В нашей стране наиболее известны диффузионные мембраны Tyvek, а наиболее продаваемы диффузионные мембраны Изоспан. Поэтому имеет смысл рассмотреть основные показатели паропроницаемости на примере именно этих материалов. В качестве материалов для сравнения их характеристик вберем достаточно близкие по своему назначению и техническим характеристикам диффузионные мембраны Tyvek Solid и Изоспан АМ.

Tyvek Solid предназначен для гидроизоляции кровли, в том числе гидроизоляции мансарды, он представляет собой однослойный гидроизоляционный материал с высокой паропроницаемостью.

Изоспан АМ является двухслойная диффузионной мембраной, которая тоже служит для гидроизоляции кровли и имеет высокую паропроницаемость.

В соответсвии со своим назначением обе мембраны защищают подкровельное пространство от атмосферной влаги и ветра.

Коэффициент паропроницаемости

Коэффициент паропроницаемости (vapor permeability coefficient) показывает способность диффузионной мембраны пропускать через себя пар. Он определяется как количество водяного пара, проходящее через мембрану площадью 1м² за одни сутки при условии, что разность парциального давления по обе стороны мембраны равна 1Па, а температура воздуха — одинаковая. Измерение коэффициента паропроницаемости осуществляется при комнатной температуре и максимальной разности влажности воздуха по обе стороны материала, то есть таким образом определяется идеальная, а иными словами – максимальная, паропроницаемость мембраны. Достаточно часто коэффициент паропроницаемости называют просто паропроницаемость. Именно этот показатель обычно приводится в спецификациях гидро-ветрозащитных мембран, в том числе материалов, применяемых для гидроизоляции кровли.

Считается, что для эффективного удаления влаги из утеплителя паропроницаемость диффузионной мембраны должна быть не менее 400г/м² в сутки, при этом паропроницаемость менее 300г/м² в сутки рассматривается как недостаточная, не обеспечивающая выведение влаги из утеплителя. Принято считать, что для обеспечения максимально возможной скорости выведения влаги из утеплителя паропроницаемость должна быть не менее 1000г/м² в сутки.

Таким образом диффузионные мембраны нередко подразделяются таким образом:

• псевдодиффузионные мембраны имеют паропроницаемость до 300г/м² в сутки,
• диффузионные мембраны имеют паропроницаемость от 400 до 1000г/м² в сутки,
• супердиффузионные мембраны имеют паропроницаемость от 1000г/м² в сутки.

Как уже отмечалось, приводимая производителями паропроницаемость является идеальной, максимально возможной, так как ее величина рассчитывается при идеальных условиях. Рабочая паропроницаемость диффузионной мембраны всегда меньше декларируемой (идеальной). Поэтому деление мембран на диффузионные и супердиффузионные является достаточно условным. Вообще сравнивать мембраны нужно по совокупности их характеристик. Производители мембран обычно не используют термин «супердиффузионная мембрана», а употребляют наименования «гидро-ветрозащитная мембрана», «паропроницаемая мембрана», «ветро-влагозащитная мембрана», «гидроизоляционный материал». На практике коэффициент паропроницаемости величиной 600г/м² в сутки считается вполне достаточным.

Коэффициент паропроницаемости Tyvek Soft 744г/м² в сутки, паропроницаемость Изоспан АМ — 850г/м² в сутки.

Коэффициент сопротивления диффузии водяного пара

Поскольку мембраны эксплуатируются в воздушной среде, логично сравнивать сопротивление диффузии водяного пара мембраны и слоя сухого воздуха. Для этой цели введен другой показатель паропроницаемости — коэффициент сопротивления диффузии водяного пара. Он показывает, во сколько раз мембрана сильнее сопротивляется диффузии через нее водяного пара чем слой сухого воздуха такой же толщины. Коэффициент сопротивления диффузии водяного пара — безразмерная величина, которую чаще всего обозначают буквой µ.

Эквивалентная толщина сопротивления диффузии водяного пара

Коэффициент сопротивления диффузии водяного пара достаточно информативный показатель, но не очень удобный на практике. Для практических расчетов удобнее использовать производный от коэффициент сопротивления диффузии водяного пара показатель эквивалентная толщина сопротивления диффузии водяного пара. Этот показатель паропроницаемости обычно обозначается Sd и рассчитывается как произведение коэффициента сопротивления диффузии водяного пара µ и толщины мембраны d:

Sd = µ • d

Единицей показателя Sd служит метр. Физический смысл этого показателя состоит в том, что он показывает, какому слою сухого воздуха эквивалентна мембрана по способности пропускать пар. Практическое удобство показателя состоит в том, что он удобен для расчета паропроницаемости многослойных строительных конструкция, к которым относится, в частности, утеплённая крыша или мансарда. Интегральная эквивалентная толщина диффузии равна сумме эквивалентных толщин составляющих ее слоёв:

Sd = Sd1 + Sd2 +…+ Sdn

Часто для краткости этот показатель обозначается как «Паропроницаемость, Sd».

Коэффициент сопротивления диффузии водяного пара мембраны Tyvek Soft равен 0,02м, для Изоспана АМ значение этого показателя паропроницаемости не приводится.

