Способ и устройство для исследования барьерных свойств полимерных материалов Российский патент 2023 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к устройству и способу для исследования газопроницаемости полимерных материалов.

На сегодняшний день исследования газопроницаемости полимерных материалов приобретает особое значение не только для создания упаковочных материалов для пищевой промышленности и мембран для селективного разделения газов, но и для создания емкостей и трубопроводов для безопасного хранения и транспортировки водорода из суперконструкционных материалов (полиэфиркетоны, полисульфоны).

Приоритетными показателями для таких материалов являются коэффициенты газопроницаемости по водороду и кислороду.

Существует три основных метода для изучения барьерных свойств полимерных материалов.

1. Метод определения скорости проникновения кислорода с помощью кулонометрического датчика. ГОСТ 53656.2-2009. Пластмассы. Определение скорости проникновения газов.

Недостатки:

а) данный метод позволяет определять коэффициент газопроницаемости только по кислороду;

б) длительное время подготовки образца к испытанию;

в) необходимость использования слоя катализатора для удаления следов кислорода в газе-носителе;

г) постоянная проверка работоспособности кулонометрического датчика с помощью эталонных образцов.

2. Манометрический метод определения газопроницаемости. ГОСТ 23553-79. Пластмассы. Манометрический метод определения газопроницаемости.

Недостатки:

а) постоянное использование ртути для проведения анализа (заливка и слив ртути для каждого эксперимента);

б) необходимость использования вакуумного насоса для создания разрежения во второй камере диффузионной ячейки, который может выбрасывать пары ртути в атмосферу;

в) сложности в оценке погрешности измерений, зависящей от субъективных (измерение показаний манометра с помощью лупы) и объективных факторов;

г) постоянный мониторинг показаний ртутного манометра через короткие промежутки времени в течение нескольких часов вплоть до суток.

3. Определение газопроницаемости методом газовой хроматографии.

ГОСТ 53656.2-2009. Пластмассы. Определение скорости проникновения газов. Приложение Б.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является диффузионная ячейка, оптимизированная к хроматографу «ЦВЕТ-800». (А.С. Шабаев, С.Ю. Хаширова, А.К. Микитаев, И.В. Мусов, А.Л. Слонов. Исследование барьерных свойств и остаточного ацетальдегида в ПЭТ композициях. Пласт. Массы. 2016. № 11-12. С. 7-9).

Этот метод лишен недостатков двух предыдущих методов. Однако с помощью него можно исследовать газопроницаемость по одному газу. Кроме этого, весьма трудоемким процессом является наработка статистики по одинаковым образцам.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа для исследования барьерных свойств полимерных материалов, способное проводить исследования одновременно по трем газам. С целью уменьшения погрешности исследований, в устройстве предусмотрено перемещение пленки испытываемого образца вдоль диффузионной ячейки позволяющее многократно испытывать на барьерные свойства один и тот же образец. Кроме этого в предлагаемом устройстве имеется возможность на одном образце поочередно проводить испытания на газопроницаемость по трем различным газам, что позволяет выяснить взаимное влияние диффузионных процессов на барьерные свойства.

Устройство для осуществления заявленного способа представлена на фиг.1 и включает в себя трехкамерную диффузионную ячейку 1, в которую помещается образец 2 через уплотнительные прокладки 3, газовый хроматограф с детектором по теплопроводности и насадочной колонкой длиной 2 метра заполненной активированным углем марки АГ-3, позволяющей разделение смеси газов Н₂, О₂, СО₂ с коэффициентом более 1 с погрешностью не более 0,1%, шестипортовый кран-дозатор, источники газа-носителя и испытываемых газов, блок подготовки газов 4.

Устройство для исследования барьерных свойств полимерных материалов отличается тем, что диффузионная ячейка состоит из трех независимых камер, позволяющих одновременно исследовать газопроницаемость по трем различным газам, снабжено ленточно-протяжным механизмом пленочного полимерного материала, который позволяет, с целью уменьшения погрешности измерений, многократно испытывать один и тот же образец, где можно исследовать газопроницаемость одного и того же образца по трем газам с целью выявления взаимного их влияния на барьерные свойства. В устройстве для исследования барьерных свойств полимерных материалов предусмотрено изменение площади рабочей поверхности пленки с помощью масок, обладающих высокими барьерными свойствами.

