CN108295665B - 一种定量评价柔性半透膜气体渗透性能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种定量评价柔性半透膜气体渗透性能的装置，包括透明的定量容器和缓冲容器，定量容器的口部和器身之间具有圆柱体形的颈部，颈部周向设置多个凹槽，定量容器的器身刻有体积刻度线，定量容器底部的开口Ⅰ与真空表连接、开口Ⅱ安装有阀门、开口Ⅲ为设有密封端塞的树脂注胶口，柔性半透膜固定在定量容器的口部；缓冲容器的口部为喇叭形结构，器身上的开口Ⅳ与真空表连接、开口Ⅴ安装有阀门、开口Ⅵ通过真空泵接口阀门与真空泵连接；定量容器的口部穿过密封塞倒置在缓冲容器上方，和缓冲容器连通；利用该装置对柔性气体半透膜本征渗透性能以及模拟真实工况中的渗透性能进行测试，并根据相应的计算公式，计算得出表观阻力系数，即可定量评价半透膜。

Description

一种定量评价柔性半透膜气体渗透性能的装置及方法

技术领域

本发明涉及复合材料真空灌注工艺应用领域，如风力发电叶片、游艇及汽车等真空灌注成型工艺制备产品领域，主要涉及真空灌注工艺中柔性气体半透膜材料（VAP膜）渗透性能评价装置及方法。

背景技术

随着能源危机的日益严重，环境保护的日益严峻，风电以容量大、无污染、资源可再生等优点，已成为人类获取清洁能源的重要途径。在风力发电设备中风力发电机组的叶片是极为关键的部件，当前叶片的制备工艺主要有真空灌注成型工艺、手糊成型工艺、拉挤成型工艺等，目前应用最广泛的是真空灌注工艺。真空灌注工艺，即在模具中铺放特定尺寸的纤维织物等材料，采用不透气的柔性薄膜材料将纤维织物与模具形成一个密闭空间，通过透过气体分子而分子量大的树脂分子被截留的半透膜，通过管道与真空泵连接，将上述密闭空间形成负压状态，在压力差作用下，树脂渗透纤维制品铺层。

近来随着叶片长度不断增加，制品厚度随之增加，特别是近来逐渐使用价格昂贵的碳纤维织物，对灌注工艺各个环节的可靠性提出更高要求。在真空灌注工艺中，透气不透树脂的半透膜起到了关键作用，该半透膜的气体渗透性能不仅影响灌注效率，在特定工艺条件下，甚至是决定制品成败的关键因素。目前市场上该半透膜的生产厂家众多，如何快速、简便、有效的对其评价，尚无切实可行装置，目前多数使用厂家的评价手段，仍然是直接采用真空灌注工艺进行评定，该方法的不足是，耗费较大的人力、物力和宝贵的时间，加之灌注工艺本身影响因素众多，考察的实际效果并非理想。

设计操作简便、实现定量化评价，并可以模拟实际工况且可视化的装置，对高效的筛选出性能优异的半透膜产品大有裨益，从而提高风电叶片生产效率和安全性。

发明内容

本发明的目的是提供一种定量评价柔性半透膜气体渗透性能的装置，利用该装置，定量评价柔性气体半透膜本征渗透性能，可视化模拟真实工况中气体半透膜的渗透性能，以筛选出性能优异的半透膜产品。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种定量评价柔性半透膜气体渗透性能的装置，包括透明的定量容器和缓冲容器，定量容器的口部和器身之间具有圆柱体形的颈部，颈部周向设置多个凹槽，定量容器的器身刻有体积刻度线，定量容器的底部设有开口Ⅰ、开口Ⅱ和开口Ⅲ，开口Ⅰ与真空表连接，开口Ⅱ安装有阀门，开口Ⅲ为树脂注胶口，并设有配套的密封端塞，待检测的柔性半透膜固定在定量容器的口部；所述缓冲容器的口部为喇叭形结构，其小口端和缓冲容器的器身连接，并在缓冲容器的口部设有密封塞，缓冲容器的器身设有开口Ⅳ、开口Ⅴ和开口Ⅵ，开口Ⅳ与真空表连接，开口Ⅴ安装有阀门，开口Ⅵ通过真空泵接口阀门与真空泵连接；所述定量容器倒置在缓冲容器上方，并且定量容器的口部穿过所述密封塞和缓冲容器连通。

