ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Газопроницаемость - свойство твердых материалов пропускать газ при наличии перепада давления. [3]

Газопроницаемость характеризуется коэффициентом газопроницаемости μ в квадратных метрах, вычисляемым по уравнению:

,                                    (1)

где V -   объем газа, проходящего через образец, м3;

t -    время, за которое данный объем газа проходит через образец, с;

η -   динамическая вязкость газа при температуре испытания, Па · с;

А -   площадь поперечного сечения образца, м2;

δ -   толщина образца, м;

Р1 -  абсолютное давление газа на входе в образец, Па;

P2 -  абсолютное давление газа на выходе из образца, Па.

Примечание - при значении перепада давления (P1 - Р2)<1000Па величину  в формуле (1) принимают равной 1.

За единицу измерения коэффициента газопроницаемости принимают квадратный метр или квадратный микрометр:

1 м2 = 1012 мкм2

Большинство материалов в какой-то степени пористые: действительно, довольно сложно найти или подготовить абсолютно непористый твердый материал. Хорошо известно, что физические свойства, такие как плотность, теплопроводность и прочность зависят от структуры пор твердого тела и что контроль пористости имеет большое промышленного значения, например, при разработке катализаторов, промышленных адсорбентов, мембран и керамики. Кроме того, пористость является одним из факторов, влияющих на химическую реакционную способность твердых веществ и физическое взаимодействие твердых тел с газами и жидкостями.

Сложность и разнообразие пористых материалов привели к применению многих экспериментальных методов их характеристики. Например, в разработке и уточнении различных методов определения распределения размеров пор. [9]

Некоторые пористые материалы консолидируются, существуют как относительно жесткие макроскопические тела, размеры которых превышают размеры пор на много порядков; их можно назвать агломератами.

Другие неконсолидированы, будучи нежесткими, более или менее свободно упакованными сборками отдельных частиц; их можно назвать агрегатами. Сами частицы могут быть непористыми (например, песком) и окружены сетью пустот между частиц, причем свойства зависят только от размера, формы и способа упаковки составных частиц. В других случаях (например, распыленных катализаторов) сами частицы могут быть значительно пористыми, и тогда может быть необходимо провести различие между внутренними (или внутривидовыми) пустотами и пустотами межчастичных каналов. В общем, внутренние поры будут меньше, оба по размеру и в общем объеме, чем пустоты между частицами; тем не менее, они часто предоставляют доминирующий вклад в площадь поверхности твердого тела.

Различие между консолидированными и неконсолидированными материалами не всегда четкое. Действительно, две формы являются взаимно обратимыми, например, путем измельчения первого и путем спекания последнего.

Важно понимать химическое и физическое поведение пористого материала для умения предсказать макробезопасность и свойства инженерного материала, а для этого зачастую необходимо исследовать микроструктуру материала. Для многих пористых технических материалов, включая почву, бетон, камень и кирпич, пустое пространство материала значительно влияет на механические свойства материала.

В англоязычной литературе существуют два независимых метода, которые нашли широкое применение для анализа распределения размера пор: капиллярная конденсация и ртутная порозиметрия.

Большинство твердых частиц с высокой площадью поверхности в некоторой степени пористые. Текстура таких материалов определяется детальной геометрией пустот и порового пространства. Пористость - это концепция, связанная с текстурой, и относится к поровому пространству в материале. Открытые поры - это акавитивность или канал, сообщающийся с поверхностью частицы, в отличие от закрытой поры. Пустота - это пространство или промежуток между частицами. В контексте адсорбции и псевдоожижения порошковая пористость представляет собой отношение объема пустот и объема открытых форм к общему объему, занятому порошком. Аналогично, пористость частиц представляет собой отношение объема открытых пор к общему объему частицы.

Общий объем пор Vр обычно происходит из количества адсорбированного пара при удельном давлении, близком к единице, при условии, что поры затем заполняются жидким адсорбтивом. Если твердое вещество не содержит макропор, изотерма остается почти горизонтальной в пределах диапазона p/p°, приближающегося к единице, и общий объем пор хорошо различим. В присутствии макропор изотерма быстро возрастает вблизи p/p° = 1 и в пределе больших макропор имеет практически вертикальный подъем. В этом случае предельная адсорбция в верхней части вертикального подъема может быть надежно идентифицирована с общим объемом пор только в том случае, если температура на образце очень тщательно контролируется и в аппарате нет «холодных пятен» (которые приводят к массовой конденсации газа и ложная мера адсорбции в объемном методе). Вычисление распределения размеров пор включает в себя ряд факторов (форма пор, механизм заполнения пор, справедливость уравнения Кельвина и т. д.). [8]

В работе [7] предложен метод определения локальной пористости спеченных металлических изделий. Он состоит в измерении твердости и сравнении измеренных данных с результатами теоретического анализа, который включает в себя выбор модели пористого материала, идентификацию его материала и структурных параметров и численное решение контактной задачи, моделирующей измерения твердости по Роквеллу.