Сопротивление паропроницаемости

Другим показателем папроницаемости диффузионных мембран является сопротивление паропроницаемости. Этот показатель рассчитывается как разность парциального давления водяного пара у противоположных сторон диффузионной мембраны, при которой через мембрану площадью 1м² за промежуток времени в 1 час проходит 1мг водяного пара при условии, что температура воздуха по обеим сторонам мембраны одинакова. Единицей измерения этого показателя является м²•ч•Па/мг. Этот показатель паропроницаемости представляется логичным рассматривать как одной из основных характеристик пароизоляции, в частности пароизоляции кровли.

Сопротивление паропроницаемости мембраны Tyvek Soft составляет 0,09м²•ч•Па/мг, Изоспан АМ — 0,05м²•ч•Па/мг.

Коэффициент воздухопроницаемости строительных материалов таблица. Расчеты и пересчеты по паропроницаемостям ветрозащитных мембран. Оборудование для определения степени проницаемости

Паропроницаемость стен – избавляемся от вымыслов.

В данной статье мы постараемся дать ответ на следующие частые вопросы: что такое паропроницаемость и нужна ли пароизоляция при строительстве стен дома из пеноблоков или кирпича. Вот только несколько типичных вопросов, которые задают наши клиенты:

« Среди множества различных ответов на форумах прочитал я о возможности заполнения зазора между кладкой из поризованной керамики и облицовочным керамическим кирпичом обычным кладочным раствором. Не противоречит ли это правилу уменьшения паропроницаемости слоёв от внутренних к наружным, ведь паропроницаемость цементно-песчаного раствора более чем в 1,5 раза ниже, чем у керамики ? »

Или вот еще: « Здравствуйте. Имеется дом из газобетонных блоков, хотелось бы если не облицевать весь, то хотя бы украсить дом клинкерной плиткой, но в некоторых источниках пишут что нельзя прямо на стену — она должна дышать, как быть??? А то вот некоторые дают схему что можно…Вопрос: Как керамическая фасадная клинкерная плитка крепится к пеноблокам ?»

Для правильных ответов на такие вопросы нам необходимо разобраться в понятиях «Паропроницаемость» и «Сопротивление паропереносу».

Итак, паропроницаемость слоя материала — это способность пропускать или задерживать водяной пар в результате разности парциального давления водяного пара при одинаковом атмосферном давлении на обеих сторонах слоя материала, характеризуемая величиной коэффициента паропроницаемости или сопротивлением проницаемости при воздействии водяного пара. Единица измерения µ — расчетный коэффициент паропроницаемости материала слоя ограждающей конструкции мг / (м час Па). Коэффициенты для различных материалов можно посмотреть в таблице в СНИП II-3-79.

Коэффициент сопротивления диффузии водяного пара – это безразмерная величина, показывающая, во сколько раз чистый воздух более проницаем для пара, чем какой-либо материал. Сопротивление же диффузии определяют как произведение коэффициента диффузии материала на его толщину в метрах и имеет размерность в метрах. Сопротивление паропроницанию многослойной ограждающей конструкции, определяют по сумме сопротивлений паропроницанию составляющих ее слоев. Но в пункте 6.4. СНИП II-3-79 указано: «Не требуется определять сопротивление паропроницанию следующих ограждающих конструкций: а) однородных (однослойных) наружных стен помещений с сухим или нормальным режимом; б) двухслойных наружных стен помещений с сухим или нормальным режимом, если внутренний слой стены имеет сопротивление паропроницанию более 1,6 м2 ч Па/мг.». Кроме того, в а в том же СНИПе говорится:

«Сопротивление паропроницанию воздушных прослоек в ограждающих конструкциях следует принимать равным нулю независимо от расположения и толщины этих прослоек».

Так что же получается в случае многослойных конструкций? Для исключения накопления влаги в многослойной стене при движении пара изнутри помещения наружу каждый последующий слой должен обладать большей абсолютной паропроницаемостью, чем предыдущий. Именно абсолютной, т.е. суммарной, подсчитанной с учетом толщины определенного слоя. Поэтому говорить однозначно, что газобетон нельзя, к примеру, облицевать клинкерной плиткой, нельзя. В данном случае значение имеет толщина каждого слоя стеновой конструкции. Чем больше толщина, тем меньше абсолютная паропроницаемость. Чем выше значение произведения µ*d, тем менее паропроницаем соответствующий слой материала. Другими словами, для обеспечения паропроницаемости стеновой конструкции произведение µ*d должно увеличиваться от внешних (наружных) слоёв стены к внутренним.

К примеру, облицевать газосиликатные блоки толщиной 200 мм клинкерной плиткой толщиной 14 мм нельзя. При таком соотношении материалов и их толщин способность пропускать пары у отделочного материала будет на 70% меньше, чем у блоков. Если же толщина несущей стены будет 400 мм, а плитки по прежнему 14 мм, то ситуация будет противоположной и способность пропускать пары у плитки будет на 15% больше, чем у блоков.

