Способ определения проницаемости полимерной мембраны

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЛИМЕРНОЙ МЕААБРАНЫ, заключающийся в анализе газа-носителя на содержание пенетранта, прошедшего через мембрану в количестве J , и анализе компенсационного газаносителя , отличающийся тем, 4Tq с целью повьпдения точности определения , дополнительно анализируют газноситель на содержание пенетранта, прошедшего через мембрану, и анализируют компенсационный газ-носитель при условии ,что в поток компенсациэнного гаэа-носигеля непрерывно вводят стабильное во времени количество JQ-X J вещества,ипентичногопенетранту по детектируемым свойствам.®

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(51) G 01N 15/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 3329137/18-25 (22 ) 17.08.81 (46) 30.09.83, Бюл. М 36 (72) В.Л.Луньков и Ю.П.Рыбалченко (53) 539.217.1 (088,8) (56) Рейтлингер С.А. Проницаемость полимерных материалов. М., "Химия, 1974, с. 250, 2, Виноградская Е.Л, и др. Прибор для определения паропроницаемости полимерных пленок. — Пластические массы, 1977, N 4, с. 73-74.

3, Теплякова В,В. и др. Определение проницаемости полимерных мембран.- "Пластические массы, .1978, N 5, с. 49-51 (прототип).

„„SU„„1045083 А (54) (57 ) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПРОНИНА ЕМОСТИ ПОЛИМЕРНОЙ

MEMEPAHbt, заключаюшийся в анализе газа-носителя на содержание пенетранта, прошедшего через мембрану в кснтичестве, и анализе компенсационного газаносителя, о т л и ч а ю ш и и с я тем, чтс с целью повышения точности определения, дополнительно анализируют газноситель на содержание пенетранта, прошедшего через мембрану, и анализируют компенсационный газ-носитель при усло» вин,что е поток компенсационного гаэа-носителя непрерывно вводят стабильное во времени количество ЭО- Д вещества,идентичного пенетранту по цетектируемым свойствам.щ

1 >oooo

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может найти применение в химической, строительной, текстильной и других отраслях промышленности при исследовании проницаемости полимерных мембран, а также при испытаниях упаковочных пленок дпя пишевых продуктов, электроизоляционныХ пленок, селективных мембран и других иэделий. 10

Наиболее перспективными среди концентрационных методов определения

Проницаемости полимерных пленок являются газохроматографические методы, которые позволяют проводить анализ в изостатическом режиме, т,е, при условии сохранения равенства абсолютных давлений газов (или паров) по обе стороны пленки, что исключает деформацию пленки во время испытаний, Преимущество га- 20 зохроматографических методов состои т в том, что испытания проницаемости пленки можно проводить одновременно несколькими газами с поспедуюшим их разделением на хроматографической колонке. 25

Известен способ определения проницаемости газовых смесей .и паров через полимерные пленки, основанный на пропускании газа-пенетранта над одной иэ сторон пленки, .заключенной в диффузионную ячейку, выделении части пенетранта с другой стороны пленки в поток газа-носителя и транспортировании полученной смеси в аналитическую сис35 тему, В одном иэ вариантов способа смесь пенетранта с газом-носителем годают непосредственно в детектор тепдопроводности, выходной .сигнал .:.которого регистрируют в виде интегральной кривой, 40 показываюшей динамику подхода проницаемости к устойчивому состоянию, jlpyroA вариант предусматривает использование в качестве пенетранта смеси различных газов, которые после прохождения через пленку подвергают газохроматографическому анализу. Для компенсации изменений скорости газа-носителя, влияюших на выходной сигнал детектора, перед подачей в диффузионную ячейку поток газа-носите50 ля пропускают через сравнительную ячейку детектора Г1), Однако, при использовании указанного способа изменение скорости потока газаносителя приводит к изменению в нем концентрации пенетранта, что отрицательно сказывается на точности анализа.

Известен также способ хроматографического определения газопроницаемости

83 2 пленок, эаключаюшийся в том, что анализируемый гаэ (пенетрант) подают в верхнюю камеру диффузионной ячейки с испытуемой пленкой. В нижнюю камеру подают газ-носитель, например, гелий, В:зависимости от проницаемости пленки величину потока газа-носителя устанавливают в пределах 1-50 см /мин, Гаэ3/ носитель вымывает иэ нижней камеры пенетрант, продиффундировавший через пленку из верхней камеры. Смесь гаэаносителя с пенетрантом проходит через мерный объем и попадает на измеритель расхода. После установления постоянной концентрации пенетранта в нижней камере газ-носитель выталкивает анализируемую смесь в разделительную колонку хроматографа и далее в детектор, Подключив выход верхней камеры к хроматографу, аналогичным образом находят содержание в ней пенетранта. По значениям концентрации пенетранта в верхней и нижней камерах диффузионной ячейки судят о проницаемости пленки (2 ), Недостатком данного способа является необходимость точного поддержания расхода газа-носителя, так как анализ содержания пенетранта в верхней и нижней камерах проводят в разное время.

