Способ определения проницаемости полимерной мембраны Советский патент 1983 года по МПК G01N15/08 

Фие. OOJ Изобретение относится к контрольно измерительной технике и может найти применение в химической, строительной, текстильной и других отраслях промышленности при исследовании проницаемости полимерных мембран, а также при испытаниях упаковочных пленок для пишевых npojpyKTOB, электроизоляционных пленок, селективных мембран и других изделий. 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 г зохроматографических методов сос:тоит в том, что испытания проницаемости пле ки можно проводить одновременно нескси кими газами с последующим их разделен ем на хроматографической колонке. Известен способ определения проницаемости газовых смесей :и паров через полимерные плешей, основанный на пропускании газа-пенетранта над одной из сторон пленки, .заключенной в диффузионную ячейку, выделении части пенетранта с другой стороны пленки в поток газа-носителя и транспортировании полученной смеси в аналитическую систему, В одном из вариантов способа смесь пенетранта с газом-носителем подают непосредственно в детектор теплопроводности, выходной .сигнал .-которого регистрируют в виде интегральной кривой показывающей динамику подхода проницае мости к устойчивому состоянию. Другой вариа т предусматривает использование в качестве пенетранта смеси различных газов, которые после прохождения через пленку подвергают газохрома тогреф чес ко му анаепизу. Для компенсации изменений скорости газа-носителя, влияющих на выходной сигнал детектора, перед подаче в диффузионную ячейку поток газа-носите ля пропускают через сравнительную ячейк детектора Г 1 . Однако , при использовании укеизанного способа изменение скорости потока газаносителя приводит к изменению в нем ко центрации пенетранта, что отрицательно сказывается на точности анализа. Известен также способ хроматографического определения газопроницаемости пленок, заключающийся в том, что анализируемый газ (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. Газноситель вымывает из нижней камеры Пенетрант, пррдиффундировавщий через пленку КЗ верхней камеры. Смесь газаносителя 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 содержа- Hi:e в ней пенетранта. По значениям концентрации пенетранта в верхней и нижней камерах диффузионной ячейки суДят о проницаемости пленки f2 . 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 для испытания гшенок, обладающих малой проницаемостью, из-за существенного различия (на несколько порядков) концент-раций пенетранта в верхней и нижней камерах диффузионной ячейки. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения проницаемости полимерной мембраны, заключающийся в анализе газа-носителя .на содержание пенетранта прошедшего через мембрану в количестве J , и анализе компенсационного газа-носителя, При осуществлении способа используют систему из двук 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, прошедщего через пленку в другую камеру, отбирают потоком газаносителя и подают на хроматографический анализ. Дополнительно газ-носитель подают в компенсационную диффузионную ячейку для уменьщения влияния изменений скорости потока газа-носителя в рабочей ячейке на выходной сигнал аналиэатора. Стабилизацию потоков газаносителя обеспечивают с помощью регулятора давления и вентилей тонкой регулировки Сз . Однако при использовании известного способа, не устраняется влияние изменения скорости газа-носителя на содержан продиффундировавшего в него пенетранта Вследствие этого погрешность стабилиза ции скорости (расхода) газа-носителя полностью входит в суммарную погрешность анализа проницаемости и обычно н ходится в пределах 3-5% при колебания давления и температуры в нормируемых диапазонах. Цель изобретения - повышение точно ти определения проницаемости мембраны путем уменьшения погрешности анализа, вьюванной нестабильностью потока газаносителя. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения прони цаемости полимерной мембраны, заклю(чающемуся в анализе газа-носителя на содержание пенетранта, прошедшего чере мембрану в количестве Э, и анализе ком пенсационного газа-носителя, дополнител но анализируют газ-носитель на содержание прнетранта, прошедшего через , мембрану, и анализируют компенсационi ный газ-носитель при условии, что в поток компенсационного газа-носителя непрерывно вводят стабильное во времени количество ЗдЛЗ вещества, идентичного пенетранту по детектируемым свойствам. На фиг. 1 показана схема установки для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - дифференциальные кривые проницаемости мембраны штя однокомпонентного газа или пара. Установка содержит диффузионную ячейку 1 с испытуемым образцом мембраны (пленки) 2 и стабильный источник 3 вещества, идентичного пенетрангу, установленные в общем термостате 4, регулятор 5 давления пенетранта, регулятор 6 давления газа-носителя, регулируемые дроссели 7, вентиль 8 и анализатор 9. Для измерения давлений и скоростей газовых потоков в установке предусмотрены соответственно манометр 1О и пленочный расходомер 11, Перед началом испытаний устанавливают определенную температуру в термо стате 4 и после её стабилизации производят установку требуемых давлений и скоростей газовых потоков (используя 1 83а для этого газ-носитель) с помсинью регуляторов 5 и 6, дросселей 7, манометра 10 и расходомера 11. При этом добиваюгся равенства значений соответствующих параметров во всех.