Для грамотной оценки правильности устройства стеновой конструкции Вам понадобятся значения коэффициентов сопротивления диффузии µ, которые представлены в нижеследующей таблице:

Если для фасадной отделки используется керамическая плитка, то проблемы с паропроницаемостью не будет при любом разумном сочетании толщин каждого слоя стены. Коэффициент сопротивления диффузии µ у керамической плитки будет в диапазоне 9-12, что на порядок меньше, чем у клинкерной плитки. Для возникновения проблемы с паропроницаемостью стены облицованной керамической плиткой толщиной 20 мм, толщина несущей стены из газосиликатных блоков плотностью D500 должна быть менее 60 мм, что противоречит СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции» п.7.11 таблица №28, который устанавливает минимальную толщину несущей стены 250 мм.

Аналогичным образом решается вопрос о заполнении зазоров между различными слоями кладочных материалов. Для этого достаточно рассмотреть данную конструкцию стены, чтобы определит сопротивление паропереносу каждого слоя, включая и заполненный промежуток. Действительно, в многослойной конструкции стены каждый последующий слой по направлению из помещения на улицу должен быть более паропроницаем, чем предыдущий. Рассчитаем значение сопротивления диффузии водяного пара для каждого слоя стены. Это значение определяется по формуле: произведение толщины слоя d на коэффициент сопротивления диффузии µ. Например, 1-й слой — керамический блок. Для него выбираем значение коэффициента сопротивления диффузии 5, используя таблицу, приведенную выше. Произведение d х µ = 0,38 х 5= 1,9. 2-й слой — обычный кладочный раствор — имеет коэффициент сопротивления диффузии µ = 100. Произведение d х µ =0,01 х 100 = 1. Таким образом, второй слой — обычный кладочный раствор — имеет значение сопротивления диффузии меньше, чем первый, и не является паробарьером.

Учитывая вышесказанное давайте разберем предполагаемые варианты конструкции стен:

1. Несущая стена из KERAKAM Superthermo c облицовкой пустотелым клинкерным кирпичом FELDHAUS KLINKER.

Для упрощения расчетов примем, что произведение коэффициента сопротивления диффузии µ на толщину слоя материала d равно значению М. Тогда, М супертермо=0,38*6=2,28 метра, а М клинкера(пустотелый, формата NF)=0,115*70=8,05 метра. Поэтому при применении клинкерного кирпича необходим вентиляционный зазор:

В процессе стройки любой материал в первую очередь должен оцениваться по его эксплуатационно-техническим характеристикам. Решая задачу построить “дышащий” дом, что наиболее свойственно строениям из кирпича или дерева, или наоборот добиться максимальной сопротивляемости паропроницанию, необходимо знать и уметь оперировать табличными константами для получения расчетных показателей паропроницаемости строительных материалов.

Что такое паропроницаемость материалов

Паропроницаемость материалов – способность пропускать или задерживать водяной пар в результате разности парциального давления водяного пара на обеих сторонах материала при одинаковом атмосферном давлении. Паропроницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости или сопротивлением паропроницаемости и нормируется СНиПом II-3-79 (1998) «Строительная теплотехника», а именно главой 6 «Сопротивление паропроницанию ограждающих конструкций»

Таблица паропроницаемости строительных материалов

Таблица паропроницаемости представлена в СНиПе II-3-79 (1998) «Строительная теплотехника», приложении 3 «Теплотехнические показатели строительных материалов конструкций». Показатели паропроницаемости и теплопроводности наиболее распространенных материалов, используемых для строительства и утепления зданий представлены далее в таблице.

Таблица паропроницаемости строительных материалов

Согласно СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», приложение Т, таблица Т1 «Расчетные теплотехнические показатели строительных материалов и изделий» коэффициент паропроницаемость оцинкованного нащельника (мю, (мг/(м*ч*Па)) будет равна:

Вывод: внутренний оцинкованный нащельник (смотрим рисунок 1) в светопрозрачных конструкциях может устанавливаться без пароизоляции.

Для устройства пароизоляционного контура рекомендуется:

Пароизоляция мест крепления оцинкованного листа, это можно обеспечить мастикой

Пароизоляция мест стыковки оцинкованного листа

Пароизоляция мест стыковки элементов (оцинкованный лист и витражный ригель или стойка)

Обеспечить отсутствие паропропускания через крепежные элементы (полые заклепки)

Термины и определения

Паропроницаемость — способность материалов пропускать водяной пар через свою толщину.

Водяной пар — газообразное состояние воды.

Паропроницаемость — измеряется количеством водяного пара, проходящим через 1м2 площади, толщиной 1метр, в течении 1 часа, при разности давлений 1 Па. (согласно СНиПа 23-02-2003). Чем ниже паропроницаемость, тем лучше теплоизоляционный материал.