Кроме того, способ неприменим дпя испытания пленок, обладающих малой проницаемостью, иэ-за существенного различия (на несколько порядков ) концент- раций пенетранта в верхней и нижней камерах диффузионной ячейки, Наибсщее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения проницаемости полимерной мембраны, эаключаюшийся в анализе газа-носителя .на содержание пенетранта, прошедшего через мембрану в количестве 3, и анализе компенсационного газа-носителя.

При осуществлении способа используют систему из двух диффузионных ячеек (рабочей и компенсационной), содержащих идентичные образцы испытуемой пленки, и двух хроматографов. При испытании пленки по дифференциальному методу пробу пенетранта вводят в одну из камер. рабочей диффузионной ячейки. Часть пенетранта, прошедшего через пленку в другую камеру, отбирают потоком газаносителя и подают на хроматографический анализ. дополнительно гаэ-носитель подают в компенсационную диффузионную ячейку для уменьшения влияния измене ний скорости потока газа-носителя в рабочей ячейке на выходной сигнал ана83 4 для этого гаэ-носитель) с помошью регуляторов 5 и 6, дросселей 7, манометра 10 и расходомера 11. При этом доби ваются равенства значений соответствующих параметров во всех каналах, После промывки газом-носителем всех полостей и коммуникаций производят испытания образца при отключенном стабильном ис» точнике потока вешества, идентичного пенетранту, При этом с помошью анализатора 9 фиксируют значение сигнала, пропорционального величине потока (Э ) пенетранта, проникаюшего через образец при заданных расходах газа-носителя и температуре термостатирования. Та-

KHM образом, имея приближенные данные о значении потока, с помашью градуировочной характеристики устанавливают по — . ток стабильного источника 3 Л.

В момент времени Т, в верхнюю ка меру диффузионной ячейки 1 подают пенетрант, представляюший собой смесь инертного газа с анализируемым одноили многокомпонентным вешеством известной концентрации. Часть . пенетранта, прошедшего через мембрану 2 в нижнюю камеру, переносится потоком газа-носи теля в анализатор 9, Для анализа однокомпонентного вещества может быть. использован, например, детектор теплопроводности, в измерительную ячейку которого подают смесь пенетранта с газом-носителем из нижней камеры диффузионной ячейки 1, а в сравнительную - компенсационный поток газа-носителя, содержаший вещество, выделяемое стабильным источником, В этом случае изменение концентрации пенетранта в нижней камере диффузионной ячейки регистрируют в . виде кривой, показанной на фиг, 2 сплошной линией.

При этом. концентрацию пенетранта в любой момент времени определяют как

С=С -С,„(Т=О,...,ь„).

Используя уравнения Фика для диффузионных процессов, по найденным экспериментальным данным определяют коэффициенты диффузии (Ю ), проницаемости (Р) и растворимости (6 ). ,Зля определения характеристик селектйвной проницаемости мембраны в каче стве пенетранта используют многокомпонентные смеси, подаваемые, как и в первом случае, в диффузионную ячейку и в компенсационный поток газа-носителя. B этом случае пробы газа, отбирае-! мые с выхода диффузионной ячейки и о стабильного источника, анализируют односителя, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения проницаемости полимерной мембраны, заклю1чаюшемуся в анализе газа-носитепя на содержание пенетранта, прошедшего через 25 мембрану в количестве 3, и анализе компенсационного F835»íîcèòåëÿ, дополнительно анализируют газ-носитель на содер» жание пене транта, прошедшего через ,, мембрану, и анализируют компенсацион, t ный гаэ-носитель при условии, что в поток компенсационного газа-носителя непрерывно вводят стабильное во времени количество Э 1 вешества, идентичного пенетранту по детектируемым свойствам.

На фиг. 1 показана схема установки для осуществления предлагаемого .способа; на фиг, 2 - дифференциальные кривые проницаемости мембраны для

40 однокомпонентного газа или пара.