каналах. После промывки газом-носителем всех полостей и коммуникаций производят испытания образца при отключенном стабильном источнике потока вещества, идентичного пенетрангу. При этом с памощью анализатора 9 фиксируют значение сигнала, пропорционального величине потока (О ) пенетранта, прюникающего через образец при заданных расходах газа-носителя и температуре термостатирования. Та- « КИМ образом, имея приближенные данные о значении потока, с помсшью градуировочной характеристики устанавливают по ток стабильного источника С si-13, В момент времени f в верхнюю ка меру диффузионной ячейки 1 подают пенетрант, представляющий собой смесь инертного газа с анализируемым однбили многокомпонентным веществом известной концентрации. Часть . пенетранта, прошедшего через мембрану 2 в нижнюю камеру, переносится потоком газа-носителя в анализатор 9. Дт;я анализа однокомпонентного вешества может быть .использован, например, детектор теплопроводности,. в измерительную ячейку которого подают смесь пенетранта с газом-носителем из нижней камеры диффузионной ячейки 1, а в сравнитэ1ьную - компенсационный поток газа-носителя, содержащий вещество, выделяемое стабильным источ- НИКОМ, 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( Г О, ... , Г ). С С. Используя уравнения Фика для диффузионных процессов, по найденным экспериментальным данным определяют коэффициенты диффузии (D ), проницаемости (Р) и растворимости (и ). Для определения характеристик селективной проницаемости мембраны в каче стве пенетранта используют многокомпонентные смеси, подаваемые, как и в первом случае, в диффузионную ячейку и в компенсационный поток газа-носителя. В этом случае пробы газа, отбираемые с выхода диффузионной ячейки и стабильного источника, анализируют од- новременно двумя зфомагографами. Хрома тсграфические пики, полученные в результате анализа пробы из компенсационного потока, определяют масштаб при измерении соответствующих компонентов пробы с выхода диффузионной ячейки, т.е. концентрацию отдельного компонента в каждом цикле анализа определяют из выражения, , (i...,n), где, С., - концентрация -1-го компоне та Соответственно на выходе диффузионной ячейки и в компенсационном потоке; Np. - параметр пика i -го компонента соответственно на выходе диффузионной ячейк и в компенсационном потоке Для многокомпонентных смесей с врем нами запаздывания значительно большими чем время цикла анализа, мног КратныкГ отбором проб могут быть определены все указанные параметры проницаемости в одном эксперименте. В качестве стабильного источника вещества, подаваемого в компенсационный поток газа-носителя, может быть испспь зован диффузионный дозатор, представляю щий собой ампулу из полимерного матери ла, заполненную анализируемым веществом Предлагаемый способ позволяет существенно снизить погрешность ан.ализа, вызываемую нестабильностью скорости (расхода) газа-носителя. Пример. Концентрация пенетран- .та в потоке, газа-носителя D с,--где О - диффузионный поток пенетранга; Gi - поток газа-носителя. Изменение потока газа-носителя вызывает соответственное изменение концентрации в нем пенетранта где Q ПОТОК газв-носителя в различные моменты времени. Здесь величина Л С характеризует абсолютную погрешность анализа, вызванную нестабильностью потока гаэа-но- 55 сителя, при определении параметров проницаемости известным методом (пунктирная кривая на фиг.2). При определении параметров проницаемости по предлагаемому способу погрешность анализа можно выразить за - висимостью сГС ЛС-.С, Э гдеОд - поток вещества из стабильного источника поток газа-и оси тел я. При условиях ( и G Si G последнее выражение принимает вид Р ЛСя j-,-. . о)Анализ приведенной зависимости пока зьгаает, что при , т.е. при достаточно близких значениях 3 и Э погрешность от нестабильности потока при определении коэффициента диффузии может быть уменьшена в два раза, а при определении коэффициента проницае- мости - на порядок и более, Имеются и другие возможности по- лучения предварительных данных об укаэанном параметре J, При контроле пленочных материалов в условиях массового производства номинальные значения параметров проницаемостй, как правило, известны. Поэтому задача контроля сводится X 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 известными предлагаемый способ позволяет проводить более точный анализ, не предъявляя жестких требований к точности поддержания параметров газовых потоков, что существенно упрощает его аппаратурную реализацию. Наличие веш.ества заданной кокцентрашзи в компенсационном потоке газа-носителя позволяет производить градуировку анализаторов в испытательной установке без подсоединения к ней каких-либо дополнительных устройств, причем проверка правильности измерений совмещается непосредственно с процессом анализа.

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-но- сигеля непрерывно вводят стабильное во времени количество JQ-X J вещества,ипентичногопенетранту по детектируемым свойствам.®