所述定量容器口部设有密封胶条。

所述的真空表为电子数显式真空表。

利用所述的定量评价柔性半透膜气体渗透性能的装置对柔性半透膜进行性能评价的方法，包括半透膜本征性能的评价和半透膜在模拟真实工况下渗透性能的评价；

半透膜本征性能的评价方法为：将定量容器和缓冲容器的阀门和真空泵接口阀门关闭，开启真空泵，待真空泵的真空度稳定后，开启真空泵接口阀门，此时，记录下定量容器的真空度和时间，该时间定义为开始时间，直至定量容器的真空度达到稳定，记录下此时定量容器的真空度和时间，该时间定义为测试时间，然后完成测试，通过阻力系数计算公式计算出半透膜的表观阻力系数；

半透膜在模拟真实工况下渗透性能的评价方法为：通过树脂注胶口向定量容器中注入树脂，然后将树脂注胶口封闭，并将定量容器和缓冲容器的阀门和真空泵接口阀门关闭，开启真空泵，待真空泵的真空度稳定后，开启真空泵接口阀门，此时，记录下定量容器的真空度和时间，该时间定义为开始时间，直至定量容器的真空度达到稳定，记录下此时定量容器的真空度和时间，该时间定义为测试时间，然后完成测试，通过阻力系数计算公式计算出半透膜的表观阻力系数；

通过对比不同厂家半透膜的表观阻力系数对半透膜本征性能以及模拟真实工况下的渗透性能进行定量评价；

所述阻力系数计算公式为：

其中，S为表观阻力系数，t为测试用时，t=测试时间－开始时间，P0为定量容器在开始时间的压力，Pt为定量容器在测试时间的压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以实现简便、定量化测定半透膜气体渗透性能的目的，并可视化模拟实际工况，高效的筛选半透膜产品。

本发明中，定量容器的容量固定，半透膜的有效面积固定，在室温环境条件下，通过记录定量容器内真空度随时间的变化，通过一定的经验公式可以计算出半透膜对空气的阻力系数，通过对比不同产品的阻力系数，即可精确对比不同厂家半透膜的渗透性能。同时可以横向对比，定量容器中达到相同真空度下，不同厂家半透膜所需要的时间进行对比，同样可以定量化评价半透膜渗透性能。同时由于该装置的接口为活动式的，安装/拆卸方便，且密封半透膜的柔性密封胶条很容易与玻璃容器分开，更换不同厂家半透膜操作非常方便。对比现有的真空灌注评价体系，突出的优点是操作简单、快速高效、实现定量化评价。

同时本发明可以通过向定量容器中注入一定量的树脂体系，在一定温度环境中，测试定量容器中真空度与时间的关系，可以模拟半透膜在实际工况中的效果，且可以清晰的目视整个过程，解决实际真空灌注工艺中，无法清晰观看的不足，通过观察，可以初步判定半透膜与树脂是否匹配使用，且通过测定半透膜的阻力系数，可以评价树脂的性能工艺性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中标记：1、定量容器，2、缓冲容器，3、真空表，4、阀门，5、树脂注胶口，6、密封端盖，7、密封塞，8、凹槽，9、真空泵接口阀门。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体的实施方式，对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图所示，一种定量评价柔性半透膜气体渗透性能的装置，该装置包括定量容器1和缓冲容器2，定量容器1为从底部到顶部逐渐缩小的圆锥形玻璃容器，器身的外壁刻有体积刻度线，器身和容器口部之间渐变为圆柱体形的颈部，颈部具有一定高度，且颈部周向设有有数个凹槽8，该玻璃容器具有较大的壁厚。定量容器1的底部有三个开口，分别为开口Ⅰ、开口Ⅱ和开口Ⅲ，开口Ⅰ与真空表3连通，真空表3优选为电子数显式真空表，开口Ⅱ安装有密封性能良好的阀门4，该阀门起到与大气连通或隔断的目的，开口Ⅲ为树脂注胶口5，该树脂注胶口5带有密封端塞6，密封端塞6上涂有凡士林，定量容器1的口部端面粘附有密封性能良好的柔性密封胶条，密封胶条将待检测的柔性半透膜粘附在定量容器1的口部，并将半透膜多余的部分翻折到定量容器1的颈部凹槽8位置，再由高强度弹性材料将其固定在凹槽8中，此时定量容器1口部的截面面积即为半透膜的有效面积；

