《纺织科学研究》23功能性纺织品及纳米技术应用
纤维过滤材料孔径及孔径分布测试方法的研究
梁 云, 胡 健, 周雪松, 郑炽嵩
(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室, 广州510640)
[摘要] 主要采用压汞法和泡点法对纤维过滤材料孔径和孔径分布的测试进行了研
究。结果表明, 压汞法测定的孔径相对比泡点法要小, 分布范围也较窄。主要原因在于, 两种方法所采用的样品外形及测定压力有差异。与压汞法相比, 泡点法更适宜用于纤维过滤材料孔径及孔径分布的测试研究。
[关键词] 过滤材料; 压汞法; 泡点法; 孔径; 孔径分布
[中图分类号]TS176+. 5 [文献标识码]A [文章编号]1003-1308(2004) 04-0023-05
1 引 言
过滤是指借助多孔的过滤材料, 将分散于流体中颗粒进行分离的过程。过滤是对人们生产和生活有着重要影响的一种工艺过程, 它被广泛地应用于气体与液体的净化与分离。纤维过滤材料是目前发展最为迅速的过滤材料之一。纤维制品作为过滤材料的原料, 具有轻便、柔软、容易弯曲等特点, 可根据需要对纤维的纤度、长度、强力、耐摩擦性、耐高温性、耐化学性及耐生物药品性等进行合理选择, 并可做阻燃、抗静电等特殊处理。因此, 以纤维为原料的过滤材料, 可制成品种繁多、规格系列化的产品, 以满足不同条件的过滤要求。
纤维过滤材料的过滤作用是通过其内部的孔径通道来实现的, 因而其过滤精度在很大程度上取决于其孔径尺寸及分布。孔径测定方法一般可分为直接法和间接法两大类。直接法包括显微镜观察法、X 射线小角度散射测量法等。间接法是利用一些与孔径有关的物理现象, 通过实验测出各有关物理参数, 并在“孔隙为均匀通直圆孔”的假设条件下, 计算出孔隙的等效孔径, 这类方法主要有泡点法、压汞法、气体吸附脱附法等。直接法大多用来测量试样表面孔隙的大小。对于有一定厚度或孔隙深度的多孔材料, 则大多采用间接测定的方法。
本文主要采用压汞法和泡点法对纤维过滤材料的孔径及孔径分布测试进行了研究, 并对两种测定方法的结果进行了对比。
2 测试原理
2. 1 压汞法[1]
压汞法在过滤材料的孔径及其孔径分布的检测方面发挥了很大作用, 它以等径毛细管束理论模型为理论基础, 所得出的孔径是一个等效孔径, 计算公式为:
R 1=2σP 11·cos θ1
式中:P 1———汞的附加压强, Pa ;
[收稿日期]2004-08-12; [修订日期]2004-10-12
24
R 1———孔的半径, μm
σ——汞的表面张力系数, 达因 cm ; 1—
θ——汞对材料的浸润角, 度(°) 。1—
2. 2 泡点法[2]2004年第4期
用泡点法测量孔径的原理与压汞法一致, 也是以表面张力引起毛细孔中液体上升为理论依据的。当毛细孔浸在某种液体中时, 在表面张力的作用下, 毛细孔中的液体将会上升到某一高度, 直到毛细孔中的表面张力与毛细孔中的液柱重力达到力平衡, 此时可按下式计算出孔的半径:
R 2=2σ2·cos θ2 P 2
式中:P 2———从孔中排出浸润液所需要的气体压力, Pa ;
R 2———孔的半径, μm ;
σ——浸润液的表面张力, 达因 cm ; 2—
θ——浸润液与孔壁的接触角, 度(°) 。2—
3 实 验
3. 1 原 料
纤维过滤材料A 、B , 自制。
3. 2 主要仪器
(1) 压汞法测试仪器:Poremeter 33, 美国产。
(2) 泡点法测试仪器:库尔特仪(Coulter Porometer Ⅱ) , 浸湿液体:Coulter POROFIL , 美国产。