Коэффициент паропроницаемость (DIN 52615) (мю, (мг/(м*ч*Па)) это отношение паропроницаемости слоя воздуха толщиной 1 метр к паропроницаемости материала той же толщины

Паропроницаемость воздуха можно рассмотреть как константу, равную

0,625 (мг/(м*ч*Па)

Сопротивляемость слоя материала зависит от его толщины. Сопротивляемость слоя материала определяется путем деления толщины на коэффициент паропроницаемости. Измеряется в (м2*ч*Па) /мг

Согласно СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», приложение Т, таблица Т1 «Расчетные теплотехнические показатели строительных материалов и изделий» коэффициент паропроницаемость (мю, (мг/(м*ч*Па)) будет равна:

Сталь стержневая, арматурная (7850кг/м3), коэфф. паропроницаемости мю = 0;

Алюминий (2600) = 0; Медь (8500) = 0; Стекло оконное (2500) = 0; Чугун (7200) = 0;

Железобетон (2500) = 0,03; Раствор цементно-песчаный (1800) = 0,09;

Кирпичная кладка из пустотелого кирпича (керамический пустотный с плотностью 1400кг/м3 на цементном песчаном растворе) (1600) = 0,14;

Кирпичная кладка из пустотелого кирпича (керамический пустотный с плотностью 1300кг/м3 на цементном песчаном растворе) (1400) = 0,16;

Кирпичная кладка из сплошного кирпича (шлакового на цементном песчаном растворе) (1500) = 0,11;

Кирпичная кладка из сплошного кирпича (глиняного обыкновенного на цементном песчаном растворе) (1800) = 0,11;

Плиты из пенополистирола плотностью до 10 — 38 кг/м3 = 0,05;

Рубероид, пергамент, толь (600) = 0,001;

Сосна и ель поперек волокон (500) = 0,06

Сосна и ель вдоль волокон (500) = 0,32

Дуб поперек волокон (700) = 0,05

Дуб вдоль волокон (700) = 0,3

Фанера клееная (600) = 0,02

Песок для строительных работ (ГОСТ 8736) (1600) = 0,17

Минвата, каменная (25-50 кг/м3) = 0,37; Минвата, каменная (40-60 кг/м3) = 0,35

Минвата, каменная (140-175 кг/м3) = 0,32; Минвата, каменная (180 кг/м3) = 0,3

Гипсокартон 0,075; Бетон 0,03

Статья дана в ознакомительных целях

Чтобы создать в доме благоприятный для проживания климат, нужно учитывать свойства используемых материалов.Особое внимание стоит уделить паропроницаемости. Этим термином называется способность материалов пропускать пары. Благодаря знаниям о паропроницаемости можно правильно подобрать материалы для создания дома.

Оборудование для определения степени проницаемости

Профессиональные строители имеют специализированное оборудование, которое позволяет точно определить паропроницаемость определенного строительного материала. Для вычисления описываемого параметра применяется следующее оборудование:

• весы, погрешность которых является минимальной;
• сосуды и чаши, необходимые для проведения опытов;
• инструменты, позволяющие точно определить толщину слоев строительных материалов.

Благодаря таким инструментам точно определяется описываемая характеристика. Но данные о результатах опытов занесены в таблицы, поэтому во время создания проекта дома не обязательно определять паропроницаемость материалов.

Что нужно знать

Многие знакомы с мнением, что «дышащие» стены полезны для проживающих в доме. Высокими показателями паропроницаемости обладают следующие материалы:

• дерево;
• керамзит;
• ячеистый бетон.

Стоит отметить, что стены, сделанные из кирпича или бетона, также обладают паропроницаемостью, но этот показатель является более низким. Во время скопления в доме пара он выводится не только через вытяжку и окна, но еще и через стены. Именно поэтому многие считают, что в строениях из бетона и кирпича дышится «тяжело».

Но стоит отметить, что в современных домах большая часть пара уходит через окна и вытяжку. При этом через стены уходит всего лишь около 5 процентов пара. Важно знать о том, что в ветреную погоду из строения, выполненного из дышащих стройматериалов, быстрее уходит тепло. Именно поэтому во время строительства дома следует учитывать и другие факторы, влияющие на сохранение микроклимата в помещении.

Стоит помнить, что чем выше коэффициент паропроницаемости, тем больше стены вмещают в себя влаги. Морозостойкость стройматериала с высокой степенью проницаемости является низкой. При намокании разных стройматериалов показатель паропроницаемости может увеличиваться до 5 раз. Именно поэтому необходимо грамотно производить закрепление пароизоляционных материалов.

Влияние паропроницаемости на другие характеристики

Стоит отметить, что, если во время строительства не был установлен утеплитель, при сильном морозе в ветреную погоду тепло из комнат будет уходить достаточно быстро. Именно поэтому необходимо грамотно производить утепление стен.

При этом долговечность стен с высокой проницаемостью является более низкой. Это связано с тем, что при попадании пара в стройматериал влага начинает застывать под воздействием низкой температуры. Это приводит к постепенному разрушению стен. Именно поэтому при выборе стройматериала с высокой степенью проницаемости необходимо грамотно установить пароизоляционный и теплоизоляционный слой. Чтобы узнать паропроницаемость материалов стоит использовать таблицу, в которой указаны все значения.

Паропроницаемость и утепление стен

Во время утепления дома необходимо соблюдать правило, согласно которому паропрозрачность слоев должна увеличиваться по направлению наружу. Благодаря этому зимой не будет происходить накопление воды в слоях, если конденсат станет накапливаться в точке росы.

