CC BY
29
УДК 631.434.12
А.Е. Луньков
СТРУКТУРА ПОРИСТОСТИ ГИПСОКАРТОНА ПО ДАННЫМ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ПОРОМЕТРИИ
Исследовалась структура пористости листового гипсокартона методом центробежной порометрии. Метод, основанный на заполнении исследуемых объектов смачивающей жидкостью и последовательным удалением её центрифугированием при возрастающих значениях центробежного ускорения, даёт значения эквивалентных радиусов пор и распределение по ним объёма пористости. 80 % пористости исследованного материала образуют поры основных значений радиусов 0,4^1,4 мкм, 20% пористости приходится на не основные поры с радиусами 0,05^0,16 мкм и 2,5^6,3 мкм.
Центробежная порометрия, гипсокартон, пористость
A.E. Lunkov
POROSITY DRYWALL STRUCTURE BASED ON CENTRIFUGAL POROSIMETRY
The investigation relates the porosity structure of the sheet drywall conducted by means of the centrifugal porosimety method. The method is based on the filling of the analysed objects with the wetting liquid and its consistent removal using centrifugation at increasing values of centrifugal acceleration. The method provides the values of radii of the pores and the distribution function of the pore volume in their radii. 80% porosity of the investigated material form the pores with the basic values of the radii at 0.4^1.4 fim, and 20% porosity accounts for non-core pores with the radii at 0.05^of 0.16 pm and 2.5^6.3 pm.
Centrifugal porometry, drywall, porosity
Механические и эксплуатационные характеристики стройматериалов существенно зависят от их пористости, которая, в свою очередь, зависит от параметров исходных компонентов и технологии получения стройматериала. В связи с этим требуются методики измерения пористости как на этапах разработки технологии получения материалов с заданной пористостью, так и на этапах контроля соответствия готовых материалов техническим условиям и другим нормативным документам. Для этого необходимы методики измерения не только объёма пор, но и характеристики пористой структуры, представляющей собой распределения объёма пор по эквивалентным радиусам (диаметрам) пор.
К методам порометрии в физической химии и относятся различные методы получения функции распределения пор по их радиусам, которые находятся из экспериментальных зависимостей объёма от радиусов пор [1]. По принятой в физической химии классификации материалы с размерами пор более 0,1 мкм относятся к макропористым, для которых классическим считается метод ртутной порометрии [2]. Известен и другой метод порометрии макропористых объектов, не связанный с использованием токсичной ртути - метод центробежной порометрии [3]. Техническая и методическая модернизация этого метода позволила нам успешно применить его для исследования особенностей структуры компактной кости [4, 5] даже при её малой пористости (5-10%), которая в несколько раз меньше пористости неорганических объектов, в том числе и строительных материалов. Использованный нами метод центробежной порометрии со всеми внесёнными техническими и методическими усовершенствованиями подробно описывается в [6].
Метод центробежной порометрии основан на заполнении пористого тела смачивающей жидкостью с последующим удалением её путём центрифугирования при последовательно увеличивающихся значениях центробежного ускорения. При этом непосредственно из измерений получают зависимость количества жидкости в порах от величины центробежного ускорения ©R ( R - радиус ротора центрифуги, ю=2лп - круговая частота, n - линейная частота его вращения).
Путём взвешивания образца до и после заполнения жидкостью можно сразу определить удельный объём пор (см3/г):
М ~ т о , (1)
V =
т о Р
где то - исходная масса образца до, а М - после заполнения его жидкостью, р - плотность используемой рабочей жидкости. При использовании вместо удельного объёма пор пористости в знаменателе формулы (1) т0 нужно заменить на геометрический объём образца. Количество жидкости в порах после центрифугирования на каждой из выбранных частот вращения (1=1,2,3.. ..9) определяется также из формулы (1) по разности измеренной М1 и исходной массы образца то.
Результаты измерений принято представлять в виде зависимости удельного объёма пор (или пористости) от их эквивалентных радиусов г. Для её получения необходимо пересчитать величину центробежного ускорения в значения радиусов освобождённых пор.
В рамках простейшей и часто используемой модели пористого тела как системы параллельных цилиндрических капилляров разных радиусов максимальный радиус полностью заполненных пор Гп после центрифугирования образца при частоте вращения п и радиусе ротора Я определяется соотношением [3]
2 О- 008 в
Г =-, (2)
и Н- р-(2т)2 Я
где о - коэффициент поверхностного натяжения, р - плотность рабочей жидкости, 0 - краевой угол смачивания, Н - размер образцов в направлении действия центробежной силы, то есть вдоль радиуса ротора. Кривая распределения радиусов пор находится численным дифференцированием экспериментальной зависимости объёма пор V, определяемого по формуле (1) от их радиусов, определяемых по формуле (2).