(3) 扫描电子显微镜:纤维过滤材料经喷金处理后, 用德国LEO 1530up 型场发射扫描电镜进行观察。
4 结果与讨论
4. 1 压汞法的测定结果(见图1、图2)
图1与图2分别是压汞法所测定样品A 与样
品B 的孔径分布曲线, 纵坐标D v 代表的是单位
质量过滤材料中孔的体积分布, 横坐标代表的是
孔径大小。从图中可以看出, 样品A 与样品B 的
孔径都呈现为典型的单峰分布。表1 压汞法测定的样品孔径值样品编号A B 平均孔径(μm ) 典型孔径(μm ) 15. 9512. 2615. 8012. 05
压汞法按不同的计算公式, 可以得到不同的
孔径值。本研究选用了平均孔径和典型孔径, 二者的主要差别在于计算时所采用的汞的体积不同, 具体如下:
V 平均孔径=汞侵入时的初始体积-汞侵入后的终止体积
V 典型孔径=进汞体积变化的最大值
表1是经压汞仪测量计算后, 样品A 与样品B 的平均孔径与典型孔径的数值。
4. 2 泡点法的测定结果
如图3所示, 用泡点法测试时, 已浸润的样品受到持续增大的压力作用, 可在压力区间(X , Y ) 得到气体流量和压力的关系曲线A , 即“湿式曲线”; 然后, 当系统中的压力自动减小到初始压力X 、, B ,
《纺织科学研究》25图1 用压汞法测定样品A 的孔径分布曲线
图2 用压汞法测定样品B
的孔径分布曲线
在图3中, 曲线A 上的垂直记号(即图3中的a 点)
所对应的孔径为最大孔径; 当湿式流量达到其最大流量
的98%(即图3中的b 点) 时, 所对应的孔径为最小孔
径; 在干式曲线B 中, 50%流量时所相对应的湿式曲线
A 上的点(即图3中的c 点) 所对应的孔径为平均流量
[2]孔径, 即平均孔径。测量后, 经仪器自动计算, 给出数
据表, 累积流量分布图、区间流量分布图等结果。
图4和图5分别是用泡点法测定的、样品A 与样品
B 的孔径分布曲线。从图中可以看出, 两个样品的孔径
也呈典型的单峰分布, 这一结果与压汞法的测定结果一
致; 但与图1、图2对比可以看出, 泡点法测定的孔径分图3 泡点法全范围孔径分布
布范围要更宽些。
表2是泡点法所测定样品的最小孔径、最大孔径和平均孔径值。与表1压汞法测量的数据对比, 可以看出, 泡点法所得到的平均孔径值要明显大于压汞法的平均孔径值
。
图4 泡点法测定的样品A 的孔径分布曲线图5 泡点法测定的样品B 的孔径分布曲线
26
表2 泡点法测定的样品孔径值
样品编号
A
B 最小孔径(μm ) 14. 9913. 14最大孔径(μm ) 55. 8048. 782004年第4期平均孔径(μm ) 28. 1029. 34
4. 3 两种方法的比较
从以上两节的结果可以看出, 压汞法和泡点法所测定的孔径分布曲线, 其形态是相似的, 但泡点法所得到的孔径分布范围要更宽些, 孔径值也较大。下面将对造成这一结果的主要原因进行分析。
(1) 样品外形的影响
用压汞法测定时, 一定量的样品被装入样品柱, 在汞压入的过程中, 样品的表面和侧面同时被汞侵入, 测量结果无法区分从表面侵入的汞和从侧面侵入的汞。实际上, 纤维过滤材料中两个表面的孔径特征与侧面的孔径特征是不相同的, 图6与图7分别是样品A 的表面与侧面的SEM 照片。对比这两张照片可以看出, 材料表面的孔径要明显大于侧面的孔径。受此影响, 压汞法测量出的孔径值应小于垂直于材料两个表面的有效孔径值
。
图6 样品A 表面的SEM 照片
图7 样品A 侧面的SEM 照片
泡点法的测试样品为直径2. 5c m 的圆片。测定时, 圆片的周边被样品夹固定, 气流都是从垂直于样品表面的方向进入样品的, 因而与压汞法相比, 没有受到样品侧面方向孔隙的影响, 得到的是垂直于样品两个表面的有效孔径。所以, 用泡点法测出的孔径值要大于压汞法的测定结果, 得到的孔径分布也相对较宽。