Утеплять стоит изнутри, хотя многие строители рекомендуют закреплять тепло- и пароизоляцию снаружи. Это объясняется тем, что пар проникает из помещения и при утеплении стен изнутри влага не будет попадать в стройматериал. Часто для внутреннего утепления дома применяется экструдированный пенополистирол. Коэффициент паропроницаемости такого строительного материала является низким.

Еще одним способом утепления является разделение слоев при помощи пароизолятора. Также можно применить материал, который не пропускает пар. В пример можно привести утепление стен пеностеклом. Несмотря на то, что кирпич способен впитывать влагу, пеностекло препятствует проникновению пара. В таком случае кирпичная стена будет служить аккумулятором влаги и во время скачков уровня влажности станет регулятором внутреннего климата помещений.

Стоит помнить, что если утеплить стены неправильно, стройматериалы могут потерять свои свойства уже через небольшой отрезок времени. Именно поэтому важно знать не только о качествах используемых компонентов, но еще и о технологии их закрепления на стенах дома.

От чего зависит выбор утеплителя

Часто владельцы домов для утепления используют минеральную вату. Данный материал отличается высокой степенью проницаемости. По международным стандартам сопротивления паропроницаемости равен 1. Это означает, что минеральная вата в этом отношении практически не отличается от воздуха.

Именно об этом многие производители минеральной ваты упоминают достаточно часто. Часто можно встретить упоминание о том, что при утеплении кирпичной стены минеральной ватой ее проницаемость не снизится. Это действительно так. Но стоит отметить, что ни один материал, из которого изготавливаются стены, не способен выводить такое количество пара, чтобы в помещениях сохранялся нормальный уровень влажности. Также важно учитывать, что многие отделочные материалы, которые используются при оформлении стен в комнатах, могут полностью изолировать пространство, не пропуская пар наружу. Из-за этого паропроницаемость стены значительно уменьшается. Именно поэтому минеральная вата незначительно влияет на обмен паром.

Понятие «дышащих стен» считается положительной характеристикой материалов, из которых они выполнены. Но мало кто задумывается о причинах, допускающих это дыхание. Материалы, способные пропускать как воздух, так и пар, являются паропроницающими.

Наглядный пример строительных материалов, обладающих высокой проницаемостью пара:

• древесина;
• керамзитовые плиты;
• пенобетон.

Бетонные или кирпичные стены менее проницаемы для пара, чем деревянные или керамзитовые.

Источники пара внутри помещения

Дыхание человека, приготовление пищи, водяной пар из ванной комнаты и многие другие источники пара при отсутствии вытяжного устройства создают высокий уровень влажности внутри помещения. Часто можно наблюдать образование испарины на оконных стеклах в зимнее время, или на холодных водопроводных трубах. Это примеры образования водяного пара внутри дома.

Что такое паропроницаемость

Правила проектирования и строительства дают следующее определение термина: паропроницаемость материалов — это способность пропускать насквозь капельки влаги, содержащиеся в воздухе, вследствие различных величин парциальных давлений пара с противоположных сторон при одинаковых значениях давления воздуха. Еще ее определяют, как плотность парового потока, проходящего сквозь определенную толщину материала.

Таблица, имеющая коэффициент паропроницаемости, составленная для строительных материалов, носит условный характер, т. к. заданные расчетные величины влажности и атмосферных условий не всегда соответствуют реальным условиям. Точка росы может быть рассчитана, на основании приблизительных данных.

Конструкция стен с учетом паропроницаемости

Даже если стены возведены из материала, имеющего высокую паропроницаемость, это не может являться гарантией, что он не превратится в воду в толще стены. Чтобы этого не произошло, нужно защитить материал от разности парциального давления паров изнутри и снаружи. Защита от образования парового конденсата производится при помощи плит ОСБ, утепляющих материалов типа пеноплекса и паронепроницаемых пленок или мембран, недопускающих проникновения пара в утеплитель.

Стены утепляют с тем расчетом, чтобы ближе к наружному краю располагался слой утеплителя, неспособный образовать конденсацию влаги, отодвигающий точку росы (образование воды). Параллельно с защитными слоями в кровельном пироге необходимо обеспечить правильный вентиляционный зазор.

Разрушительные действия пара

Если стеновой пирог имеет слабую способность поглощения пара, ему не грозит разрушение вследствие расширения влаги от мороза. Главное условие — не допустить накапливания влаги в толще стены, а обеспечить свободное ее прохождение и выветривание. Не менее важно устроить принудительную вытяжку лишней влаги и пара из помещения, подключить мощную вентиляционную систему. Соблюдая перечисленные условия, можно уберечь стены от растрескивания, и увеличить срок службы всего дома. Постоянное прохождение влаги сквозь строительные материалы ускоряет их разрушение.

Использование проводящих качеств

Учитывая особенности эксплуатации зданий, применяется следующий принцип утепления: снаружи располагаются наиболее паропроводящие утепляющие материалы. Благодаря такому расположению слоев уменьшается вероятность накапливания воды при снижении температуры на улице. Чтобы стены не намокали изнутри, внутренний слой утепляют материалом, имеющим низкую паропроницаемость, например, толстый слой экструдированного пенополистирола.

