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麥克應(yīng)用之密度—硬質(zhì)泡沫塑料開孔率的測定方法(20191213)

麥克應(yīng)用之密度—硬質(zhì)泡沫塑料開孔率的測定方法(20191213)
美國麥克儀器  2019-12-17  |  閱讀:5708

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前言

泡沫塑料又稱微孔塑料,是由聚合物構(gòu)成的膜壁和由膜壁分割成的許多小孔組成。本篇文章中測量的硬質(zhì)泡沫塑料是泡沫塑料的一種,它是指無柔韌性,壓縮硬度大,應(yīng)力達到一定值能產(chǎn)生形變,解除應(yīng)力后不能恢復(fù)原狀的泡沫塑料。人們通常利用硬質(zhì)泡沫塑料的隔熱性和力學特性將其用作熱絕緣材料和隔音材料,管道和容器等的保溫材料,漂浮材料及減震包裝材料等。

硬質(zhì)泡沫塑料中包含很多封閉的、獨立的、開放的和連通的孔,不同的孔結(jié)構(gòu)會影響其產(chǎn)品性能。而硬質(zhì)泡沫塑料的開孔率作為其絕緣質(zhì)量的指標,是產(chǎn)品生產(chǎn)和評估過程中非常重要的一個需要控制的變量。因此,一個簡便易行且精確的開閉孔率測試方法,對于發(fā)泡工藝研究及產(chǎn)品質(zhì)量控制都有實際意義。在ASTM D2856中提供了空氣比重法測定開孔率的步驟,但是在此標準中所使用的設(shè)備已經(jīng)不再生產(chǎn)。目前,通過美國麥克儀器公司AccuPyc系列真密度儀(圖1)可以精確的測定硬質(zhì)泡沫塑料的開閉孔率。本文詳述了如何使用AccuPyc系列儀器進行開孔率測試,并對每一個詳細步驟和計算過程都進行了詳細的說明。
美國麥克公司的Accupyc儀器基于理想氣體狀態(tài)方程,采用氣體置換法,測量硬質(zhì)泡沫的開閉孔率,符合GBT10799和ASTM D2856標準。Accupyc測試硬質(zhì)泡沫塑料的開孔率方法,操作簡便,結(jié)果準確,測試樣品用量少。僅需要從待測材料中切下兩個邊長為2.5 cm的正方體,接著測定樣品的體積,此時一些閉孔由于切割而變成開孔,必須對其進行校正,求出校正后的開孔體積,才能如實表征樣品的泡孔結(jié)構(gòu)并正確評價產(chǎn)品性能。因此,需要在測試樣品上進行第二次等面積切割,并再次測定體積,完成由閉孔變成的開孔體積的校正計算。
圖2為Accupyc的設(shè)備示意圖。AccuPyc II采用氣體置換法原理,利用He作為氣體介質(zhì),置換材料空隙及孔隙中的空氣,獲得材料的實際體積數(shù)據(jù)。如圖所示,樣品在樣品倉中形成密封環(huán)境,打開1閥,氣體進入樣品倉,達到一定壓力后,閥門關(guān)閉,待樣品與氣體達到平衡后,壓力傳感器讀取此時壓力P1。之后2閥打開,氣體則會從樣品倉擴散進入擴展倉,待兩個倉內(nèi)的氣體和樣品達到平衡后,壓力傳感器讀取此時壓力P2。之后基于理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT,換算出材料的真實體積V,V進一步用于開孔率的計算。

圖1為美國麥克儀器公司AccuPyc II 1340全自動氣體置換法真密度儀/開閉孔率分析儀


圖2 美國麥克儀器公司AccuPyc的工作示意圖

實驗步驟

為了獲得準確的測試結(jié)果,在進行樣品分析前,還需要使用實際分析氣體對儀器進行體積校正,之后再開始進行測試。
  1. 樣品準備。采用專用刀具,把樣品切割成兩個邊長為2.5 cm的立方體,注意要確保得到的立方體尺寸精確。

  2. 稱量質(zhì)量和量取體積。采用萬分之一天平準確讀取樣品質(zhì)量,讀數(shù)精確到0.0001 g。精確測量切取的兩個立方體的幾何體積Vg,Vg是用于計算開孔體積的關(guān)鍵參數(shù)。

  3. 將兩個立方體放置于AccuPyc的樣品池中,蓋好倉蓋,設(shè)定測試條件,點擊Start,開始運行測試,此時儀器測定氣體的置換體積Vp1。測試時,通常采用100cc的樣品池。表1中列出了建議采用的測試參數(shù)。

    表1 AccuPyc儀器分析測試參數(shù)

    Purge fill pressure

    4.0 psig

    Number of purges

    10

    Analysis fill  pressure

    4.0 psig

    Number of analyses

    10

    Equilibration rate

    0.0050 psig/min

    Use run precision?

    Yes

    Percent full scale

    0.01%

  4. 第3步分析結(jié)束后,打開樣品倉蓋,取出兩個立方體,用專用刀具沿著平行于立方體側(cè)面的線將兩個立方體切三下(參見圖3)。兩個立方體切完之后可得到16個小立方體,此時暴露的表面和由于切割造成的開孔數(shù)會加倍。

  5.  將切割好的16個小立方體放入AccuPyc的樣品池中,蓋好倉蓋,點擊OK,繼續(xù)運行測試,此時儀器測定其體積Vp2 

圖3為切割示意圖


開孔率計算

多孔材料中開孔的體積為Voc,該試樣原表面的被切泡孔體積為Vcc,則Vp1和Vp2分別有如下關(guān)系式:

Vp1=Vg-Voc-Vcc               式(1)  

Vp2=Vg-Voc-2Vcc             式(2)

將(1)*2-(2),可得

2Vp1-Vp2=Vg-Voc               式(3)

則Voc為

Voc=Vg-2Vp1+Vp2              式(4)

則開孔率計算如下:

Co=Voc/Vg*100%


總結(jié)


材料的開孔率在產(chǎn)品生產(chǎn)和研發(fā)過程中可用作質(zhì)量控制參考指標,通過開孔率數(shù)據(jù),對發(fā)泡工藝研究及判斷產(chǎn)品質(zhì)量都有實際意義。本文詳述了如何使用AccuPyc II 1340真密度儀儀器進行開孔率測試,并對測試原理及計算過程進行了詳細說明。其測試樣品用量少,對試樣表面被切孔的校正也極其簡便,測試結(jié)果精確度高,穩(wěn)定性好,可用作科研和質(zhì)量控制參考指標。


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