多孔材料孔径及孔径分布测试方法

袁 英，董领峰

（西部宝德科技股份有限公司，陕西 西安 710116）

孔径与孔径分布是多孔材料最为重要的特性，它与多孔材料的过滤精度、过滤效率、流体渗透能力有直接关系，是设计、应用时选择多孔材料的重要依据[1]。由于多孔材料的材质和种类繁多，孔隙形貌、孔隙尺寸复杂多样，要准确判定多孔材料的孔径及孔径分布比较困难，往往要将多种因素综合起来进行分析，选择合适的方法来表征孔径及孔径分布至为重要。

1 孔径及孔径分布的常用检测方法

多孔材料孔径与孔径分布的测量方法概括起来有直接法和间接法两类[2]。

1.1 直接法

通过电子显微镜结合计算机图像分析技术，直接形象地观测多孔材料表面局部孔的孔径。

直接法主要有显微镜观测法、扫描电镜照相—计算机图像分析法。

1.2 间接法

间接测量法是利用与孔尺寸有关的物理现象和参数，通过实验测出相应的物理参数，计算出的等效孔径。

间接法主要包括泡点压力法、气液置换法、液—液置换法、压汞法、气体吸附法、标准粒子法、截留分子量法。

2 孔径及孔径分布的检测方法的原理、测试范围、优缺点比较

多孔材料孔径范围广，最大可达到几毫米，最小到纳米，材质多样(金属材料、陶瓷材料、高分子材料及其复合材料)，制造方法不同，孔隙形貌、尺寸复杂多样。因而多孔材料孔径与孔径分布测试方法有多种，常用检测方法的使用范围、优缺点的比较见表1。

气液置换法、液—液置换法、压汞法、气体吸附法能测试最大孔径、平均孔径及孔径分布，标准粒子法、截留分子量法只能测试孔径。

由于不同方法测试的原理及所依据的物理效应即理论模型不同，所以，采用不同测试方法得到的孔径指标的测试结果存在差异，测试结果一定要注明测试方法、测试标准。

3 孔径及孔径分布测试方法的选择

孔径及孔径分布每种测试方法都有一定的测试范围，所以测试方法的选择首先考虑孔径，根据样品的孔径大小选择适合的方法。例如大于0.5um的微滤膜选用气液置换法。

其次考虑样品的材质强度、材质与试验液体的浸润性。因为气液置换法、液—液置换法、压汞法测试时有一定压力，强度差的样品会变形，影响测试的准确性。金属多孔材料强度好，经常采用气液置换法、液—液置换法。而高分子材料强度低，小孔径宜采用气体吸附法、标准粒子法、截留分子量法而不适合采用气液置换法、液—液置换法。若多孔材料的材质与试验液体不浸润，不能使用气液置换法、液—液置换法。

然后孔径及孔径分布的测试方法选择与使用工况相对应，过滤材料最好用过滤法--标准粒子法，其次选择能测试贯通孔的方法气液置换法、液—液置换法，截留分子量法，对阻火材料、隔音材料和电池电极材料最好压汞法、氮气吸附法[3]。

再次孔径及孔径分布的测试还需要考虑设备资源和成本、测试周期，尽量利用内部检测设备及低成本简单易行的方法。对于纳米级金属及陶瓷膜多孔材料可以采用显微镜法。

表1 几种检测方法的使用范围、优缺点

综合以上分析，孔径及孔径分布的测试方法选择要在选择依据孔径大小的基础上，结合材质、孔隙形貌、使用工况、设备资源、成本综合考虑。

4 最简便实用的孔径测试方法-气泡法测试过程准确性的影响因素

泡点压力法、气液置换法因测试时有气泡产生常称作气泡法，是孔径测量最为普遍的方法。气泡法是用浸润性良好的液体浸润试样，然后用气体将试样孔隙中浸入的液体缓慢推出。依据压力差根据公式d=4Ycosθ/ΔP可计算出多孔试样的等效毛细管直径。

气泡法测试方法简单，测试装置容易建立，测试快捷，结果稳定，是普遍接受和采用的孔径测试方法，已经形成国家及行业标准GB/T5249-2015 GB/T32361-2015、HY/T051-1999。

气泡法测试过程中诸多因素影响测试结果的准确性，测试时需要注意以下几点：

（1）试样处理：测试之前，应从试样的微孔中去除所有液体，确保其孔中没有液体堵塞。如果多孔试样有油脂，应使用合适的溶剂去除[4]。测试前，试样应干燥。

（2）浸润液的影响：浸润液体应根据多孔试样的材质选择，测试时需要乘以cosθ，能和金属完全浸润的液体中95%乙醇、甲醇、异丙醇等均具有较好的浸润性，浸润角θ可视为0°。

（3）样品浸润从样品一面浸润，不能泡在浸润液里，这样会产生气体夹杂在孔道中。

（4）试样在浸润液体中预浸泡10分钟～15分钟，使整个试样的孔充满液体。孔径较小、厚度较厚的试样应该真空浸润。

（5）试样形状选用合适的夹具，保证试样被浸润液体完全浸没。从液体表面到试样表面的高度应大于10mm，而且在整个测试过程中保持不变。

（6）密封：试样与夹具密封要好，片状试样测试时密封圈用O型圈比片状密封垫效果好，将O型圈镶嵌在夹具的槽内，测试面积稳定，同时不漏气，测试准确。

如果气泡出现在密封部位附近，应检查是否密封，再重新加压测量。

（7）加压速度：测量时应缓慢通气，气压从零开始，以20Pa/s～100Pa/s（根据孔径确定）的速率加压，孔径越大泡点压力越小，因此升压速度越慢。实验表明，压力增加速度越小，则测量效果越好，否则所测得的孔径偏高。

（8）管（环）状试样测试：必须在液体中沿对称轴水平转动。

（9）孔梯度样品测试：粗孔基体上复合细孔层的试样（孔梯度，膜等）样品，测试时细孔层为观察面。

（10）第一气泡点假象：不连续的气泡不是第一气泡点，那是假象，是孔道中浸润液体从两面浸润而夹杂的气体。

（11）试样如果需要再次测量，试样应烘干后重新进行浸润。

（12）单位换算：

根据气泡法计算公式d=4γ.cosθ/ΔP，ΔP=Pg-P1=Pg-ρgh

公式中常用计量单位与国际单位差别大，孔径常用微米，而国际单位米，液面高度h常用mm，国际单位为米，因此切记计算时单位统一换算为国际单位。

5 结论

多孔材料孔径与孔径分布的测试方法有多种，每种方法都有其测试范围及优缺点。

孔径及孔径分布的测试方法选择要在选择依据孔径大小的基础上，结合材质、孔隙形貌、使用工况、设备资源、成本等合考虑。

最简便实用的孔径测试方法-气泡法测试过程准确性的影响因素—样品的处理浸润方法、升压速度、孔梯度样品观察面、孔道夹杂气体等因素。