С успехом применяется противоположный метод использования паропроводящих эффектов строительных материалов. Он состоит в том, что кирпичную стену покрывают пароизолирующим слоем пеностекла, который прерывает движущийся поток пара из дома на улицу в период низких температур. Кирпич начинает аккумулировать влажность комнат, создавая приятный климат внутри помещения благодаря надежному паровому барьеру.

Соблюдение основного принципа при возведении стен

Стены должны отличаться минимальной способностью проводить пар и тепло, но одновременно быть теплоемкими и теплоустойчивыми. При использовании материала одного вида требуемых эффектов достичь невозможно. Внешняя стеновая часть обязана задерживать холодные массы и не допускать их воздействия на внутренние теплоемкие материалы, которые сохраняют комфортный тепловой режим внутри помещения.

Для внутреннего слоя идеально подходит армированный бетон, его теплоемкость, плотность и прочность имеют максимальные показатели. Бетон успешно сглаживает разность ночных и дневных температурных перепадов.

При проведении строительных работ составляют стеновые пироги с учетом основного принципа: паропроницаемость каждого слоя должна повышаться в направлении от внутренних слоев к наружным.

Правила расположения пароизолирующих слоев

При выполнении этого правила водяным парам, попавшим в теплый слой стены, не составит труда с ускорением выйти наружу через более пористые материалы.

При несоблюдении этого условия внутренние слои строительных материалов замокают и становятся более теплопроводными.

Знакомство с таблицей паропроницаемости материалов

При проектировании дома, учитываются характеристики строительного сырья. В Своде правил содержится таблица с информацией о том, какой коэффициент паропроницаемости имеют строительные материалы при условиях нормального атмосферного давления и среднего значения температуры воздуха.

Важное значение таблицы паропроницаемости материалов

Коэффициент паропроницаемости является важным параметром, который используется для расчета толщины слоя утеплительных материалов. От правильности полученных результатов зависит качество утепления всей конструкции.

Сергей Новожилов — эксперт по кровельным материалам с 9-летним опытом практической работы в области инженерных решений в строительстве.

расчетов проницаемости | Практическая наука о покрытиях

Расчеты проницаемости

Быстрый старт

Мое сердце замирает, если мне приходится делать расчеты проницаемости или пересчитывать единицы OTR или WVTR, или менять WVTR при одной температуре и% относительной влажности на другие. И я не один такой. Это приложение выполняет все три из этих задач и помогло многим из нас по-разному, потому что оно вносит некоторую разумность в совершенно запутанный беспорядок единиц, измерений и ошибок в литературе.

Каждый раз, когда я использую приложение спустя некоторое время вдали от него, я спрашиваю себя, может ли оно быть проще в использовании и понимании. Пока что я не нашел причин менять его, потому что логика есть, и она работает надежно, выявляя недоразумения в литературе и раз за разом приводя меня (и других) к правильному ответу.

Вас смущают расчеты проницаемости через барьерные пленки? Если это так, то вы не одиноки. Замечательная статья ¹ профессора Кукси и его коллег из Университета Клемсона показала, что многие люди в равной степени сбиты с толку, включая авторов учебников.

Отслеживая путаницу, можно было создать три четких рекомендации, которые здесь реализованы.

1. Будьте ясны, хотите ли вы знать TR , который Скорость передачи — это фактическое количество, которое проходит через единицу площади реального образца, или если вы хотите знать Проницаемость , P , то есть количество, которое пройдет через единицу площади единицы толщины.Другими словами, TR — это реальное количество, которое зависит как от свойств материала, так и от их индивидуальных свойств. Толщина , L , а P — внутреннее свойство каждого материала. Между прочим, в документе указывается, что сказать «коэффициент проницаемости» — это то же самое, что сказать «скорость потока».
2. Четко укажите, какие единицы вы используете. Проходимость — это кошмар единиц. В этом приложении мы скрытно избегаем этой проблемы, поэтому вам будет легче сосредоточиться на расчетах.Но для вашего удобства ниже приводится полностью обобщенный конвертер единиц.
3. Используйте следующие формулы в этом конкретном формате, чтобы избежать путаницы и каждый раз получать правильный ответ.

Для расчета общей скорости передачи на основе индивидуальных известных значений TR (то есть каждый слой с заданной толщиной имеет TR, известный вам экспериментально).

Чтобы рассчитать общую скорость передачи по индивидуально известным значениям P (т.е.е. экспериментальные или литературные свойства каждого материала) с известной толщиной L каждого слоя.

Для расчета общей проницаемости (то есть нормированной на стандартную толщину) из отдельно известных значений P (т.е. экспериментальных или литературных характеристик каждого материала) с известной толщиной L каждого слоя и общей толщиной L _T барьера.

Чтобы рассчитать общую проницаемость (то есть нормированную на стандартную толщину) по индивидуально известным значениям TR (т.е.е. каждый слой при заданной толщине имеет TR, известный вам экспериментально) вместе с известной общей толщиной L _T барьера.

