Спектроскопический способ определения пористости материалов
Владельцы патента RU 2310188:
Пахомов Павел Михайлович (RU)
Маланин Михаил Николаевич (RU)
Хижняк Светлана Дмитриевна (RU)
Способ включает изготовление образца исследуемого материала, размещение его перед источником ИК-излучения и регистрацию спектра. Предварительно строится градуировочная зависимость пористости от коэффициента поглощения по эталонным монолитным образцам, имеющим ту же химическую природу, что и исследуемый образец. В зарегистрированном спектре исследуемого образца выбирают интенсивную полосу поглощения и с помощью градуировочной зависимости определяют пористость исследуемого образца с учетом его коэффициента поглощения. Способ может найти применение в производстве пористых материалов, в первую очередь сорбентов и полупроницаемых мембран. 3 ил.
Изобретение относится к области определения пористости пористых материалов, в частности полимерных пленок.
Известен спектроскопический способ определения пористости бумаги (патент ФРГ №19616018, кл. G01N 15/08, прототип), включающий
- изготовление образца;
- размещение его перед источником излучения в видимой (с длиной волны 500-600 нм (нм - нанометр (10-9 м) - сокращение, принятое в спектроскопии)) или ультрафиолетовой (с длиной волны около 220 нм) областях светового спектра;
- регистрацию излучения пропускания;
- определение общего объема пор - общей пористости - по экстремумам пропускания.
Недостатки известного способа:
- ограниченность применения: исследуются тонкие пленки толщиной не более 50 мкм;
- недостаточная точность определения из-за размытости экстремумов спектрограмм.
Технический результат настоящего изобретения заключается в том, что пористость определяется по интенсивным четким экстремумам, что повышает точность результата, а также в том, что способ позволяет определять пористость объемных пленок, имеющих толщину более 50 мкм.
Технический результат настоящего изобретения достигается тем, что изготавливаются эталоны пористости из монолитного материала, имеющего ту же химическую природу, что и исследуемый образец, с известным диаметром пор, затем их помещают перед источником ИК-излучения и по экстремумам их спектра пропускания определяют пористость с получением соответствующих градуировочных зависимостей, затем по экстремумам спектра пропускания исследуемого образца, с использованием градуировочных зависимостей находят его пористость.
Исследованием уровня техники установлено, что способов определения пористости с использованием ИК-спектроскопии не обнаруживается.
Известен спектроскопический способ определения пористости бумаги (патент ФРГ №19616018, кл. G01N 15/08, прототип).
Однако сравнение свойств совокупности признаков известного способа и заявляемого показывает, что:
- в известном способе образец облучают или в видимой (длина волны 500-600 нм), или в ультрафиолетовой (длина волны около 220 нм) областях электромагнитного диапазона, а в заявляемом способе используется инфракрасное излучение (длина волны более 760 нм);
- спектрограммы исследуемых образцов, полученные известным способом, имеют размытые экстремумы, что снижает точность определения пористости; в заявляемом способе пористость определяется по интенсивным четким экстремумам;
- известный способ допускает исследование тонких, толщиной не более 50 мкм, пленок, а заявляемым способом определяется пористость как тонких пленок, так и объемных образцов, имеющих толщину более 50 мкм.
Следовательно, заявляемый способ соответствует критерию "существенные отличия".
Изобретение поясняется графическими материалами (Фиг.1÷4).
Фиг.1. Образец, монолитный (а) и с порами (б).
Фиг.2. Изменение коэффициента поглощения в зависимости от пористости пленки ПНП (полиэтилена низкой плотности) толщиной 60 мм.
Фиг.3. Изменение коэффициента поглощения для пленок на основе ПЭТФ с общей пористостью: 11,3%, 15,4%, 22,7%, 31,4%.
Пористость материала, характеризующаяся пустотами или полостями, важна при изготовлении окрашенных синтетических волокон, наполненных пластиков, мембран, фильтров, суперсорбентов. Широко распространенными способами определения пористости полимерных материалов являются методы адсорбционной и ртутной порометрии, измерения плотностей, визуальные методы (оптическая, электронная и атомно-силовая спектроскопия). Каждый из них рассчитан на определенный рабочий диапазон размера пор и имеет те или иные ограничения. Наиболее существенными ограничениями являются большая длительность подготовки образцов к анализу, относительно низкая скорость обработки информации и разрушающее воздействие на образец. В некоторых случаях данные о пористости относятся к небольшому участку поверхности, вследствие чего отсутствует достоверная информация о пористости образца в целом.
