膜孔隙率的常用測試方法簡介
在薄膜、中空纖維膜等膜材料的應(yīng)用與研究中,孔隙率是一項常用的重要指標。孔隙率一般被定義為多孔膜中,孔隙的體積占膜的表觀體積的百分數(shù),即:ε= V孔 / V膜外觀。
孔隙是流體的輸送通道,這里的“孔隙”準確的說應(yīng)該指“通孔孔隙”。通常研究人員希望采用此參數(shù)來評價膜的過濾性能、滲透性能和分離能力。但由于定義
以及測試方法限制等原因,造成目前大家經(jīng)常看到的和并被普遍應(yīng)用的“孔隙率”這個參數(shù)中的“孔隙”,并非指的是“通孔孔隙”,所以,這種定義的孔隙率,與膜的過濾性能、滲透性能、分離能力并不構(gòu)成正相關(guān)性。也就是說,孔隙率大的,過濾性能并不一定好;滲透率為零,孔隙率不一定為零。
對于泡壓法原理的膜孔徑分析儀,如果膜上的孔非理想的圓柱形孔,其實是不能用來分析孔隙率的,因為該原理的儀器測試出來的孔徑分布是通孔孔喉的尺寸信息。用通孔孔喉尺寸計算得到孔面積,從而依據(jù)ε= V孔 / V膜外觀 = S孔 / S膜外觀 來計算出的孔隙率,這個值在實際中會遠小于目前常用方法所得到的孔隙率。只有當該膜的孔為理想的圓柱孔時,即孔喉和孔口的尺寸相同且無其它凸凹、縫隙結(jié)構(gòu)時,由通孔孔喉尺寸得到的孔隙率才與目前常用方法得到的孔隙率接近(這種情況在實際中幾乎不存在)。
下面列舉幾個常用測試方法:
方法一:稱重法(濕法、浸液法)
原理:根據(jù)膜浸濕某種合適液體(如水等)的前后重量變化,來確定該膜的孔隙體積V孔;該膜的骨架體積V膜骨架可以通過膜原材料密度和干膜重量獲得;則該膜的孔隙率:
ε= V孔 / V膜外觀 = V孔 / ( V孔+V膜骨架 )
方法二:密度法(干法、體積法)
原理:見如下公式推導(dǎo),所以,只需要膜原材料的密度ρ膜材料和膜的表觀密度ρ膜表觀,就可計算得到孔隙率ε。其中表觀密度ρ膜表觀可由外觀體積和質(zhì)量獲得。
ε= V孔 / V膜外觀 = ( V膜外觀-V膜骨架 ) / V膜外觀=(ρ膜表觀-ρ膜材料 )/ ρ膜表觀
方法三:氣體吸附法
原理:根據(jù)低溫氮吸附獲得孔體積,從而得到孔隙率。該方法只能獲得200nm以下尺寸孔結(jié)構(gòu)的孔體積,無法表征200nm以上孔的信息,對于大量濾膜不適用。
方法四:壓汞法
原理:根據(jù)壓汞法原理,利用壓力將汞壓入膜的各種結(jié)構(gòu)的“孔隙”中,根據(jù)注入汞的壓力、體積來獲得膜的孔隙體積及尺寸數(shù)據(jù);該方法的缺點是將汞壓入微孔需要的壓力較大,該方法更適合于分析剛性材料,對于大多數(shù)膜材料為彈性材料,在注入汞的過程中容易發(fā)生變形或“塌陷”,從而產(chǎn)生較大誤差。
以上四種孔隙率的常用測試方法,所獲得孔隙率數(shù)據(jù)中的“孔隙”都不是“通孔孔隙”,更不是“通孔孔喉孔隙”;若不是“通孔孔隙”,那么,這個“孔隙率”就無法達到研究人員所希望的評價過濾性能、滲透性能和分離能力的目的。舉例說明:A膜通孔為零,表面“凸凹、閉孔、盲孔”等結(jié)構(gòu)形成的孔隙率為40%;B膜孔隙率為20%且有通孔;那么,我們并不能依據(jù)該孔隙率數(shù)據(jù)對該兩種膜的過濾性能做出比較。這點在研究和應(yīng)用中是需要注意的。
3H-2000PB 泡壓法膜孔徑分析儀
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