(2) 测试压力的影响
压汞仪所能测量的孔径大小, 与测试所选用的压力大小密切相关。本研究所使用的压汞仪有高压和低压两种测量条件, 所能测量的孔径范围分别为70 ～7μm , 和7μm ～400μm 。本文所采用的是低压测试, 压力大小为3. 5～350kPa 。
库尔特测试仪配备有低蒸汽压、低活性、低表面张力的浸润液POROFIL , 其表面张力(16mN m ) 比水的表面张力(72mN m ) 小, 因而所需测试的压力低。依据测试压力的大小不同, 可测量的孔径范围为0. 05～300μm 。本研究在测试过程中所使用的压力范围为0. 5～10kPa 。,
342004年第4期达到与双浆槽中低覆盖率的纱片有相同的上浆率、S a 值和W a 值, 就需要用较高浓度的浆液。在实际生产中, 单浆槽的浆液浓度较双浆槽高1%左右, 但浓度提高之后还要避免粘度太高, 以免不利于浸透, 影响操作。
此外, 对于特号高密织物, 由于从机后到机前, 湿分绞、干分绞、复分绞以及特为边纱设置的边分绞和伸缩筘等多道关卡设置, 加之上浆率较高, 纱线又细弱, 通常要避免浆纱速度过高, 以减少机上各道分绞的劈分和冲击应力, 减少断头, 以求包括处理断头时间在内的综合效率高, 并确保浆轴倒、并、绞头少。浆纱速度以掌握在45～70m min 为好。
4 结 语
对于高密、细特、高覆盖率和涤纶高比例织物的上浆, 关键是解决好贴伏毛羽、增强耐磨性的问题。通过采取高压, 解决了上上浆、上牢浆、上匀浆的问题。毛羽的贴伏要靠纱体内外相结合的浆液湿粘着力, 即浆液高的含固量, 同时又需要好的浸透力, 因此, 只有高浓、低粘浆液才能办到。耐磨和增强也是靠高浓、低粘浆液, 配合适当高的压浆力, 关键是均匀而牢固的纱体表面的浆科覆盖率, 并保持浆膜的完整, 这就要求浆纱车头分绞轻快, 不破坏浆膜, 不再生毛羽, 也只有低粘度浆液才能办到。双浆槽上浆较好地解决了高覆盖率织物的问题。总之, 采用“二高一低”浆纱工艺是上述高难织物上浆的有效对策。
[参考文献]
[1] 刘成满, 贾国臣. 高压高浓低粘浆纱工艺的应用[J ]. 棉纺织技术, 2000,(4) :15～17.
[2] 萧汉滨. 新型浆纱机与高压上浆工艺路线研究[J ]. 棉纺织技术, 2002,(6) :8～10.
[3] 萧汉滨. 高压上浆工艺量化的研讨[J ]. 棉纺织技术, 2001,(5) :10～11.
(上接第26页) 由于本研究所采用的纤维过滤材料属于疏松的多孔介质, 在外力的作用下其结构可能被压缩, 导致材料内部孔径减小(特别是大孔径) 。压汞法所测孔径要小于泡点法、且孔径分布范围较窄的另一原因, 可能就在于压汞法所使用的测定压力过高, 导致了材料内部的部分孔隙结构被压缩。
5 结束语
压汞法和泡点法都是常用的孔径及孔径分布测定仪器。本文采用两种方法对纤维过滤材料进行了研究, 结果表明其所测定的孔径分布曲线形态是一致的, 但压汞法所测定的孔径要小于泡点法, 孔径分布也较窄, 其原因主要在于两种方法所使用的样品形态的差异及测定压力的区别。对于纤维过滤材料这种疏松的多孔介质, 在测定孔径及其分布时, 为减小结构压缩对测定结果的影响, 应尽量避免操作压力过高, 因而更适宜采用泡点法进行孔径及孔径分布的测定。
[参考文献]
[1] 张清, 张正德, 魏海荣. 多孔材料过滤精度的表征方法[J ]. 过滤与分离, 2000,(1) :33～37.
[2] 郑翠萍, 肖四清. 用库尔特仪测试微孔膜的性能[J ]. 膜科学与技术, 1999,(1) :31～33.