所述的缓冲容器2的器身形状和定量容器1相似，所不同的是缓冲容器2的口部采用喇叭形结构，其小口端与器身平滑过渡，缓冲容器2靠近底部的器身侧壁上设有三个开口，分别为开口Ⅳ、开口Ⅴ和开口Ⅵ，开口Ⅳ和真空表3连接，真空表3优选为电子数显式真空表连接，开口Ⅴ安装有密封性能良好的阀门4，开口Ⅵ通过真空泵接口阀门9与真空泵连通；

所述的定量容器1口部朝下倒置在缓冲容器2的上方，定量容器1的口部插入密封塞7的中心，并穿过密封塞7，和缓冲容器2连通，该密封塞7安装在缓冲容器2的喇叭形口部，所述的密封塞7是高密度硅橡胶环。

利用本发明的装置，对柔性半透膜的本征性能考察的操作方法是：将待检测的柔性半透膜裁剪成一定半径的原片，其半径大于所述定量容器1的口部半径，在定量容器1的口部端面上粘附一层密封胶条，一般选择氯丁密封胶条，该胶条具有良好的气密性，将半透膜原片平整紧致的密封在定量容器1的口部端面，半透膜的多余部分翻到颈部的凹槽8处，用高强度弹性材料机械固定到定量容器1颈部的凹槽8中，定量容器1的颈部外壁紧套高密度硅橡胶环，并将定量容器1倒置在缓冲容器2的喇叭形的口部，由高密度硅橡胶环将定量容器1和缓冲容器2进行良好气体密封。使用时，将定量容器1和缓冲容器2上的阀门4以及真空泵接口阀门9关闭，开启真空泵，待真空泵真空度稳定后，开启缓冲容器2上真空泵接口阀门9，此时缓冲容器2的真空度瞬时接近真空泵的真空度，此时记录下定量容器1的真空度和开始时间，直至定量容器1的真空度接近真空泵的真空度且数值稳定，测试结束，并记录此时的时间，作为测试时间。通过相关数学公式，计算出半透膜的阻力系数，通过对比不同厂家半透膜的阻力系数可以定量评价半透膜的渗透性能；同时可以通过对比不同半透膜达到最终真空度所需时间，进行简单的定量评价。

利用本发明的装置，模拟真实工况下柔性半透膜的渗透性能：在本装置安装完成后，通过定量容器1的树脂注胶口5向定量容器1中注入一定高度的树脂，然后关闭树脂注胶口5的密封端塞6；关闭定量容器1和缓冲容器2上的阀门4以及真空泵接口阀门9，开启真空泵，待真空泵真空度稳定后，开启真空泵接口阀门9，此时缓冲容器2的真空度瞬时接近真空泵的真空度，记录下此时定量容器1的真空度和开始时间，直至定量容器1的真空度接近真空泵的真空度且数值稳定，结束测试，并记录此时的时间，作为测试时间。同样通过数学公式可以计算出真实工况下半透膜的表观阻力系数，通过表观阻力系数可以实现不同厂家半透膜的渗透性能定量评价，或通过对比达到最终真空度是不同半透膜所需时间进行定量对比。在利用本装置进行实施的过程中，由于将树脂的阻力因素考虑在内，测试得到的阻力系数，对评估真实真空灌注过程中半透膜的渗透性能有重要意义，而且通过观察，可以快速观察到是否有树脂渗透穿过半透膜，实现对半透膜的全方位评价。

