Газопроницаемость

Газопроница́емость — свойство перегородок из твёрдого тела пропускать сквозь себя газ при разнице в давлении газа с разных сторон перегородки. В зависимости от природы перегородки, а также от величины разницы давлений выделяют три основных типа газопроницаемости: диффузионную, молекулярную эффузию, ламинарный поток
Проникновение молекул из газа или жидкости через пластиковые материалы интересно во многих контекстах, как с точки зрения поддержания газа внутри легкого контейнера, так и с точки зрения сохранения продуктов/окружающей среды свободными от атмосферных газов, таких как азот, кислород илиCO2. Теоретические основы скорости газопередачи или газопроницаемости кратко описаны ниже.
Передача газа через полимерный материал может быть описана следующим образом:
где:
J-скорость пропускания газа, другими словами, поток через образец
D-коэффициент диффузии
S-растворимость газа в материале
t-толщина образца
p1 и p2-давление или концентрация газа или жидкости на каждой стороне мембраны. Когда мы непрерывно пропускаем азот через одну сторону мембраны, концентрация на этой стороне равна нулю.
Кроме того, коэффициент диффузии зависит от температуры:
Важность проницаемости газопроницаемых материалов для различных газов интересна в нескольких контекстах. При использовании пластиковых трубопроводов для природного газа или водорода, часть газа будет естественным образом диффундировать через стороны трубы. Конечно, эта диффузия должна быть ограничена, и поэтому важно измерить точный объем диффузии. Следует ожидать, что проницаемость будет варьироваться в зависимости от типа газа, в частности, от того, насколько хорошо они растворяются в стенке трубы и диффундируют через нее. Плотные пластмассы и композитные мембраны также являются важными материалами для использования в герметичных контейнерах и уплотнениях. Мы работали над тем, чтобы сделать пластиковые и композитные материалы менее газопроницаемыми, как традиционными способами, так и путем изготовления композитов с глиняными хлопьями, графитовыми хлопьями и углеродными нанотрубками (см. нанокомпозиты для получения дополнительной информации об этом). Мы накопили опыт в измерении проницаемости пластмассовых композитов, металлических мембран, таких как палладий на пористой нержавеющей стали, и металлических пленок на пластике или резине.
Изменение проницаемости для различных газов может быть использовано для избирательного удаления конкретного газа из смеси газов, что представляет интерес в связи с несколькими приложениями. Мы приобрели опыт в этом направлении в проектах по очистке биогаза, а также в других проектах.
Стандарты
Для измерения газопроницаемости материалов применяются, в частности, следующие стандарты: DS / EN ISO 2556, ASTM D1434, ISO 15105-1 для пластмасс и ISO 7229 для пластмасс или материалов с резиновым покрытием. Однако более точные методы, разработанные в институте, часто могут быть применены с пользой. Когда вы свяжетесь с нами, мы найдем решение, которое наилучшим образом удовлетворит ваши конкретные потребности вместе, в рамках нашего широкого спектра вариантов; это может быть стандартный или индивидуальный тест, который мы адаптируем к вашему применению.
Газопроницаемость присуща в большей или меньшей степени всем материалам. Коэф. газопроницаемости выражается кол-вом газа, прошедшего при нормальных условиях в единицу времени и перепаде давления, равном единице, через единицу пов-сти материала единичной толщины.
Газопроницаемость пористых керамич. материалов зависит от величины и формы пор, а также от характера их расположения. При одинаковом значении открытой пористости газопроницаемость пропорциональна квадрату среднего диаметра пор. Открытые поры, ответственные за пропускание газа, наз. проницаемыми. Обычно определяют объемную газопроницаемость. При малых перепадах давления объем газа, прошедшего через образец материала при стационарном потоке, определяют по ур-нию:
где К-коэф. газопроницаемости, h и s-соотв. толщина и площадь изделия,-динамич. вязкость газа, t-время, - разность давлений газа по обе стороны образца материала. Определение газопроницаемости имеет большое значение, особенно для изделий строит. керамики и керамич. фильтров.
Газопроницаемость присуща также беспористым материалам, в частности полимерам, металлам и стеклам. Наиб. высокой газопроницаемостью обладают каучукоподобные полимеры, а из них-кремнийорг. каучуки, пониженной-орг. стекла, кристаллич. и структури-ров. полимеры. Коэф. газопроницаемости полимеров увеличивается с повышением гибкости макромолекул и уменьшением межмол. взаимодействия, а также при введении в линейные полимеры пластификаторов. Газопроницаемость сетчатых полимеров уменьшается с увеличением числа поперечных хим. связей между макромолекулами (т.е. степени сшивания). При определении Q полимерных материалов не учитывают динамич. вязкость газа:
Газопроницаемость-одна из важных характеристик изделий из полимерных материалов, напр. шин, прокладок, надувных конструкций, разделит, мембран, одежды, обуви, упаковок и др. С газопроницаемостью связаны защитные св-ва полимерных покрытий, скорость окисления полимеров, обмен в-в в живых организмах.
Для металлов в большей степени характерна водородо-проницаемость, к-рая зависит от типа кристаллической решетки, парциального давления газа и т-ры. Большой водородо-проницаемостью характеризуются Pd и его сплавы; их используют для получения сверхчистого Н2. Стекло в условиях глубокого вакуума становится проницаемым для Н2 и Не.
Газопроницаемость определяют след