《纺织科学研究》23功能性纺织品及纳米技术应用
纤维过滤材料孔径及孔径分布测试方法的研究
梁 云, 胡 健, 周雪松, 郑炽嵩
(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室, 广州510640)
[摘要] 主要采用压汞法和泡点法对纤维过滤材料孔径和孔径分布的测试进行了研
究。结果表明, 压汞法测定的孔径相对比泡点法要小, 分布范围也较窄。主要原因在于, 两种方法所采用的样品外形及测定压力有差异。与压汞法相比, 泡点法更适宜用于纤维过滤材料孔径及孔径分布的测试研究。
[关键词] 过滤材料; 压汞法; 泡点法; 孔径; 孔径分布
[中图分类号]TS176+. 5 [文献标识码]A [文章编号]1003-1308(2004) 04-0023-05
1 引 言
过滤是指借助多孔的过滤材料, 将分散于流体中颗粒进行分离的过程。过滤是对人们生产和生活有着重要影响的一种工艺过程, 它被广泛地应用于气体与液体的净化与分离。纤维过滤材料是目前发展最为迅速的过滤材料之一。纤维制品作为过滤材料的原料, 具有轻便、柔软、容易弯曲等特点, 可根据需要对纤维的纤度、长度、强力、耐摩擦性、耐高温性、耐化学性及耐生物药品性等进行合理选择, 并可做阻燃、抗静电等特殊处理。因此, 以纤维为原料的过滤材料, 可制成品种繁多、规格系列化的产品, 以满足不同条件的过滤要求。
纤维过滤材料的过滤作用是通过其内部的孔径通道来实现的, 因而其过滤精度在很大程度上取决于其孔径尺寸及分布。孔径测定方法一般可分为直接法和间接法两大类。直接法包括显微镜观察法、X 射线小角度散射测量法等。间接法是利用一些与孔径有关的物理现象, 通过实验测出各有关物理参数, 并在“孔隙为均匀通直圆孔”的假设条件下, 计算出孔隙的等效孔径, 这类方法主要有泡点法、压汞法、气体吸附脱附法等。直接法大多用来测量试样表面孔隙的大小。对于有一定厚度或孔隙深度的多孔材料, 则大多采用间接测定的方法。
本文主要采用压汞法和泡点法对纤维过滤材料的孔径及孔径分布测试进行了研究, 并对两种测定方法的结果进行了对比。
2 测试原理
2. 1 压汞法[1]
压汞法在过滤材料的孔径及其孔径分布的检测方面发挥了很大作用, 它以等径毛细管束理论模型为理论基础, 所得出的孔径是一个等效孔径, 计算公式为:
R 1=2σP 11·cos θ1
式中:P 1———汞的附加压强, Pa ;
[收稿日期]2004-08-12; [修订日期]2004-10-12
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R 1———孔的半径, μm
σ——汞的表面张力系数, 达因 cm ; 1—
θ——汞对材料的浸润角, 度(°) 。1—
2. 2 泡点法[2]2004年第4期
用泡点法测量孔径的原理与压汞法一致, 也是以表面张力引起毛细孔中液体上升为理论依据的。当毛细孔浸在某种液体中时, 在表面张力的作用下, 毛细孔中的液体将会上升到某一高度, 直到毛细孔中的表面张力与毛细孔中的液柱重力达到力平衡, 此时可按下式计算出孔的半径:
R 2=2σ2·cos θ2 P 2
式中:P 2———从孔中排出浸润液所需要的气体压力, Pa ;
R 2———孔的半径, μm ;
σ——浸润液的表面张力, 达因 cm ; 2—
θ——浸润液与孔壁的接触角, 度(°) 。2—
3 实 验
3. 1 原 料
纤维过滤材料A 、B , 自制。
3. 2 主要仪器
(1) 压汞法测试仪器:Poremeter 33, 美国产。
(2) 泡点法测试仪器:库尔特仪(Coulter Porometer Ⅱ) , 浸湿液体:Coulter POROFIL , 美国产。