В таблице можно выбрать до 6 слоев, каждый с заданной толщиной. в любых единицах, которые вам нравятся, например mil или мкм . Затем вы можете ввести P и получить TR для этой толщины или в последних двух столбцах ввести TR и получить P. Затем P _T и TR _T рассчитываются для каждого режима.Ответы не обязательно совпадают, поскольку первичные входные данные (P и TR) различны.

Есть еще одна сложность. TR может быть измерен, скажем, при 20% кислорода или 50% относительной влажности, и в этом случае расчетные значения P (которые нормированы на 100% газа) будут 1/5 или 1/2 от их истинных значений. Таким образом, вам нужно ввести% TR, тестовое значение, чтобы получить правильный TR от P или правильный P от TR.

Расчеты работают только в том случае, если единицы толщины для P такие же, как единицы, выбранные для толщины.Если ваши единицы измерения P дают такие значения, как 3,2e ^-14 , просто введите 3,2 и примите e ^-14 . Если бы для P было всего одна или две единицы, приложение справилось бы с ними, но их так много, с такими причудливыми смесями американских и метрических систем, что не стоит пытаться.

Чтобы просмотреть таблицу типичных значений P, щелкните: P. По состоянию на апрель 2020 года внизу этой страницы есть бонусная таблица значений.

Преобразование TR в P или P в TR, в нескольких слоях

Преобразование единиц проницаемости

Проницаемость — это масса * длина / [площадь * время * давление], хотя, как ни странно, полученная единица — время — i.е. единица измерения — просто «секунды» (для развлечения всегда указывается значение в секундах — это своего рода универсальный стандарт). Проблема в том, что каждый выбирает разные значения массы, длины, площади, времени и давления, что приводит к тысячам потенциальных единиц (в настоящее время приложение может конвертировать между 3360 различными единицами). Вместо того, чтобы пытаться перечислить все возможные единицы, выберите один из общих вариантов каждой единицы, и конвертер выполнит соответствующий расчет. Нет никаких ограничений — если вы хотите смешивать американские и метрические единицы (что на удивление довольно распространенное, хотя и странное занятие), конвертер не будет возражать.Тем, кому в качестве единицы массы требуется см³ (мл), потребуется МВт газа: 2 для водорода, 18 для воды, 28 для азота, 32 для кислорода. Для тех, кто имеет значения в Barrers, единицы измерения: см³.см / см².с / мм рт.ст. плюс коэффициент 10 ^-11 .

В качестве бонуса, если вы укажете толщину в исходных единицах From, проницаемость (или TR) будет рассчитана в исходных единицах и в единицах To.

Примечание: до 22 марта 2018 года при преобразовании г воды в кубический см пара была ошибка 324 слишком большая.Спасибо Стиву Роузу, который заметил это и сообщил об этом! Затем Себастьян Госель указал 11 января 2019 года, что конверсия для кислорода и воды была произведена на STP (то есть 0 ° C), а не на NTP (25 ° C), что более широко применимо. Если вы выполнили предыдущие расчеты, они будут отличаться в 22,4 / 24 или 24 / 22,4 раза.

Затем спасибо Питеру Паломаки за указание 10 апреля 2020 года на то, что у меня была ошибка (теперь исправленная) при расчете преобразования толщины и TR.

В разных отраслях промышленности используются разные «рационализации» единиц.Например, некоторые видят, что такие единицы, как гм / м².с.атм, можно упростить, разделив верхнюю и нижнюю на м, что даст г / м.с.атм. Это правильно, но совершенно сбивает с толку, потому что единицы больше не имеют интуитивного смысла. Хуже того, те, кому нравятся единицы измерения давления в МПа, отмечают, что МПа = МН / м², и эти м² сокращаются, давая единицы г.м / МН.с. Хотя это «правильно», это совершенно сбивает с толку. Как уже упоминалось, фактическая единица измерения — секунды, и если бы люди процитировали это (здесь это доказано) в качестве дополнительной проверки работоспособности, жизнь была бы намного проще.

Чтобы преобразовать TR, просто убедитесь, что единицы длины и единицы давления соответственно совпадают (не имеет значения, какие они есть), чтобы они уравновешивались. Типичным преобразованием будет г / (м².день) в г / (100 кв.дюймов в день), подразумевая «на атмосферу».

WVTR / MVTR при различных T и% относительной влажности

С водой есть неприятные осложнения. WVTR обычно указывается как вес / (площадь.время), например г / м².день без привязки к давлению.Таким образом, невозможно выполнить приведенные выше расчеты без знания составляющей давления. Нет элегантного способа сделать это, поэтому сделайте следующее.

Введите WVTR в выбранных вами единицах, температуре и относительной влажности теста (обычно 38 ° C и 90% относительной влажности). Выходы представляют собой значения TR в ваших исходных единицах плюс соответствующие единицы давления атм, мм / рт.ст., МПа.

Также есть дополнительная строка для ввода различных T и% RH, чтобы вы могли оценить, каким будет WVTR при этих настройках.Это полезно для сравнения различных заявленных значений в литературе. Является ли WVTR 20 при 38/90% намного лучше или хуже, чем значение 5 при 23/50%? Конечно, эффекты водяного пара не всегда линейны между разными тестами (более высокие T и RH могут вызвать дополнительные эффекты), но это, по крайней мере, отправная точка для сравнения.

