紡織品 孔徑特征的測(cè)定 氣液置換法 編制說(shuō)明

1《紡織品孔徑特征的測(cè)定氣液置換法》編制說(shuō)明1.1任務(wù)來(lái)源本標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)關(guān)于下達(dá)2021年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃的通知，《紡織品孔徑特征的測(cè)定氣液置換法》（計(jì)劃編號(hào)：20213117-T-608）為新制定標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，主管部門(mén)為中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)，全國(guó)紡織品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口，全國(guó)紡織品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)分會(huì)執(zhí)行，中國(guó)產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會(huì)、廣州檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證集團(tuán)有限公司等負(fù)責(zé)起草。1.2標(biāo)準(zhǔn)制定的背景和意義隨著紡織技術(shù)的發(fā)展，紡織材料在過(guò)濾與分離、新能源電池等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，機(jī)織工業(yè)過(guò)濾布、非織造空氣過(guò)濾布、高溫除塵用非織造濾袋、非織造電池隔膜等新材料、新產(chǎn)品正受到越來(lái)越多的關(guān)注，其中，孔徑特征是該類產(chǎn)品的重要性質(zhì)之一，對(duì)材料的透過(guò)性、滲透速率、過(guò)濾性能等一系列性質(zhì)具有重要的影響。以過(guò)濾用途為例，紡織材料的孔主要功能是截留液體或氣體中的固體顆粒，因此其孔徑及孔徑分布就決定了產(chǎn)品的過(guò)濾精度和過(guò)濾效率；而在電池隔膜應(yīng)用中，隔膜分隔正負(fù)極，隔膜上的孔則允許電解液中的離子在正負(fù)極之間自由穿梭、防止短路，因此隔膜的孔徑和孔徑分布是電池壽命、安全性和使用效率的決定性因素。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)和相關(guān)報(bào)道，紡織材料孔徑特征的測(cè)試方法有直接法和間接法：直接法主要用于測(cè)量試樣的表面孔隙尺寸，包括X射線小角度散射測(cè)量法、顯微鏡/掃描電子顯微鏡觀察法等；間接法則是假設(shè)紡織材料的孔是均勻通直的圓孔，通過(guò)公式計(jì)算出材料孔隙的等效孔徑，主要有泡點(diǎn)法、壓汞法等，該類方法可較真實(shí)地反映流體通過(guò)孔道的實(shí)際情形。采用直接法，只能觀察到材料的表觀形貌，對(duì)于結(jié)構(gòu)立體的紡織材料，并沒(méi)有辦法測(cè)得其真正的孔徑；間接法中的壓汞法，其原理是液態(tài)金屬汞對(duì)一般固體不潤(rùn)濕，要使汞進(jìn)入多孔材料的孔隙中則需要施加外壓，通過(guò)跟蹤壓力和進(jìn)入材料的汞量變化，可測(cè)得材料通孔孔徑，但該方法適用于硬質(zhì)多孔材料，如無(wú)機(jī)類、金屬類試樣等，對(duì)于紡織等柔性材料而言，在壓力作用下，材料本身變形，因此測(cè)得的結(jié)果與樣品的實(shí)際孔徑會(huì)偏差較大；氮?dú)馕椒▌t是利用體積等效代換的原理，以空中充滿的液氮量等效為孔的體積，由孔隙的體積換算為孔徑和孔徑分布，較適用于與孔徑在50nm以下的材料。2與紡織品孔徑相關(guān)的測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)，目前僅有GB/T24219-2009《機(jī)織過(guò)濾布泡點(diǎn)孔徑的測(cè)定》、GB/T14799-2005《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品有效孔徑的測(cè)定干篩法》、GB/T17634-1998《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品有效孔徑的測(cè)定濕篩法》。