не требует применения специальных устройств, как в патенте-прототипе, поэтому имеет существенное преимущество.
Предложенный нами способ является первым, где капиллярное давление смачивания измеряется прямо, без предварительных расчетов по известным соотношениям.