CN103630478B - 一种多孔碳酸钙初始自渗吸率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种多孔碳酸钙初始自渗吸率测量方法，利用材料物理化学中常规的氮气吸附和压汞设备，基于简单的数学计算，准确、方便、高精度的计算和测量复杂多孔碳酸钙自渗吸初期的渗吸率，提供了一种行之有效的多孔碳酸钙初期自渗吸率的测量方法。

Description

一种多孔碳酸钙初始自渗吸率测量方法

技术领域

本发明属于造纸技术及多孔材料技术领域，涉及一种多孔材料自渗吸率的测量方法，具体涉及一种多孔碳酸钙初始自渗吸率测量方法。

背景技术

所谓自发渗吸（简称自渗吸）是多孔介质在毛细管力驱动下自发地吸入润湿液体或流体的过程。这是一种普遍存在的自然现象，存在于众多学科中，如土壤中地下水的传输、流体在岩石中的流动、油墨在纸张及涂层中的渗吸等领域。由于自渗吸广泛应用而备受相关领域科技人员的关注，尤其在造纸技术领域，纸张涂层对油墨自渗吸的性能对于印刷质量也有重要的影响。目前对于多孔材料自吸速率的描述，大部分还是利用传统的Lucas-Washburn（LW）自吸模型，但是用此模型描述容易产生一定的误差，而且在某些多孔材料渗吸中，模型的预测值跟实际情况差异很大。

对于多孔碳酸钙而言，自渗吸率特性是开发新型碳酸钙及新型纸张涂层材料的重要特性。利用传统的模型来描述碳酸钙自渗吸率时，尤其在初始阶段，传统的模型无法准确的预测和测量初始渗透率，出现了较大的误差；初始渗吸阶段过后的渗吸，基本符合传统渗吸模型的描述，误差较小。因此准确的描述多孔碳酸钙的初始阶段的自渗吸率对于实际碳酸钙的生产和多孔碳酸钙结构改性有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种多孔碳酸钙初始自渗吸率测量方法，解决了现有预测模型不能准确测量材料的自渗吸率的问题，尤其是本发明准确的测量了多孔碳酸钙初始阶段的自渗吸率大小，为多孔碳酸钙渗吸特性的描述提供方法支持，也为碳酸钙渗吸性能改性和渗吸材料结构设计提供可靠数据，该方法也可测量同类或与碳酸钙结构差异不大的多孔材料自渗吸率的测量和预测。

本发明所采用的技术方案是，一种多孔碳酸钙初始自渗吸率测量方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：碳酸钙样本的处理；

步骤2：利用氮气吸附仪自带的氮气干燥排气装置，在150-155度，利用氮气排除样本内部空气1-2个小时，之后在室温下利用氮气冷却刚刚加热排气的样本20-30分钟，并进行称重，得到样品的净质量；

步骤3：按照标准的氮气吸附仪的操作，对粉体碳酸钙进行吸附/解附曲线的测量；

步骤4：根据材料吸附/解附特性，在吸附/解附曲线上确定发生迟滞圈的起点和终点，并确定迟滞圈起点相对压p_i和终点的相对压p_e；

步骤5：根据Kelvin公式将步骤4中的相对压力带入Kelvin公式，计算求得迟滞圈起点孔径大小r_i和终点的孔径大小r_e；其中p为相对压，γ是氮气的凝聚的表面张力，等于8.88mN.m^-1，V_L是氮气凝聚的摩尔体积，等于34.68cm³.mol^-1，T为设备实验工作温度，等于77.35K；

步骤6：用步骤5中得到的孔径大小加上氮气吸附厚度，得到迟滞圈点实际孔径；

步骤7：根据步骤6中得到的迟滞圈点实际孔径大小，结合氮气吸附仪器的BJH数学模型所测量的孔径大小与比表面积的数据列表，将在迟滞圈起点孔径到终点孔径上所对应的材料的比表面积相加，得到材料迟滞圈的面积S_h；

步骤8：利用压汞仪测量材料内部的总孔体积V_m，及内部的比表面积S_m，根据下列公式得到材料的平均孔径R_A：

$R_A=\frac{2.5\·V_m}{S_m};$

步骤9：根据材料迟滞圈的面积和材料的平均孔径，根据下列公式，计算单位自渗吸的体积V随根时间的函数关系：

$\frac{V}{A}=\frac{\mathrm{\π}\·R_A^2}{A}\·\sqrt{\frac{S_h\·R_A^2\·{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LV}}\·\cos \mathrm{\θ}}{4\·\mathrm{\η}\·V_m}}\×\sqrt{t};$

其中γ_LV，η，θ分别表示渗吸流体的表面张力，粘度和流体对材料的润湿角，A为渗吸单位面积；

上述公式的左边表示的物理含义是单位面积上渗吸的体积，从物理意义上表示渗吸的深度H，即上述公式变形为：

$H=\frac{\mathrm{\π}\·R_A^2}{A}\·\sqrt{\frac{S_h\·R_A^2\·{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LV}}\·\cos \mathrm{\θ}}{4\·\mathrm{\η}\·V_m}}\×\sqrt{t};$