其中GB/T24219-2009是采用水冒泡的方法，與本項(xiàng)目原理類似，但僅能測(cè)試樣的泡點(diǎn)孔徑（最大孔徑兩個(gè)土工布的標(biāo)準(zhǔn)則是將已知直徑的標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料放在土工布上振篩，稱量通過(guò)土工布的標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料的重量，計(jì)算過(guò)篩率，求得能有效通過(guò)土工布的近似最大顆粒直徑，與本項(xiàng)目原理及結(jié)果均不同。本項(xiàng)目中的孔徑，指的是多孔材料中孔隙（即通孔）的名義直徑，其特征參數(shù)主要包括最大孔徑、平均孔徑和孔徑分布。本項(xiàng)目擬利用對(duì)通孔材料具有良好浸潤(rùn)性的液體充分浸潤(rùn)試樣，使之充滿于試樣的孔隙間，然后在一側(cè)緩慢通入氣體，使之氣壓升高，直到將連通孔中的液體排出、吹通，依據(jù)所用氣體壓力來(lái)計(jì)算孔徑值和孔徑分布。本方法可對(duì)高效、超高效過(guò)濾材料、電池隔膜等孔徑可能低至幾十納米的紡織材料的孔徑特征進(jìn)行測(cè)定。1.3主要工作過(guò)程（1）2021年8月-2021年12月，成立起草小組，研究收集關(guān)于材料孔徑特征方面的標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)，為標(biāo)準(zhǔn)的起草打下良好的基礎(chǔ)。（2）2022年1-6月，采集樣品并進(jìn)行試驗(yàn)，初步確定操作程序及步驟，以及試驗(yàn)參數(shù)。（3）2022年7-12月，組織實(shí)施驗(yàn)證試驗(yàn)，起草小組根據(jù)前期研究，進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容。（4）2023年1-5月，經(jīng)多輪修改完善，形成標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿及編制說(shuō)明，提交秘書(shū)處。本標(biāo)準(zhǔn)格式按照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定進(jìn)行編寫(xiě)。本標(biāo)準(zhǔn)的編制遵循“與國(guó)際接軌、技術(shù)先進(jìn)、規(guī)范性”的原則，注重測(cè)試方法的合理性和可操作性。3.1試驗(yàn)原理根據(jù)目前收集到的文獻(xiàn)資料，采用間接法測(cè)定材料的孔徑特征的方法中，氣液置換法與壓汞法相比，可以減少實(shí)驗(yàn)時(shí)材料結(jié)構(gòu)壓縮對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，更適用于整體結(jié)構(gòu)為相對(duì)柔性的纖維紡織材料。因此本標(biāo)準(zhǔn)擬采用氣液置換法的原理進(jìn)行紡織品孔徑特征的測(cè)定，通過(guò)3圖1測(cè)試原理示意圖本標(biāo)準(zhǔn)采用氣-液置換的方法，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)較為柔軟的紡織體結(jié)構(gòu)無(wú)較大變化，因此可對(duì)紡織品的孔徑特征(包括最大孔徑、平均孔徑和孔徑分布)進(jìn)a)孔徑特征測(cè)試儀，含氣源(經(jīng)過(guò)濾的壓縮空氣或氮?dú)?、壓力計(jì)、流量計(jì)；3.4操作程序43.4.3運(yùn)行測(cè)試程序在測(cè)試程序輸入相關(guān)測(cè)試和技術(shù)參數(shù)，包括浸潤(rùn)液表面張力、有效測(cè)試面積或直徑、儀器運(yùn)行模式等，啟動(dòng)測(cè)試，氣體以一定流速通入試樣的一側(cè)，儀器記錄壓力-流量曲線，氣壓逐漸升高，當(dāng)流量傳感器檢測(cè)到通過(guò)試樣的氣體流量時(shí)，即出現(xiàn)最大孔徑。繼續(xù)提高壓力，當(dāng)氣體流量隨壓力線性增加時(shí)，說(shuō)明浸潤(rùn)液完全排出，此為試樣充分浸潤(rùn)時(shí)的壓力-流量曲線，簡(jiǎn)稱濕曲線。隨后在試樣被氣體吹干的情況下，以同樣條件通入氣體，儀器記錄壓力-流量曲線，簡(jiǎn)稱干曲線。