(3) 扫描电子显微镜:纤维过滤材料经喷金处理后, 用德国LEO 1530up 型场发射扫描电镜进行观察。
4 结果与讨论
4. 1 压汞法的测定结果(见图1、图2)
图1与图2分别是压汞法所测定样品A 与样
品B 的孔径分布曲线, 纵坐标D v 代表的是单位
质量过滤材料中孔的体积分布, 横坐标代表的是
孔径大小。从图中可以看出, 样品A 与样品B 的
孔径都呈现为典型的单峰分布。表1 压汞法测定的样品孔径值样品编号A B 平均孔径(μm ) 典型孔径(μm ) 15. 9512. 2615. 8012. 05
压汞法按不同的计算公式, 可以得到不同的
孔径值。本研究选用了平均孔径和典型孔径, 二者的主要差别在于计算时所采用的汞的体积不同, 具体如下:
V 平均孔径=汞侵入时的初始体积-汞侵入后的终止体积
V 典型孔径=进汞体积变化的最大值
表1是经压汞仪测量计算后, 样品A 与样品B 的平均孔径与典型孔径的数值。
4. 2 泡点法的测定结果
如图3所示, 用泡点法测试时, 已浸润的样品受到持续增大的压力作用, 可在压力区间(X , Y ) 得到气体流量和压力的关系曲线A , 即“湿式曲线”; 然后, 当系统中的压力自动减小到初始压力X 、, B ,
《纺织科学研究》25图1 用压汞法测定样品A 的孔径分布曲线
图2 用压汞法测定样品B
的孔径分布曲线
在图3中, 曲线A 上的垂直记号(即图3中的a 点)
所对应的孔径为最大孔径; 当湿式流量达到其最大流量
的98%(即图3中的b 点) 时, 所对应的孔径为最小孔
径; 在干式曲线B 中, 50%流量时所相对应的湿式曲线
A 上的点(即图3中的c 点) 所对应的孔径为平均流量
[2]孔径, 即平均孔径。测量后, 经仪器自动计算, 给出数
据表, 累积流量分布图、区间流量分布图等结果。
图4和图5分别是用泡点法测定的、样品A 与样品
B 的孔径分布曲线。从图中可以看出, 两个样品的孔径
也呈典型的单峰分布, 这一结果与压汞法的测定结果一
致; 但与图1、图2对比可以看出, 泡点法测定的孔径分图3 泡点法全范围孔径分布
布范围要更宽些。
表2是泡点法所测定样品的最小孔径、最大孔径和平均孔径值。与表1压汞法测量的数据对比, 可以看出, 泡点法所得到的平均孔径值要明显大于压汞法的平均孔径值
。
图4 泡点法测定的样品A 的孔径分布曲线图5 泡点法测定的样品B 的孔径分布曲线
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表2 泡点法测定的样品孔径值
样品编号
A
B 最小孔径(μm ) 14. 9913. 14最大孔径(μm ) 55. 8048. 782004年第4期平均孔径(μm ) 28. 1029. 34
4. 3 两种方法的比较
从以上两节的结果可以看出, 压汞法和泡点法所测定的孔径分布曲线, 其形态是相似的, 但泡点法所得到的孔径分布范围要更宽些, 孔径值也较大。下面将对造成这一结果的主要原因进行分析。
(1) 样品外形的影响
用压汞法测定时, 一定量的样品被装入样品柱, 在汞压入的过程中, 样品的表面和侧面同时被汞侵入, 测量结果无法区分从表面侵入的汞和从侧面侵入的汞。实际上, 纤维过滤材料中两个表面的孔径特征与侧面的孔径特征是不相同的, 图6与图7分别是样品A 的表面与侧面的SEM 照片。对比这两张照片可以看出, 材料表面的孔径要明显大于侧面的孔径。受此影响, 压汞法测量出的孔径值应小于垂直于材料两个表面的有效孔径值
。
图6 样品A 表面的SEM 照片
图7 样品A 侧面的SEM 照片