В предлагаемом способе исследования барьерных свойств полимерных материалов с использованием устройства возможно перемещение пленки испытываемого образца вдоль диффузионной ячейки через уплотнительные прокладки, продувку верхних камер диффузионной ячейки испытываемыми газами с одновременным удалением воздуха из нижних камер с помощью крана-дозатора, отличается тем, что отпадает необходимость вакуумирования всех камер ячейки для удаления примесей, что после продувки камер диффузионных ячеек, в верхних камерах создается избыточное давление каждого из газов равное 1 атмосфере с одновременным отключением вторых камер от тока газа-носителя, при необходимости в зависимости от поставленной задачи может выставляться любое избыточное давление газов в верхних камерах диффузионной ячейки. Способ исследования барьерных свойств полимерных материалов проникший через полимерную пленку каждый из газов подается на хроматограф с помощью крана-дозатора через любые промежутки времени в зависимости скорости газопроницаемости образцов, с последующим их разделением на хроматографической колонке.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом:

Перед испытанием полимерного материала 2 чистые газы СО₂, Н₂ и О₂ из баллонов (чистота 99,97%) поступают в верхние камеры диффузионной ячейки продувая их в течение 10 минут при открытых выходных кранах. Одновременно нижние камеры ячейки продуваются инертным газом для удаления воздуха (положение II штока крана-дозатора). При таком положении штока крана-дозатора инертный газ через каналы А-Б и В-Г поступает через насадочную колонку на детектор хроматографа. После продувки верхние камеры герметично закрываются газовыми кранами в которых создаются избыточное давление испытуемого газа равное 1 атм (показание манометров). Далее происходит отключение нижних камер ячейки от газа-носителя переводом штока крана-дозатора в положение I. При таком положении газ-носитель через каналы Б-Г поступает непосредственно на хроматограф, герметично закрывая нижние камеры ячейки. Через определенные промежутки времени, проникшие газы через испытываемый образец переводом штока крана-дозатора в положение II, подаются на анализ в хроматограф. Типичная хроматограмма разделения этих газов представлена на Фиг.2.

Данное устройство и способ для его осуществления апробировано на исследовании барьерных свойств перспективного полимерного материала, ПЭЭК и его композитов который может использоваться для хранения и транспортировки водорода следующего строения:

Результаты исследования приведены на Фиг.3. В качестве наполнителя использовались углеволокна. Скорость газопроницаемости W представлена в следующих единицах [см³/см²×сутки×атм.]×10^-3.

Группа изобретений относится к устройству и способу для исследования газопроницаемости полимерных материалов. Раскрыто устройство для исследования барьерных свойств полимерных материалов, которое включает диффузионную ячейку, которая состоит из трех независимых камер, позволяющих одновременно исследовать газопроницаемость по трем различным газам, ленточно-протяжный механизм пленочного полимерного материала, газовый хроматограф и кран-дозатор. Также раскрыт способ исследования барьерных свойств полимерных материалов с использование данного устройства. Группа изобретений обеспечивает возможность исследования газопроницаемости одновременно по трем газам, а также позволяет уменьшить погрешность исследований. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для исследования барьерных свойств полимерных материалов, отличающееся тем, что включает диффузионную ячейку, которая состоит из трех независимых камер, позволяющих одновременно исследовать газопроницаемость по трем различным газам, ленточно-протяжный механизм пленочного полимерного материала, газовый хроматограф и кран-дозатор.

2. Устройство для исследования барьерных свойств полимерных материалов по п.1, отличающееся тем, что в нем предусмотрено изменение площади рабочей поверхности пленки с помощью масок.

3. Способ исследования барьерных свойств полимерных материалов с использованием устройства по п.1, включающий в себя перемещение пленки испытываемого образца вдоль диффузионной ячейки через уплотнительные прокладки, продувку верхних камер диффузионной ячейки испытываемыми газами с одновременным удалением воздуха из нижних камер с помощью крана-дозатора, отличающийся тем, что после продувки камер диффузионных ячеек в верхних камерах создается избыточное давление каждого из газов с одновременным отключением нижних камер от тока газа-носителя, при этом проникший через полимерную пленку каждый из газов подается на хроматограф с помощью крана-дозатора через определенные промежутки времени с последующим их разделением на хроматографической колонке.