試驗(yàn)在濕曲線和干曲線重合時(shí)結(jié)束。重復(fù)上述步驟完成剩余試樣的測(cè)試。3.5結(jié)果計(jì)算表示3.5.1根據(jù)公式（1）計(jì)算試樣的孔徑Di： 式中：Di—樣品中第i個(gè)孔徑，單位為微米(μm）；C—常數(shù)，當(dāng)壓力單位為Pa時(shí)C為2860，當(dāng)壓力單位為psi時(shí)C為0.415；—潤(rùn)濕液表面張力，單位為毫牛每米（mN/m）；Pi—瞬時(shí)壓力值，單位為帕（Pa）、或磅力/平方英寸（psi）。3.5.2將流量傳感器檢測(cè)到通過(guò)試樣的氣體流量時(shí)的壓力代入公式（1可計(jì)算出試樣的最大孔徑；將半干曲線（干曲線斜率的50%）與濕曲線的重合處對(duì)應(yīng)的壓力代入公式（1），可計(jì)算出試樣的平均孔徑；根據(jù)壓力步進(jìn)相鄰亮點(diǎn)干濕曲線對(duì)應(yīng)的氣體流量，可計(jì)算試樣的孔徑分布，孔徑范圍即為根據(jù)公式（1）計(jì)算出的所有孔徑的范圍。3.5.3將結(jié)果按GB/T8170進(jìn)行如下修約：a10μm：修約到0.01μm；b）≥10μm：修約到0.1μm如果需要最大孔徑或平均孔徑的變異系數(shù)，修約至0.1%。3.6試驗(yàn)影響參數(shù)研究3.3.1試驗(yàn)樣品選擇根據(jù)目前常見(jiàn)的涉及孔徑表征的紡織品類型，本試驗(yàn)選取了7種紡織品進(jìn)行相關(guān)參數(shù)研究，詳細(xì)信息見(jiàn)表1。表1本項(xiàng)目參數(shù)研究用7種樣品信息代號(hào)工藝用途A純棉梭織家用紡織品B錦綸梭織液體過(guò)濾用C滌錦復(fù)合超纖水刺非織造空氣過(guò)濾用D聚苯硫醚針刺非織造工業(yè)除塵過(guò)濾用E聚丙烯紡粘非織造液體過(guò)濾用5F聚酯濕法非織造電池隔膜用G聚乳酸靜電紡手術(shù)修復(fù)用腦膜其中A號(hào)純棉梭織布是高密機(jī)織布，主要應(yīng)用為防螨床上用品，其機(jī)理是利用高密織物的小孔徑防止螨蟲(chóng)穿過(guò)；B號(hào)的錦綸梭織布是常見(jiàn)的液體過(guò)濾布，用于工業(yè)固液分離；C號(hào)的滌錦復(fù)合超纖水刺非織造布是采用橘瓣型滌錦復(fù)合纖維進(jìn)行鋪網(wǎng)，在水刺加固過(guò)程中使復(fù)合纖維散開(kāi)形成超細(xì)纖維立體結(jié)構(gòu)，常用于氣固分離、過(guò)濾顆粒物；D號(hào)的聚苯硫醚針刺非織造布是常用的耐高溫工業(yè)除塵濾料，一般是梭織基布+兩面纖網(wǎng)后針刺加固，主要用于燃煤鍋爐、垃圾焚燒、水泥廠控制煙塵排放濃度用；E號(hào)的聚丙烯紡粘非織造布，主要用于粗效的固液分離；F號(hào)的聚酯濕法非織造布，主要用于電池隔膜，其孔徑是影響電解液中離子遷移的關(guān)鍵因素；G號(hào)的聚乳酸靜電紡纖維人工腦膜，主要用于開(kāi)顱手術(shù)后植入修復(fù)用，其孔徑是影響細(xì)胞在腦膜上生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素3.3.2浸潤(rùn)液的影響根據(jù)孔徑的計(jì)算公式——Di=Cτ/Pi，浸潤(rùn)液表面張力是影響孔徑大小的關(guān)鍵因素，本研究采用兩種不同表面張力的浸潤(rùn)液（浸潤(rùn)液1#的表面張力為15.9mN/m，浸潤(rùn)液2#的表面張力為20.1mN/m），分別測(cè)試表1中幾種不同試樣的孔徑特征，結(jié)果如表2所示。表2不同表面張力浸潤(rùn)液對(duì)孔徑試驗(yàn)結(jié)果的影響代號(hào)最大孔徑/μm平均孔徑/μm浸潤(rùn)液1#浸潤(rùn)液2#浸潤(rùn)液1#浸潤(rùn)液2#A34.537.35.916.21B28.729.78.386.66C53.845.4D39.633.2E49.544.8F3.563.97G8.929.572.362.69從表2可見(jiàn)：樣品A隨著浸潤(rùn)液表面張力增加，最大孔徑和平均孔徑略有增加；樣品B隨著表面張力增加，最大孔徑增大而平均孔徑減??；樣品C隨著浸潤(rùn)液表面張力增加，最大孔徑減小而平均孔徑幾乎不變；樣品D和樣品E隨著浸潤(rùn)液表面張力增加，最大孔徑和6平均孔徑均略有減??；樣品F隨著浸潤(rùn)液表面張力增加，最大孔徑減小而平均孔徑略有增加；樣品G隨著浸潤(rùn)液表面張力增加，最大孔徑和平均孔徑均略有增大。