泡点法的测试样品为直径2. 5c m 的圆片。测定时, 圆片的周边被样品夹固定, 气流都是从垂直于样品表面的方向进入样品的, 因而与压汞法相比, 没有受到样品侧面方向孔隙的影响, 得到的是垂直于样品两个表面的有效孔径。所以, 用泡点法测出的孔径值要大于压汞法的测定结果, 得到的孔径分布也相对较宽。
(2) 测试压力的影响
压汞仪所能测量的孔径大小, 与测试所选用的压力大小密切相关。本研究所使用的压汞仪有高压和低压两种测量条件, 所能测量的孔径范围分别为70 ～7μm , 和7μm ～400μm 。本文所采用的是低压测试, 压力大小为3. 5～350kPa 。
库尔特测试仪配备有低蒸汽压、低活性、低表面张力的浸润液POROFIL , 其表面张力(16mN m ) 比水的表面张力(72mN m ) 小, 因而所需测试的压力低。依据测试压力的大小不同, 可测量的孔径范围为0. 05～300μm 。本研究在测试过程中所使用的压力范围为0. 5～10kPa 。,
342004年第4期达到与双浆槽中低覆盖率的纱片有相同的上浆率、S a 值和W a 值, 就需要用较高浓度的浆液。在实际生产中, 单浆槽的浆液浓度较双浆槽高1%左右, 但浓度提高之后还要避免粘度太高, 以免不利于浸透, 影响操作。
此外, 对于特号高密织物, 由于从机后到机前, 湿分绞、干分绞、复分绞以及特为边纱设置的边分绞和伸缩筘等多道关卡设置, 加之上浆率较高, 纱线又细弱, 通常要避免浆纱速度过高, 以减少机上各道分绞的劈分和冲击应力, 减少断头, 以求包括处理断头时间在内的综合效率高, 并确保浆轴倒、并、绞头少。浆纱速度以掌握在45～70m min 为好。
4 结 语
对于高密、细特、高覆盖率和涤纶高比例织物的上浆, 关键是解决好贴伏毛羽、增强耐磨性的问题。通过采取高压, 解决了上上浆、上牢浆、上匀浆的问题。毛羽的贴伏要靠纱体内外相结合的浆液湿粘着力, 即浆液高的含固量, 同时又需要好的浸透力, 因此, 只有高浓、低粘浆液才能办到。耐磨和增强也是靠高浓、低粘浆液, 配合适当高的压浆力, 关键是均匀而牢固的纱体表面的浆科覆盖率, 并保持浆膜的完整, 这就要求浆纱车头分绞轻快, 不破坏浆膜, 不再生毛羽, 也只有低粘度浆液才能办到。双浆槽上浆较好地解决了高覆盖率织物的问题。总之, 采用“二高一低”浆纱工艺是上述高难织物上浆的有效对策。
[参考文献]
[1] 刘成满, 贾国臣. 高压高浓低粘浆纱工艺的应用[J ]. 棉纺织技术, 2000,(4) :15～17.
[2] 萧汉滨. 新型浆纱机与高压上浆工艺路线研究[J ]. 棉纺织技术, 2002,(6) :8～10.
[3] 萧汉滨. 高压上浆工艺量化的研讨[J ]. 棉纺织技术, 2001,(5) :10～11.
(上接第26页) 由于本研究所采用的纤维过滤材料属于疏松的多孔介质, 在外力的作用下其结构可能被压缩, 导致材料内部孔径减小(特别是大孔径) 。压汞法所测孔径要小于泡点法、且孔径分布范围较窄的另一原因, 可能就在于压汞法所使用的测定压力过高, 导致了材料内部的部分孔隙结构被压缩。
5 结束语
压汞法和泡点法都是常用的孔径及孔径分布测定仪器。本文采用两种方法对纤维过滤材料进行了研究, 结果表明其所测定的孔径分布曲线形态是一致的, 但压汞法所测定的孔径要小于泡点法, 孔径分布也较窄, 其原因主要在于两种方法所使用的样品形态的差异及测定压力的区别。对于纤维过滤材料这种疏松的多孔介质, 在测定孔径及其分布时, 为减小结构压缩对测定结果的影响, 应尽量避免操作压力过高, 因而更适宜采用泡点法进行孔径及孔径分布的测定。
[参考文献]
[1] 张清, 张正德, 魏海荣. 多孔材料过滤精度的表征方法[J ]. 过滤与分离, 2000,(1) :33～37.
[2] 郑翠萍, 肖四清. 用库尔特仪测试微孔膜的性能[J ]. 膜科学与技术, 1999,(1) :31～33.