所述的计算表观阻力系数的数学公式为：

（1）

其中，S为表观阻力系数，t为测试用时，t=测试时间－开始时间，P0为定量容器在开始时间的压力，Pt为定量容器在测试时间的压力，所述的开始时间为开启真空泵接口阀门时所记录的时间，所述的测试时间为结束测试时所记录的时间。

公式推导如下：对于该多孔半透膜，传质经验公式为

（2）

其中J：气体通量 ；

P0-Pt：半透膜两侧压力差值 ；

R：为半透膜的本征阻力系数；

对于该定量容器A，J 与A容器中压力差值成正比关系，则上述公式可以表达为微分形式如下：

（3）

其中，K仅与测试温度有关系，该测试要求常温25℃，K为常量；

对公式（3）两端定积分，即可达到公式（1）。

Claims (4)

1.一种模拟真实工况下定量评价柔性半透膜气体渗透性能的方法，其特征在于：该方法所用装置包括透明的定量容器（1）和缓冲容器（2），定量容器（1）的口部和器身之间具有圆柱体形的颈部，颈部周向设置多个凹槽（8），定量容器（1）的器身刻有体积刻度线，定量容器（1）的底部设有开口Ⅰ、开口Ⅱ和开口Ⅲ，开口Ⅰ与真空表（3）连接，开口Ⅱ安装有阀门（4），开口Ⅲ为树脂注胶口（5），并设有配套的密封端塞（6），待检测的柔性半透膜固定在定量容器（1）的口部；所述缓冲容器（2）的口部设有密封塞（7），缓冲容器（2）的器身设有开口Ⅳ、开口Ⅴ和开口Ⅵ，开口Ⅳ与真空表（3）连接，开口Ⅴ安装有阀门（4），开口Ⅵ通过真空泵接口阀门（9）与真空泵连接；所述定量容器（1）倒置在缓冲容器（2）上方，并且定量容器（1）的口部穿过所述密封塞（7）和缓冲容器（2）连通；

利用所述装置模拟真实工况下对柔性半透膜气体渗透性能进行定量评价的方法步骤为：通过树脂注胶口（5）向定量容器（1）中注入树脂，然后将树脂注胶口（5）封闭，并将定量容器（1）和缓冲容器（2）的阀门（4）和真空泵接口阀门（9）关闭，开启真空泵，待真空泵的真空度稳定后，开启真空泵接口阀门（9），此时，记录下定量容器（1）的真空度和时间，该时间定义为开始时间，直至定量容器（1）的真空度达到稳定，记录下此时定量容器（1）的真空度和时间，该时间定义为测试时间，然后完成测试，通过阻力系数计算公式计算出半透膜的表观阻力系数；

通过对比不同厂家半透膜的表观阻力系数对半透膜本征性能以及模拟真实工况下的渗透性能进行定量评价；

所述阻力系数计算公式为：

其中，S为表观阻力系数，t为测试用时，t=测试时间－开始时间，P0为定量容器（1）在开始时间的压力，Pt为定量容器（1）在测试时间的压力。

2.根据权利要求1所述的一种模拟真实工况下定量评价柔性半透膜气体渗透性能的方法，其特征在于：所述定量容器（1）口部设有密封胶条。

3.根据权利要求1所述的一种模拟真实工况下定量评价柔性半透膜气体渗透性能的方法，其特征在于：所述的真空表（3）为电子数显式真空表。

4.根据权利要求1所述的一种模拟真实工况下定量评价柔性半透膜气体渗透性能的方法，其特征在于：所述缓冲容器（2）的口部为喇叭形结构，其小口端和缓冲容器（2）的器身连接。

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