綜上，不同樣品由于本身結(jié)構(gòu)的原因和/或不同表面張力的浸潤(rùn)液，其最大孔徑和平均孔徑的變化存在不同的趨勢(shì)，或略有增大、或略有減小、或變化不大，因此浸潤(rùn)液的表面張力對(duì)孔徑特征的試驗(yàn)結(jié)果存在影響、但影響較小，因此在試驗(yàn)報(bào)告中有必要報(bào)告所使用浸潤(rùn)液的表面張力。3.7比對(duì)驗(yàn)證情況3.7.1實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部檢驗(yàn)員人員比對(duì)結(jié)果為驗(yàn)證本測(cè)試方法的可重現(xiàn)性與檢測(cè)方法的穩(wěn)定性，采用表1中的A、C、E、G四種不同材質(zhì)和生產(chǎn)工藝的樣品，安排3位檢驗(yàn)員(甲、乙、丙)按本方法進(jìn)行檢測(cè)，浸潤(rùn)液采用1#、表面張力為15.9mN/m，通過(guò)內(nèi)部比對(duì)的方式進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表3。表3孔徑特征內(nèi)部比對(duì)測(cè)試結(jié)果樣品平均值標(biāo)準(zhǔn)差離散系數(shù)%測(cè)試結(jié)果/μm最大孔徑A34.536.833.434.95.0C53.846.157.552.55.82E20.33G8.929.449.269.210.262.9平均孔徑A5.915.686.436.010.386.4C9.8E49.544.348.746.85.33G2.362.452.272.360.093.8如表3所示，四個(gè)樣品的內(nèi)部比對(duì)結(jié)果略有差異：A號(hào)和G號(hào)樣品3位檢驗(yàn)員的測(cè)試結(jié)果均較為接近，而C號(hào)和E號(hào)樣品的結(jié)果差異較大，主要是和生產(chǎn)工藝息息相關(guān)；A號(hào)樣品為高密梭織布，其均勻性較一般非織造布高許多，因此結(jié)果離散性較??；E號(hào)樣品為靜電紡絲工藝，由于纖維均為微納米級(jí)別，且其應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)產(chǎn)品均勻性要求高，因此其最大孔徑和平均孔徑均最小、結(jié)果離散性也最??；C號(hào)為超纖水刺非織造工藝，水刺工藝無(wú)法對(duì)孔徑進(jìn)行較好的均勻性控制，因此結(jié)果的離散性較大；E號(hào)為紡粘非織造布，孔徑特征與紡織7產(chǎn)品的立體結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，一般厚的試樣其均勻性較薄的高，E號(hào)樣品輕薄、因此其最大孔徑和平均孔徑均最大，同時(shí)結(jié)果的離散性也最大。上述結(jié)果表明：對(duì)于均勻性較好的樣品，其結(jié)果的變異系數(shù)不超過(guò)10%，對(duì)于均勻性較差的樣品、其結(jié)果的變異系數(shù)也不超過(guò)20%，因此本標(biāo)準(zhǔn)方法的可重現(xiàn)性良好，測(cè)試結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定。3.7.2實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)結(jié)果為進(jìn)一步驗(yàn)證本測(cè)試方法的可重現(xiàn)性、可操作性與檢測(cè)方法的穩(wěn)定性，邀請(qǐng)了另外兩家實(shí)驗(yàn)室（華南理工大學(xué)、東華大學(xué)）進(jìn)行了方法驗(yàn)證工作，三家實(shí)驗(yàn)室均按本標(biāo)準(zhǔn)中方法進(jìn)行測(cè)試，均采用表1的A和G兩種均勻性較好的樣品進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表4。表4孔徑特征實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)結(jié)果樣品廣檢集團(tuán)華南理工大學(xué)東華大學(xué)平均值標(biāo)準(zhǔn)差離散系數(shù)%測(cè)試結(jié)果/μm最大孔徑A34.532.837.034.8G8.929.178.658.910.262.9平均孔徑A5.9