步骤10：根据自渗吸的深度与根时间的函数关系，其函数的斜率，就是材料初期的自渗吸率K_i，即：

$K_i=\frac{\mathrm{\π}\·R_A^2}{A}\·\sqrt{\frac{S_h\·R_A^2\·{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LV}}\·\cos \mathrm{\θ}}{4\·\mathrm{\η}\·V_m}}.$

本发明的特点还在于，其中的步骤1碳酸钙样本的处理，具体按照以下步骤实施：将粉体碳酸钙放置在烘箱里面，在100-110度的温度下，干燥24-48小时。

本发明的有益效果是，本发明方法利用材料物理化学中常规的氮气吸附和压汞设备，基于简单的数学计算，准确、方便、高精度的计算和测量复杂多孔碳酸钙自渗吸初期的渗吸率，提供了一种行之有效的多孔碳酸钙初期自渗吸率的测量方法。

附图说明

图1是本发明多孔碳酸钙初始自渗吸率测量方法的计算流程图；

图2是本发明实施例中得到的碳酸钙初始渗吸率与实验对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种多孔碳酸钙初始自渗吸率测量方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1：碳酸钙样本的处理，将粉体碳酸钙少许放置烘箱里面，在100-110度的温度下，干燥24-48小时，并取大约0.5克-1.0克左右的样品，装入专用的试管中。

步骤2：利用氮气吸附仪自带的氮气干燥排气装置，在150-155度左右，利用氮气排除样本内部空气，大约1-2个小时，之后在室温下利用氮气冷却刚刚加热排气的样本，大约20-30分钟，并进行称重，并计算样品的净质量。

步骤3：按照标准的氮气吸附仪的操作，对粉体碳酸钙进行吸附/解附曲线的测量。

步骤4：根据材料吸附/解附特性，在吸附/解附曲线上确定发生迟滞圈的起点和终点，并确定迟滞圈起点相对压（p_i）和终点的相对压（p_e）；

步骤5：根据Kelvin公式将步骤4中的相对压力带入Kelvin公式，可以计算求得，迟滞圈起点孔径大小r_i和终点的孔径大小r_e。

其中p为相对压，γ是氮气的凝聚的表面张力，等于8.88mN.m^-1，V_L是氮气凝聚的摩尔体积，等于34.68cm³.mol^-1，T为设备实验工作温度，等于77.35K。

步骤6：考虑到氮气吸附厚度，迟滞圈点实际孔径等于模型的孔径加上吸附厚度，即步骤5中得到的孔径大小加上氮气吸附厚度，其中孔径大小上的氮气吸附厚度由设备给出。

步骤7：根据步骤6中得到的迟滞圈点实际孔径大小，结合氮气吸附仪器的BJH数学模型所测量的孔径大小与比表面积的数据列表，将在迟滞圈起点孔径到终点孔径上所对应的材料的比表面积相加，得到材料迟滞圈的面积S_h；

步骤8：利用压汞仪测量材料内部的总孔体积V_m，及内部的比表面积S_m，根据公式（1）得到材料的平均孔径R_A；

$R_A=\frac{2.5\·V_m}{S_m}---\left(1\right)$

步骤9：根据材料迟滞圈的面积和材料的平均孔径，根据公式（2），计算单位自渗吸的体积V随根时间的函数关系；

$\frac{V}{A}=\frac{\mathrm{\π}\·R_A^2}{A}\·\sqrt{\frac{S_h\·R_A^2\·{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LV}}\·\cos \mathrm{\θ}}{4\·\mathrm{\η}\·V_m}}\×\sqrt{t}---\left(2\right)$

其中γ_LV，η，θ分别表示渗吸流体的表面张力，粘度和流体对材料的润湿角，A为渗吸单位面积。

公式（2）的左边表示的物理含义是单位面积上渗吸的体积，从物理意义上表示渗吸的深度H，即公式（2）可以变形为：

$H=\frac{\mathrm{\π}\·R_A^2}{A}\·\sqrt{\frac{S_h\·R_A^2\·{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LV}}\·\cos \mathrm{\θ}}{4\·\mathrm{\η}\·V_m}}\×\sqrt{t}---\left(3\right)$

步骤10：根据公式（3），自渗吸的深度与根时间的函数关系，其函数的斜率，就是材料初期的自渗吸率K_i；即

$K_i=\frac{\mathrm{\π}\·R_A^2}{A}\·\sqrt{\frac{S_h\·R_A^2\·{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LV}}\·\cos \mathrm{\θ}}{4\·\mathrm{\η}\·V_m}}---\left(4\right)$

实施例

现以国内某公司制造的造纸用碳酸钙为例，具体来说明本发明测量初始自渗吸率的方法及过程。

（1）碳酸钙样本的处理，将粉体碳酸钙少许放置烘箱里面，在105度的温度下，干燥24小时，并取大约0.5克-1.0克左右的样品，装入专用的试管中。此次用量为0.9087克。