Известен способ определения газопроницаемости пористых материалов с помощью вычисления времени прохождения через образец материала фильтрационной среды. По этому способу определяют газопроницаемость пористых материалов при помощи прибора, в котором фильтрационной средой является жидкость, время прохождения которой измеряют от момента подачи ее на образец до момента пропитки фильтровальной бумаги, расположенной под образцом. Этот способ не позволяет точно измерить длительность прохождения фильтрационной среды через образец материала, так как начальный момент пропитки фильтровальной бумаги трудно зарегистрировать. Кроме того, известный способ непригоден для материалов, изменяющих структуру при впитывании влаги, таких как сено-соломистые сельскохозяйственные продукты.

Схема установки для определения коэффициента газопроницаемости данным методом приведена на рисунке 1. Для уменьшения потери давления в установке рекомендуется по возможности применять короткие соединительные трубки.

Определение технологических свойств формовочных смесей производится на стандартных образцах. Образцы для испытания отливают в неразъемной металлической гильзе диаметром 50(±2) мм с помощью лабораторного копра трехкратным ударом груза весом 6,35(±0.015) кг, падающего с высоты 50(±0,25)мм. Образец должен иметь высоту 50(±0,8)мм. [4]

Рисунок 1. Схема установки для определения газопроницаемости

1 - источник сжатого воздуха с системой, обеспечивающей стационарный поток газа через манометр; 2 - сосуд-осушитель сжатого воздуха; 3 (а, б) - расходомеры (газомеры) или система расходомеров; 4 - держатель образцов; 5 - жидкостный манометр

По предлагаемому Железниковым [2] способу для уменьшения погрешности измерения в качестве фильтрационной среды используют воздушно-аммиачную смесь, длительность прохождения которой через материал измеряют от момента впрыска водного раствора аммиака в воздушный поток, подаваемый в образец снизу, до момента появления белого дыма, образующегося в результате взаимодействия воздушно-аммиачной смеси с соляной кислотой, помещенной на верхней стороне образца. Данный процесс во времени регистрируют с помощью скоростной киносъемки.

Газопроницаемости пористых керамических материалов зависят от величины и формы пор, а также от характера их расположения. При одинаковом значении открытой пористости газопроницаемость пропорциональна квадрату среднего диаметра пор.

В диссертации [6] авторы поставили цель разработать новый метод определения пористости. Этот метод был назван кондуктометрическая фазовая переметрия (CPTP).

Беспористые материалы (полимерам, металлам, стеклам) тоже обладают газопроницаемостью. Наиболее высокими значениями из класса беспористых материалов обладают каучукоподобные полимеры, а из них - кремний органические каучуки, кристаллические и структурированные полимеры. Коэфициент газопроницаемости полимеров увеличивается с повышением гибкости макромолекул и уменьшением межмолекулярного взаимодействия, а также при введении в линейные полимеры пластификаторов.

Газопроницаемость определяют следующими методами: манометрическим (фиксируются показания манометра, соединенного с разреженным объемом, куда поступает газ, прошедший через образец); объемометрическим (вычисляется объем газа, прошедшего через образец за определенное время, при постоянном его давлении с противоположной стороны); измерением скорости изменения концентрации газа с той или другой стороны образца, для чего могут быть использованы хроматографические, масс-спектрометрические, химические и другие методы. Для оценки газопроницаемости керамических изделий рекомендован объемометрический метод. [1]

Список литературы:

1. Лукин Е.С, Андрианов Н.Т. Технический анализ и контроль производства керамики, М., 1975.
2. Патент СССР № 1606480/30-15, 24.09.1970.
3. ГОСТ 11573-98. Изделия огнеупорные. Метод определения коэффициента газопроницаемости.
4. ГОСТ 2189-78. Пески формовочные. Правила приемки. Методы отбора и подготовки проб для испытаний.
5. СНиП II-3-79. Строительная теплотехника.
6. Brett William Gunnink. Determination of the pore structure of porous materials. 1987.
7. V. I. Kushch, S. A. Ivanov, 2007, published in Zhurnal Sverkhtverdye Materialy, 2007, Vol. 29, No. 1, pp. 51–59.
8. K. S. W. SING. Reporting physisorption data for gas/solid systems, Pure & Appl.Chem.., Vol.54, No.11, pp.2201—22l8, 1982.
9. J. Rouquerol. Recommendations for the characterization of porous solids. Pure & Appl. Chern., Vol. 66, No. 8, pp. 1739-1758, 1994.