Известный спектроскопический способ определения общей пористости, основанный на облучении исследуемого образца ультрафиолетовым и видимым светом, дает удовлетворительные результаты только в случае ультрафиолетового излучения.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Образец полимерного материала может иметь пористую поверхность (Фиг.1, а), либо поры распространены по всему его объему (Фиг.2, б).
Для оценки общей пористости (концентрации и объема пор) образца методом ИК-спектроскопии в заявляемом способе выбирают интенсивную и наименее структурно-чувствительную полосу поглощения, с помощью которой рассчитывают коэффициент поглощения ε. ИК-излучение, проходя сквозь образец, "видит" истинную толщину dм. Отношение D/d отражает пористость образца в произвольных единицах (здесь D - оптическая плотность ИК-полосы поглощения, d - толщина образца). Чем больше пористость, тем меньше поглощение. Сравнивая коэффициенты поглощения пористых образцов ε с коэффициентом поглощения монолитного εм, можно рассчитать относительную пористость образца (%) по формуле
Зная значение коэффициентов поглощения образцов, полученных при различных технологических условиях, можно выбирать оптимальные методы их изготовления.
Эталоны пористости изготавливаются прокалыванием монолитной пленки металлической иглой определенного диаметра, а также ее облучением пучком ускоренных на циклотроне тяжелых ионов ксенона или криптона.
Пример 1 выполнения способа
Определение пористости ПЭНП (полиэтилена низкой плотности).
Эталоны пористости изготавливались путем прокалывания металлическими иглами диаметром от 100 мкм и выше монолитной пленки ПЭНП толщиной 60 мкм.
ИК-спектры эталона исследуемого образца записывались на ИК-Фурье-спектрометре "Equinox 55" фирмы "Bruker" и решеточном спектрометре "Specord JR 75" фирмы "Carl Zeiss".
Для оценки общей пористости как эталона, так и образца в ИК-спектре выбирали интенсивный экстремум, соответствующий частоте 730 см-1.
Градуировочная зависимость изменения коэффициента поглощения в зависимости от общей пористости для эталонов пористости представлена на Фиг.2.
По градуировочной зависимости Фиг.2, зная коэффициент поглощения исследуемого образца, находим общую пористость исследуемого образца ПЭНП.
Пример 2 выполнения способа.
Определение общей пористости ПЭТФ (полиэтилентерефталата).
Эталоны пористости, так называемые трековые мембраны, изготавливались в Объединенном институте ядерных исследований (г.Дубна) путем облучения монолитных полимерных пленок пучком ускоренных в циклотроне тяжелых ионов ксенона или криптона. Толщина пленок - 25 мкм, диаметр полученных пор изменятся от 0,1 до 12,0 мкм. Для оценки диаметра пор эталона пористости использовался электронный сканирующий микроскоп "Raster Elektron Microscope Zeiss DSM 962" и оптический микроскоп "Neoplot 30".
Для оценки общей пористости как эталона, так и образца в ИК-спектре выбирали интенсивный экстремум, соответствующий частоте 730 см-1.
Градуировочная зависимость пористости ПЭТФ от коэффициента поглощения показана на Фиг.3. Зная коэффициент поглощения исследуемого образца, по градуировочной зависимости находили его пористость.
Заявляемый способ может найти применение в производстве пористых материалов, в первую очередь сорбентов и полупроницаемых мембран.
Спектроскопический способ определения пористости пористых материалов, включающий изготовление образца исследуемого материала, размещение его перед источником излучения, регистрацию спектра, отличающийся тем, что вначале изготавливают эталоны пористости из монолитного материала, имеющего ту же химическую природу, что и исследуемый образец, затем эталоны пористости помещают перед источником ИК-излучения, в зарегистрированном спектре выбирают интенсивную полосу поглощения, определяют коэффициент поглощения и градуировочную зависимость, по которой определяют пористость исследуемого образца с учетом его коэффициента поглощения.