Измерения проводились на стандартной центрифуге ОС-6м с максимальной частотой вращения 6000 об/мин. Основное техническое усовершенствование заключалось в замене штатного ротора центрифуги на ротор специальной конструкции, оптимальной для целей порометрии [7]. Другим техническим решением был выбор в качестве рабочей жидкости вакуумного масла ВМ-6, что позволило исключить неконтролируемое испарение рабочей жидкости в процессе снятия порограмм.
В данной работе на примере сердечника гипсокартона [8] рассматривается возможность использования метода центробежной порометрии для исследования структуры пористости стройматериалов.
Для исследования брались листы гипсокартона толщиной 9 мм с удаленными наружными слоями защитного картона. Из них вырезались образцы площадью 3,4*Н см, где Н - размер образца вдоль действия центробежной силы. Порограммы снимались при четырёх значениях Н=1,5;1,0;0,7 и 0,35 см. Для усреднения полученных данных по близким объёмам исследовалось по одному образцу с Н=1,5 и 1 см, по два образца Н=0,7 см и по четыре Н=0,35 см. При этом текущие значения масс образцов с одинаковыми значениями Н (двух 0,7 и четырёх 0,35 см) суммировались.
Данные центробежной порометрии образцов разной толщины Н приведены на рис. 1^4 в виде интегральных кривых зависимости пористости от радиусов пор и дифференциальных кривых распределения эквивалентных радиусов пор - г, значения которых приводятся в логарифмическом масштабе.
Рис. 1. Экспериментальные порограммы образца толщиной 1,5 см
Рис. 2. Экспериментальные порограммы образца толщиной 1 см
Н=0,35 см
1 \
\
\
[ г / N
1/ / 1 Ч
0,1 0,5 1,0 5,0 10 50
г (мкм)
Отн.объём пор — "Распределение радиусов
Рис. 3. Экспериментальные порограммы Рис. 4. Экспериментальные порограммы
образца толщиной 0,7 см образца толщиной 0,35 см
Количественные результаты сопоставления экспериментальных данных порометрии образцов разной толщины сведены в таблицу. В ней приводятся значения преобладающих радиусов пор и распределение по ним относительного объёма пор. Относительный объём пор равен отношению объёма пор к геометрическому объёму образца. Диапазоны преобладающих значений радиусов определялись на уровне половины значения ординаты кривых распределения радиусов.
Количественные результаты порометрии гипсокартона
Н Относительный объём пор Распределение относительного объёма пор по их радиусам (мкм)
1,5 см 0,47 0,05-0,13 мкм 0,09 (19 %) 0,4-1,3 мкм 0,38 (81 %)
1,0 см 0,47 0,06-0,16 мкм 0,08 (17%) 0,5-2,0 мкм 0,39 (83%)
0,7 см 0,48 0,4-1,4 мкм 0,40 (83%) 2,5-6,3 мкм 0,08 (17%)
0,35 см 0,51 0,6-1,4 мкм 0,40 (78%) 3,2-6,3 мкм 0,11 (22%)
Как видно из таблицы, 80 % пористости приходится на основной диапазон эквивалентных радиусов пор - 0,4^1,4 мкм. Примерно 20 % пористости относятся к порам, которые можно рассматривать как неосновные. При толщинах исследованных образцов Н=1 и 1,5 см этот объём приходится на поры с радиусами 0,05^0,16 мкм, при толщинах 0,7 и 0,35 см - на поры с радиусами 2,5^6,3 мкм. Для объяснения такого противоречия экспериментальных данных необходимо проанализировать специфику метода центробежной порометрии.
Реальная форма каналов, по которым происходит вытеснение рабочей жидкости, естественно, отличается от модели цилиндрических капилляров, прежде всего, переменным сечением. В канале переменного сечения, ориентированного вдоль направления центробежной силы, центробежное ускорение, необходимое для полного вытеснения из него жидкости, определяется радиусом минимального сечения. Если это сечение находится на выходном торце капилляра, то при снятии порограммы весь его объём будет приписан радиусу минимального сечения. Если минимальное сечение расположено в начале капилляра (по отношению к центру вращения), то, наоборот, наличие минимального радиуса не будет регистрироваться экспериментальной порограммой. Блокирующий эффект капилляров минимальных сечений, входящих в сквозной канал вытеснения жидкости, зависит от толщины образца, поскольку с её увеличением возрастает вероятность вхождения в него сечений малого радиуса. С уменьшением толщины образца для каждой точки внутреннего объёма возрастает вероятность соединения её с выходным торцом образца цепочкой каналов большего сечения. Однако при этом теряется информация о наличии минимальных радиусов пор.