（2）利用氮气吸附仪自带的氮气干燥排气装置，在150度左右，利用氮气排除样本内部空气，大约1个小时，之后再室温下利用氮气冷却刚刚加热排气的样本，大约30分钟，并进行称重，其样品的净质量为0.9074克。

（3）按照标准的氮气吸附仪的操作，对粉体碳酸钙进行吸附/解附曲线的测量。

（4）根据材料吸附/解附特性，确定发生迟滞圈的起点和终点，并确定迟滞圈起点和终点的相对压（p/p^o=0.77，0.99），根据Kelvin公式，并可求得在迟滞曲线起点和终点的孔径大小利用氮气吸附设备的BJH数学模型所测量的数据，计算材料迟滞圈的面积S_h=1.31m².g^-1；

（5）利用压汞仪测量材料内部的总的孔体积，V_m=1.41×10^-1cm³.g^-1，及内部的比表面积S_m=15.32cm².g^-1，根据公式（5）可得到材料的平均孔径R_A=230um；

$R_A=\frac{2.5\·V_m}{S_m}---\left(5\right)$

（6）根据材料迟滞圈的面积和材料的平均孔径，根据公式（6），计算单位自渗吸高度H与根时间的函数关系；

$H=\frac{\mathrm{\π}\·R_A^2}{A}\·\sqrt{\frac{S_h\·R_A^2\·{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LV}}\·\cos \mathrm{\θ}}{4\·\mathrm{\η}\·V_m}}\×\sqrt{t}---\left(6\right)$

其中γ_LV=0.0272N.m^-1，η=0.0041Pa.s，θ=0度，A=1.45cm²；

（7）根据单位自渗吸的体积随根时间的函数关系，计算该函数的斜率，即

$K_i=\frac{\mathrm{\π}\·R_A^2}{A}\·\sqrt{\frac{S_h\·R_A^2\·{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LV}}\·\cos \mathrm{\θ}}{4\·\mathrm{\η}\·V_m}}---\left(7\right)$

可得材料初期的自渗吸率K_i=1.03×10^-3；

（8）为了检验该方法的正确性，利用国外先进的材料渗吸测量设备对本样本的初始渗吸情况进行了测量，并比较了本发明所提出的方法的计算结果，如图2所示，从图2中可以看出，本发明提出了测量方面跟专用实验设备测量结果非常接近，从而证明了该方法的有效性和科学性。

Claims (2)

1.一种多孔碳酸钙初始自渗吸率测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：碳酸钙样本的处理；

步骤2：利用氮气吸附仪自带的氮气干燥排气装置，在150-155度，利用氮气排除样本内部空气1-2个小时，之后在室温下利用氮气冷却刚刚加热排气的样本20-30分钟，并进行称重，得到样品的净质量；

步骤3：按照标准的氮气吸附仪的操作，对粉体碳酸钙进行吸附/解附曲线的测量；

步骤4：根据材料吸附/解附特性，在吸附/解附曲线上确定发生迟滞圈的起点和终点，并确定迟滞圈起点相对压p_i和终点的相对压p_e；

步骤5：根据Kelvin公式将步骤4中的相对压力带入Kelvin公式，计算求得迟滞圈起点孔径大小r_i和终点的孔径大小r_e；其中p为相对压，γ是氮气的凝聚的表面张力，等于8.88mN·m^-1，V_L是氮气凝聚的摩尔体积，等于34.68cm³·mol^-1，T为设备实验工作温度，等于77.35K；

步骤6：用步骤5中得到的孔径大小加上氮气吸附厚度，得到迟滞圈点实际孔径；

步骤7：根据步骤6中得到的迟滞圈点实际孔径大小，结合氮气吸附仪器的BJH数学模型所测量的孔径大小与比表面积的数据列表，将在迟滞圈起点孔径到终点孔径上所对应的材料的比表面积相加，得到材料迟滞圈的面积S_h；

步骤8：利用压汞仪测量材料内部的总孔体积V_m，及内部的比表面积 S_m，根据下列公式得到材料的平均孔径R_A：

步骤9：根据材料迟滞圈的面积和材料的平均孔径，根据下列公式，计算单位自渗吸的体积V随根时间的函数关系：

其中γ_LV，η，θ分别表示渗吸流体的表面张力，粘度和流体对材料的润湿角，A为渗吸单位面积；

上述公式的左边表示的物理含义是单位面积上渗吸的体积，从物理意义上表示渗吸的深度H，即上述公式变形为：

步骤10：根据自渗吸的深度与根时间的函数关系，其函数的斜率，就是材料初期的自渗吸率K_i，即：

2.根据权利要求1所述的多孔碳酸钙初始自渗吸率测量方法，其特征在于，所述的步骤1碳酸钙样本的处理，具体按照以下步骤实施：将粉体碳酸钙放置在烘箱里面，在100-110度的温度下，干燥24-48小时。