. методами: манометрическим-регистрируются показания манометра, соединенного с разреженным объемом, куда поступает газ, прошедший через образец; объемометрическим-замеряется объем газа, прошедшего через образец за определенного время, при постоянном его давлении с противоположной стороны; измерением скорости изменения концентрации газа с той или другой стороны образца, для чего м. б. использованы хроматографические, масс-спектрометрич., хим. и др. методы. В СССР методы определения газопроницаемости полимеров не стандартизованы. Для оценки газопроницаемости керамических изделий рекомендован объемометрический метод.
Одним из условий сохранения высокого вакуума в изолированных от насосов системах и электровакуумных приборах является отсутствие газовыделений с поверхностей и из масс, граничащих с вакуумом. В обычных условиях все материалы содержат связанные газы: удерживаются на поверхности за счет сил физической адсорбции (адсорбированы); растворены в объеме материала (абсорбированы); содержатся в виде химических соединений (хемосорбированы); имеются в виде объемных включений в порах, трещинах (окклюдированы).Связанные газы при определенных условиях могут переходить в свободное состояние (десорбироваться) и повышать давление в замкнутом объеме.Обычно в ходе откачки высоковакуумные системы и электровакуумные приборы подвергаются обезгаживанию. В каждом конкретном случае следует рассматривать пару "материал - газ" и намечать соответствующие пути освобождения материала от газа.
В зависимости от способа получения, хранения и обработки материалы могут одержать и выделять самые разнообразные газы: СО, СО2, Н2О, О2, N2, H2 и др. Идентификацию газов, выделяющихся из материалы, осуществляют обычно с помощью масс-спектрометров.Технологов интересует, кроме того, и количество газов, которое может выделиться из материалов в ходе их вакуумной обработки. В связи с тем, что газовыделение зависит от очень многих факторов и не всегда строго известна "история" материала, то нельзя полностью доверяться справочным сведениям по газовыделению, поэтому часто приходится оценивать газовыделение экспериментально.Наиболее эффективным способом очистки материалов считают высокотемпературный отжиг в вакууме или водороде. При этом решается также проблема снятия внутренних напряжений, появившихся в ходе предварительных механических и других обработок материалов.Газы и металлы образуют растворы различных типов. Сравнительно небольшие по размерам атомы газов (водорода, азота) могут занимать устойчивое положение между большими атомами металла, образуя так называемые растворы внедрения. При этом кристаллическая решетка металла несколько растягивается вследствие колебаний атомов относительно центров равновесия. Если размеры атомов растворяющихся газов соизмеримы с размерами атомов металла, то образуются так называемые растворы замещения: в узлах кристаллической решетки атомы газа замещают атомы металла, при этом решетка деформируется (Рис. 1).
Перемещение растворенных атомов газов в объеме металла или к его поверхности происходит за счет диффузии; диффузия возможна тогда, когда колеблющиеся атомы газов приобретают энергию, достаточную для "расталкивания" соседних атомов решетки металла. Диффузия газов в растворах внедрения идет легче, чем в растворах замещения.Коэффициент диффузии газа в металле, а, следовательно, и скорость диффузии зависит от многих факторов. Выражение для коэффициента диффузии газа через металлическую пластину толщиной δ, по одну сторону которой имеется вакуум, а по другую - газ с давлением Р, экспоненциально зависит от температуры Т:
 
где к - постоянная, зависящая от природы системы "газ - металл"; Ео - энергия активации процесса диффузии.
При повышении температуры возрастает интенсивность колебаний частиц твердого тела, и осевшие на поверхности молекулы газа могут выделиться в свободное пространство. Освободившиеся участки поверхности твердого тела могут быть снова заняты газом, диффундирующим из объема твердого тела. Ясно, что обезгаживание следует вести при повышенных температурах, чтобы ускорить процессы десорбции и диффузии. Однако в некоторых случаях при повышенных температурах процессы могут осложняться за счет химического взаимодействия газов с твердым телом.
На практике бывает довольно трудно различить, за счет какого процесса поглощается или выделяется газ. Более легко различима физическая адсорбция (десорбция), при которой газ поглощается или выделяется практически мгновенно. В общем случае для распознавания природы поглощения газа основываются на форме кривых зависимости количества выделившегося газа от времени при изотермическом обезгаживании. Если газовыделение обусловлено в основном диффузией газа из объема твердого материала, то скорость выделения газа приблизительно пропорциональна 1/sqrt(τ), (где τ - время обезгаживания). Скорость выделения хемосорбированного газа пропорциональна 1/τ, а образующегося при поверхностной термической диссоциации 1/τ2.
Количество физически адсорбированного газа считают эквивалентным мономолекулярному слою: 0,3-0,5 л мм рт. ст./см . Этот газ удаляется за 2-3 минуты при нагреве до 200-300 °С. Величина истинной поверхности, участвующей в физической адсорбции, может в сотни раз превышать геометрическую поверхность твердого тела.
Повышение температуры отжига всегда ускоряет обезгаживание металлов и улучшает очистку поверхности. Однако при выборе температуры обезгаживания следует учитывать и возможность нежелательных структурных изменений металлов, приводящих к рекристаллизации и к снижению прочности, нарушению формоустойчивости деталей