Исходя из рассмотренных выше особенностей центробежной порометрии была предложена методика снятия порограмм при разной толщине исследуемого объекта [9], применённая в данной
работе. Её применение позволяет расширить представление о реально существующем диапазоне радиусов пор путем совместного анализа данных порограмм, снятых при нескольких толщинах образца.
Обращаясь к данным таблицы, можно на основании вышесказанного заключить, что к неосновному диапазону относятся поры как меньших, так и больших радиусов, суммарный объём которых составляет примерно 20 % общего объёма пор. Отклонение в обе стороны от радиусов преобладающих пор статистически более обоснованно, но экспериментальное получение этого более достоверного результата стало возможным благодаря методике варьирования толщины Н.
Структура пористости, образующейся в процессе получения пористого материала, в первую очередь зависит от размеров частиц порообразующего матрикса. Поэтому полученный экспериментально диапазон радиусов пор можно расценивать как показатель неоднородности частиц гипса, среди которых присутствуют как частицы основного размера, так и те, чьи размеры отклоняются от преобладающих.
Оценка зависимости между размерами частиц и размерами образующихся между ними пор приводится в [10]. На основе равенства удельных поверхностей частиц твердого матрикса и системы образующихся между ними полостей (пор) получено соотношение между эквивалентными диаметрами частиц D и пор d
-=bi.e, (3)
D KD 1-e
где Kd и KD - объёмно-поверхностные коэффициенты пор и частиц, соответственно, s - пористость объекта.
Объёмно-поверхностные коэффициенты - это отношения объёма к поверхности тела, выраженные в эквивалентных диаметрах. Для модели частиц в виде сфер, а пор в виде цилиндров отношение Kd/ Kd=4/6. В этом приближении для значений пористости, приведённых в таблице, то есть примерно 0,5, можно предположить, что диаметры частиц гипса D должны быть равными 1,5 d - измеренных диаметров пор. Тогда преобладающие диаметры частиц гипса получаются в диапазоне 1,8^6,3 мкм, исходя из преобладающих радиусов пор, приведённых в таблице. Точно так же можно оценить возможный разброс диаметров частиц, используя значения радиусов не основных пор, по которым можно оценить диаметры не основных частиц гипса: мелких - 0,15^0,48 мкм и крупных - 7,5^12,6 мкм.
Совместное применение гранулометрии частиц исходного порообразующего компонента и центробежной порометрии конечного пористого продукта может использоваться как контрольно-измерительный комплекс при отработке технологии получения различных строительных материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Плаченов Т.Г. Колосенцев С.Д. Порометрия. Л.: Химия, 1988. 175 с.
2. Карнаухов А.П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов. Новосибирск: Наука, 1999. 470 с.
3. Центробежный метод нахождения функции распределения пор по размерам в пористых средах / О.С. Ксенжек, Е.А. Калиновский и др. // Журнал физической химии. 1967. № 7. С. 1602-1607.
4. Луньков А.Е., Гладилин Ю.А., Куликова Л.Н. Индивидуальные особенности пористости трубчатых костей человека // Морфология. 2011. № 4. С. 57-60.
5. Луньков А.Е. Куликова Л.Н., Гладилин Ю.А Инвариантность структуры пористости компактной кости по данным центробежной порометрии // Морфологические ведомости. 2014. № 2. С. 48-54.
6. Луньков А.Е., Куликова Л.Н. Применение центробежной порометрии для морфометрии костной ткани // Медицинская физика. 2011. № 1. С. 69-74.
7. Пат. РФ № 1729598 Ротор для выделения жидкости в процессе центробежного порометри-рования / Луньков А.Е., Абросимов Г.Н. 1993.
8. ГОСТ 6266-97. Листы гипсокартонные. Технические условия.
9. Пат. РФ №2526301. Способ центробежной порометрии / А.Е. Луньков, Л.Н., Куликова. 2014.
10.Фенелонов В.Б. Введение в физическую химию формирования супрамолекулярной структуры адсорбентов и катализаторов. Новосибирск, 2002. 41 с.
Луньков Александр Евгеньевич - Alexander E. Lunkov -
кандидат физико-математических наук, доцент Ph. D., Associate Professor
кафедры медбиофизики Саратовского Department of Medical and Biological Physics
государственного медицинского университета Saratov State Medical University
Статья поступила в редакцию 12.07.15, принята к опубликованию 15.09.15
