非織造布孔隙率測(cè)試方法研究

雷李娜++++漆東岳++++孫現(xiàn)偉++++袁彬蘭++++王向欽

摘 要：

本文利用玻爾定律（PV=nRT），通過(guò)阿基米德原理-氣體膨脹置換法測(cè)試非織造布中纖維所占的絕對(duì)體積（真體積），并在其名義厚度下獲得其堆積體積，從而準(zhǔn)確測(cè)得非織造布的孔隙率，并通過(guò)試驗(yàn)證明此方法可以準(zhǔn)確地測(cè)得非織造布的孔隙率。

關(guān)鍵詞：非織造布；孔隙率；玻爾定律；阿基米德原理-氣體膨脹置換法

1 引言

目前材料孔隙率測(cè)試方法有氮吸附法（BET）、壓汞法、浸液法及質(zhì)量密度法。其中氮吸附法（BET）適用測(cè)試孔徑分布小于50nm的材料，如粉末狀的催化劑[1]，不適用于非織造布的孔徑特征；壓汞法需要較大的壓強(qiáng)，一般在100MPa以上，纖維真實(shí)體積易被壓縮，測(cè)試結(jié)果變大，使用小壓強(qiáng)時(shí)，液態(tài)汞又無(wú)法進(jìn)入較小的孔隙[2，3]，測(cè)試結(jié)果偏??；浸液法使用表面張力較小的液體浸潤(rùn)非織造布，但由于非織造材料的原料種類較多，且大部分是可溶于有機(jī)溶劑或會(huì)在有機(jī)溶劑中膨脹的，或者是表面能極低的材料（如PTFE是已知表面能最低的材料），浸潤(rùn)液選擇成為難題；質(zhì)量密度法采用非織造布質(zhì)量除以其原料密度獲得纖維真體積，從而求出其孔隙率，目前在科研中被廣泛使用[4-7]，但這種方法僅適用于單一原料的非織造布或是已知原料百分比含量的非織造布，不能用于測(cè)試未知成分的非織造布孔隙率。

阿基米德原理-氣體膨脹置換法不受非織布原料、孔徑分布影響，解決了壓汞法壓強(qiáng)過(guò)大、浸液法溶劑適用性不強(qiáng)的難題，可廣泛應(yīng)用于各類非織造布孔隙率的測(cè)定。李洪在《面狀纖維集合體孔隙相的研究》中提出可以使用此方法來(lái)測(cè)試非織造布的孔隙率，但并未詳細(xì)說(shuō)明其原理，也未對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證[8]。本文通過(guò)阿基米德原理-氣體膨脹置換法測(cè)定纖維所占的絕對(duì)體積（真體積），并在其名義厚度下獲得其堆積體積，從而準(zhǔn)確測(cè)得非織造布的孔隙率，并試驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。

2 阿基米德原理-氣體膨脹置換法測(cè)試原理

利用小分子直徑的惰性氣體在一定條件下的玻爾定律（PV=nRT），通過(guò)測(cè)定由于樣品測(cè)試腔放入樣品所引起的樣品測(cè)試腔氣體容量的減少來(lái)精確測(cè)定樣品的真體積，從而計(jì)算出非織造布的孔隙率，阿基米德原理-氣體膨脹置換法測(cè)試非織造布真體積的原理如圖1所示。

阿基米德原理-氣體膨脹置換法所用儀器主要由一個(gè)樣品倉(cāng)VC、一大一小兩個(gè)附加倉(cāng)VA、高敏壓強(qiáng)傳感器、高壓氮?dú)庠匆约?個(gè)電磁閥構(gòu)成，保證測(cè)試儀器具有良好的氣密性，樣品倉(cāng)VC及附加倉(cāng)體積VA已知。將樣品（假設(shè)體積為VP）放入樣品倉(cāng)，關(guān)閉樣品倉(cāng)，并保證其氣密性與溫度穩(wěn)定，測(cè)試開始時(shí)電磁閥2、3及泄壓閥打開，然后開啟電磁閥1使氮?dú)膺M(jìn)入并清洗樣品倉(cāng)與附加倉(cāng)，然后關(guān)閉電磁閥1，記錄此時(shí)樣品倉(cāng)與附加倉(cāng)的氣體壓強(qiáng)為P0，關(guān)閉電磁閥2、3及泄壓閥，打開電磁閥1使高壓氮?dú)膺M(jìn)入樣品倉(cāng)，并在樣品倉(cāng)內(nèi)達(dá)到一個(gè)較高的壓強(qiáng)值后，關(guān)閉電磁閥1，待樣品倉(cāng)內(nèi)氣壓穩(wěn)定后，記錄壓強(qiáng)值P2；在保證電磁閥1及泄壓閥關(guān)閉的情況下，打開電磁閥2、3，使樣品倉(cāng)與附加倉(cāng)連通，樣品倉(cāng)內(nèi)的高壓氮?dú)饬魅敫郊觽}(cāng)，待壓強(qiáng)穩(wěn)定后，記錄壓強(qiáng)值P3。

由此可測(cè)得非織造布中纖維所占的絕對(duì)體積（真體積），再結(jié)合其名義厚度下獲得其堆積體積，則可通過(guò)公式1、2、3求出非織造布孔隙率：