Установка содержит диффузионную ячейку 1 с испытуемым образцом мембраны (пленки) 2 и стабильный источник 3 вещества, идентичного пенетранту, установленные в общем термостате ,4, регулятор 5 давления пенетранта, регулятор 6 давления газа-носителя, регулируемые дроссели 7, вентиль 8 и анализатор 9. Зля измерения давлений и скоростей газовых потоков в установ50 ке предусмотрены соответственно манометр 10 и пленочный расходомер 11 °

45

Перед началом испытаний устанавл1+ вают определенную температуру в термо- 55 стате 4 и после ее стабилизации производят установку требуемых давлений и скоростей газовых потоков (используя

3 10450 лизатора, Стабилизацию потоков газаносителя сбеспечивают с помошью регулятора давления и вентилей тонкой регу-лировки (3 j .

Однако при использовании известного способа, не устраняется влияние изменения скорости газа-носителя на содержание продиффундировавшего в него пенетранта, Вследствие этого погрешность стабилизации скорости (расхода) газа-носителя полностью входит в суммарную погрешность анализа проницаемости и обычно на ходится в пределах 3-5 при копебаниях давления и температуры в нормируемых диапазонах.

Бель изобретения — повышение точности определения проницаемости мембраны путем уменьшения погрешности анализа, вызванной нестабильностью потока газа1045083

3 За6

52 41С2

50 новременно двумя хрома тографами. Хроматографические пики, полученные в результате анализа пробы иэ компенсационного потока, определяют масштаб при измерении соответствующих компонентов «5 пробы с выхода диффузионной ячейки, т.е. концентрацию отдельного компонента в каждом цикле анализа определяют из выражения

1Î (" "- ° ° ")

01

0 где, С С - концентрация 1«го компонен01 та соответственно на выходе диффузионной ячейки и в компенсационном потоке

М М - параметр пика i -го ком1 01 понента соответственно на выходе диффузионной ячейки, и в компенсационном потоке.

Для многокомпонентных смесей с временами запаздывания значительно большими, чем время цикла анализа, многдкратным отбором проб могут быть определены все 5 указанные параметры проницаемости в одном эксперименте.

В качестве стабильного источника вещества, подаваемого в компенсационный поток газа-носителя может быть испопь3

30 эован диффузионный дозатор, представляющий собой ампулу иэ полимерного материала, заполненную анализируемым веществом.

Предлагаемый способ позволяет существенно снизить погрешность анализа, вызываемую нестабильностью скорости (расхода) газа-носителя, Пример. Концентрация пенетранта в потоке газа-носителя с=

Э

40 где 3 - диффузионный поток пенетранта, С - поток газа-носителя.

Изменение потока газа-носителя вызывает соответственное изменение кон$5 центрации в нем пенетранта

re g 4 Q — поток газа-носителя в раз1 2 личные моменты времени, Здесь величина с С характеризует абсолютную погрешность анализа, вызванную нестабильностью потока газа-носителя, при определении параметров проницаемости известным методом (пунктирная кривая на фиг.2 ), При определении параметров проницаемости по предлагаемому способу по(Г реши ость а нал иэа можно BhI pesH Th эа висим ос ть Io где — поток вещества из стао бильного источника; (ф - компенсационный поток

01 02 газа-н оси тел я.

При условиях Q ь, и G Ф Q пос»

1 01 2 02 леднее выражение принимает вид

Анализ приведенной рависимости пока» зывает, что при 3, 3 d С- 0, т.е, при достаточно близких значениях 3 и 3 погрешность от нестабильности потока . при определении коэффициента диффузии может быть уменьшена в два раза, а при определении коэффициента проницаемости - на порядок и более.

Имеются и другие возможности получения предварительных данных об указанном параметре 3„

При контроле пленочных материалов в условиях массового производства номинальные значения параметров проницаемости, как правило, известны.

Поэтому задача контроля сводится к уточнению этих параметров. Сведения о проницаемости конкретных материалов можно найти в информационно-справочной литературе, При отсутствии априорных данных„например, о новых полимерных материалах проводят их предварительные испытания любым известным способом или в соответствии с предлагаемым способом.

Таким образом, по сравнению с из- вестными предлагаемый способ позволяет проводить более точный анализ, не предъявляя жестких требований к точности поддержания параметров газовых потоков, что существенно упрощает его аппаратурную реализацию.

Наличие вещества заданной концентрации в компенсационном потоке газа-носителя позволяет производить градуировку анализаторов в испытательной установке без подсоединения к ней каких»ли» бо дополнительных устройств, причем проверка правильности измерений совмещается непосредственно с процессом анализа.

10450ВЗ

Составитель О.Алексеева

Редактор A,Огар Техред B.ÄàëåêoðåéÊîððåêòîô O Вилак

Заказ 7540/43 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„д4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4.