4.6.2.Размер пор

Все методы исследования пористой структуры можно разделить на транспортные, связанные с переносом жидкости или газа через мембрану, и нетранспортные. В любом случае нельзя забывать, что реальные поры очень сильно отличаются от идеализированных пор, которые положены в основу различных моделей мембран (рис.4.62).

Рис. 4.62. Сравнение идеальной и реальной структуры разделительного слоя пористой мембраны

1. Электронная микроскопия

Различают два варианта такого анализа - сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и трансмиссионная или просвечивающая (ТЭМ). Первый вариант более прост и информативен, поэтому используется чаще. На рисунке 4.63 дана принципиальная схема СЭМ.

Рис. 4.63. Принципиальная схема сканирующей электронной микроскопии

Узкий пучок электронов направляется на исследуемый образец. Эти электроны называются первичными и имеют высокую энергию - до 25 кV. От поверхности образца отражаются вторичные низкоэнергетические электроны, которые выбиваются первичными из электронных оболочек атомов образца. Узкий пучок первичных электронов перемещают построчно по образцу, ощупывая (сканируя) его поверхность. Вторичные электроны улавливают, усиливают, преобразуют в электрический сигнал и реконструируют в изображение на экране.

Для получения лучшей контрастности поверхность образца подтеняют слоем металла (Cr, Рt, Аu, Рd и др.). Иногда, если изучаемый материал неустойчив под действием электронного пучка, после покрытия металлом изучаемой поверхности, т.е. получения слепка (реплики), материал удаляют растворением и исследуют реплику.

Иногда для отверждения образца используют криометод, т.е. образец быстро замораживают жидким азотом, а лед сублимируют под вакуумом.

Среди трудностей, связанных с использованием электронной микроскопии для изучения пористой структуры мембран, необходимо указать на возможность изменения последней при высушивании и замораживании образцов, а также на сложность получения их ультратонких срезов, что приводит к неадекватности исследуемой структуры первоначальной. Полностью избежать указанных изменений, по всей видимости, невозможно, поэтому электронная микроскопия, несмотря на очевидные достоинства, не может быть признана абсолютным и исчерпывающим методом анализа пористой структуры мембран.

2.Ртутная порометрия

Метод основан на том, что жидкость, не смачивающая твердое тело, проникает в его поры лишь при воздействии внешнего давления. Объем жидкости, проникшей в поры, является функцией давления, что позволяет судить о распределении пор по размерам. Самой не смачивающей жидкостью является ртуть, поэтому ее и используют.

Ртутно-порометрические установки содержат два основных узла: систему создания давления для внедрения ртути в объемы пор и систему измерения объема вдавленной в поры ртути. Все установки снабжены также оборудованием для вакуумирования образца перед измерением. Расчет результатов основан на уравнении Лапласа:

2 σ

r = −−− cos θ(4.22)

P

где σ– поверхностное натяжение ртути; Р – давление;θ– краевой угол смачивания материала ртутью.

Поскольку угол смачивания материала мембран ртутью почти всегда 141°, а поверхностное натяжение ртути 0,48 Н/м, то расчетное уравнение упрощается:

  R= 7492/∆P(4.23)

 На рисунке 4.64 представлен типичный результат измерения.

Рис4.64. Объем поглощенной ртути как функция приложенного давления

При низком давлении заполняются большие поры, затем все более мелкие согласно уравнению Лапласа. При достижении насыщения можно по кривой рассчитать и распределение пор по размерам.