（1）

（2）

（3）

其中C為非織布的孔隙率，VP為非織造布中纖維所占的絕對(duì)體積（真體積），Vd為非織造布在名義厚度下的堆積體積，L為非織造布試樣長(zhǎng)度，S為試樣寬度，d為在規(guī)定壓強(qiáng)下測(cè)得的試樣厚度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

非織布的孔隙率通過(guò)公式（3）得出，其中堆積體積與其名義厚度有關(guān)，名義厚度可以通過(guò)GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分：厚度的測(cè)定》、GB/T 13761.1—2009《土工合成材料 規(guī)定壓力下厚度的測(cè)定 第1部分：?jiǎn)螌赢a(chǎn)品厚度的測(cè)定方法》等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，然后通過(guò)公式（2）獲得樣品的堆積體積，所以驗(yàn)證非織造布孔隙率測(cè)試方法的準(zhǔn)確性，關(guān)鍵在于驗(yàn)證纖維真實(shí)體積測(cè)試方法的準(zhǔn)確性。

選取5種已知原料密度的非織造布，稱量其質(zhì)量，精確至0.001g，并通過(guò)質(zhì)量除以其原料密度獲得其理論體積，然后采用阿基米德原理-氣體膨脹置換法測(cè)試非織造布中纖維材料的真體積，再通過(guò)測(cè)試所得真體積與理論體積的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證測(cè)試方法的可行性與準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)采用康塔Quotation ULTRAPYC 1200e真密度儀，根據(jù)樣品倉(cāng)大小將試樣裁剪為20mm×200mm，根據(jù)樣品倉(cāng)形態(tài)調(diào)整樣品狀態(tài)（如圖2）。根據(jù)纖維材料的特點(diǎn)，測(cè)試用壓強(qiáng)不能過(guò)高，以免引起纖維材料的壓縮，也不能過(guò)低，以免氣體不能完全進(jìn)入所有空隙，故本試驗(yàn)選取10psi、8psi、6psi、4psi4個(gè)較為適中的壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性與測(cè)試壓強(qiáng)之間的關(guān)系，并探尋合適的測(cè)試壓強(qiáng)。調(diào)整真密度測(cè)試儀測(cè)試壓強(qiáng)，按文中第1章節(jié)所述過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，當(dāng)樣品連續(xù)三次測(cè)試結(jié)果偏差小于5%時(shí)，認(rèn)為可以接受。本試驗(yàn)中選取了5種由單一原料制備的非織造布進(jìn)行真體積測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及與其理論體積的百分比如表1及如圖3所示。

可以看出，所有試樣的測(cè)試真體積均十分接近理論體積，但不同原料的試樣依然呈現(xiàn)出不同的規(guī)律：就試樣1、試樣2及試樣3而言，隨著壓強(qiáng)值的減小，測(cè)試結(jié)果不斷增大，并不斷接近理論體積，但并未有出現(xiàn)超出理論體積的測(cè)試值；試樣4、試樣5隨著測(cè)試壓強(qiáng)減小，其測(cè)試體積與理論體積的偏差忽大忽小，但均十分接近理論體積，但并未表現(xiàn)出與測(cè)試壓強(qiáng)存在明顯關(guān)系。

由表1可知：試樣1、試樣2及試樣3，其采用的纖維原料剛性較小，具有一定的可變形性，在較高的測(cè)試壓強(qiáng)下會(huì)出現(xiàn)一定的壓縮變形，故隨著測(cè)試壓強(qiáng)的減小，纖維受到壓縮的變小，其測(cè)試值不斷增大并不斷接近真值；試樣4、試樣5所采用的纖維原料剛性較大，可以承受較高的測(cè)試壓強(qiáng)而不被壓縮，故測(cè)試壓強(qiáng)對(duì)其真體積測(cè)試結(jié)果影響不大。

4 結(jié)論

采用阿基米德原理-氣體膨脹置換法測(cè)試非織造布真體積時(shí)，應(yīng)采用較低的測(cè)試壓強(qiáng)，建議采用4psi或6psi的壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)試，此方法可以準(zhǔn)確測(cè)得非織造布的孔隙率。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊通在，羅順忠，許云書. 氮吸附法表征多孔材料的孔結(jié)構(gòu)[J]. 炭素，2006（01）：17-22.

[2]陳悅，李東旭. 壓汞法測(cè)定材料孔結(jié)構(gòu)的誤差分析[J].硅酸鹽通報(bào)，2006（04）：198-201+207.

[3]常東武. 壓汞法測(cè)量孔隙時(shí)減小誤差的方法及分析[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2003（05）：76-80.

[4]王立波，沈恒根，王振華，等. PSA/BAS水刺濾料過(guò)濾性能研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2012（05）：18-22.

[5]田偉，雷新，從明芳，等. 紡粘非織造布制備工藝與性能的關(guān)系[J]. 紡織學(xué)報(bào)，2015（11）：68-71.

[6]姚春梅，黃鋒林，魏取福，等. 靜電紡聚乳酸納米纖維復(fù)合濾料的過(guò)濾性能研究[J]. 化工新型材料，2012（04）：122-124.

[7]楊樹，于偉東，潘寧. 非織造布的結(jié)構(gòu)特征與其吸聲性能研究[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品，2010（07）：6-11.

[8]李洪. 面狀纖維集合體孔隙相的研究——非織造布孔隙相結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)定[J]. 非織造布，2000（04）：28-31.

（作者單位：廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)研究院）