В апреле 2020 года Патрик Галлер указал мне, что эти расчеты не учитывают изменение проницаемости с температурой самого полимера.Он также упомянул, что если вы знаете энергию активации диффузии полимера E _A , вы можете рассчитать эффект с помощью exp (E _A / RT). У меня нет значений E _A для типичных полимеров, которые можно было бы включить в это приложение. Однако, если вы зайдете в мое приложение «Коэффициенты диффузии» на моем веб-сайте «Практическая растворимость», вы сможете найти оценки того, как коэффициент диффузии изменяется с температурой для ряда распространенных полимеров. Просто умножьте значение, полученное в приложении, на соотношение, полученное в этом приложении, чтобы получить более точную оценку.Он также указал, что я случайно возьму в квадрат эффект нового RH. Это было исправлено.

Для тех, кто хочет увидеть взаимодействие температур T, RH, абсолютной влажности и т. Д., Приложение Water Vapor — удобный инструмент.

Бонусный стол

Существует отличное руководство по науке об OTR и WVTR, выпущенное для национальной безопасности Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией, «Проницаемость водяного пара в пластмассах» Полом Келлером и Ричардом Кузесом.Интересно, что руководство цитирует этот сайт для тех, кто запутается в единицах измерения. С любезного разрешения авторов, вот подборка данных, которые они кропотливо собрали. Обратите внимание на широкий разброс в сообщаемых значениях, который, как комментируют авторы, может быть вызван также вариациями температуры измерения (мой комментарий), а также сложностями и ошибками, типичными для этих измерений.

Конвертер проницаемости, проницаемости, паропроницаемости • Гидравлика — жидкости • Компактный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Сухой объем и общие измерения при варке КонвертерЛинейный конвертер скорости и скоростиКонвертер углаКонвертер топливной экономичности, расхода топлива и экономии топливаКонвертер чиселПреобразователь единиц информации и хранения данныхКурсы валютЖенская одежда и размеры обувиМужская одежда и размеры обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускорения Конвертер удельной силы вращения Конвертер удельной энергии, теплоты сгорания (на массу) Конвертер удельной энергии, теплоты сгорания (на объем e) Конвертер Температурный интервал КонвертерКонвертер температурного расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер теплопроводностиКонвертер удельной теплоемкостиКонвертер плотности тепла, плотности пожарной нагрузкиКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициентов теплопередачиКонвертер абсолютного абсолютного расхода Конвертер вязкостиПреобразователь поверхностного натяженияКонвертер проницаемости, проницаемости, проницаемости водяного параКонвертер скорости передачи водяных паровКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофонаКонвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияПреобразователь яркостиКонвертер световой интенсивностиКонвертер яркостиЦифровой преобразователь разрешения изображения в оптическую плотность (оптическая длина волны) Конвертер оптической частоты и длины волны Мощность (диоптрия) к Магнифи Конвертер катиона (X )Преобразователь электрического зарядаЛинейный преобразователь плотности зарядаПреобразователь поверхностной плотности зарядаПреобразователь уровня объёмного зарядаПреобразователь электрического токаЛинейный преобразователь плотности токаПреобразователь плотности поверхностного токаПреобразователь напряженности электрического поляПреобразователь электрического потенциала и напряженияПреобразователь электрического сопротивленияПреобразователь электрического сопротивленияПреобразователь электрической проводимости дБм, дБВ, ватт и другие единицыПреобразователь магнитодвижущей силыПреобразователь напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаПреобразователь плотности магнитного потокаМощность поглощенной дозы излучения, Конвертер мощности суммарной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность.Преобразователь радиоактивного распада Преобразователь радиационного облученияРадиация. Конвертер поглощенной дозы Конвертер метрических префиксов Конвертер передачи данных Конвертер единиц типографии и цифровой обработки проницаемость — это связанные понятия, которые мы обсуждаем в этой статье. Проникновение просто относится к процессу проникновения или просачивания вещества через материал. Эти вещества представляют собой жидкости, газы или пары, а материалы, в которые они входят, обычно твердые. Проницаемость указывает степень, с которой другое вещество может проникать в данный материал, обычно измеряется для определенных условий, таких как давление, время и температура. Проницаемость тесно связана с проницаемостью, но это относится к степени проникновения жидкости или газа в конкретный объект заданной толщины.

Основное различие между проницаемостью и проницаемостью состоит в том, что в то время как оба измеряют скорость проникновения жидкости, газа или пара в данный материал, проницаемость — это свойство твердого материала, позволяющее проходить жидкости или газу, в то время как проницаемость является индикатор того, сколько жидкости или газа пронизывает данный материал заданной толщины. Таким образом, проницаемость — это свойство конкретной мембраны или барьера с заданной толщиной, а проницаемость — это свойство материала, из которого сделана мембрана или барьер.

Барьеры в строительстве

В строительстве необходимо изолировать внутреннюю часть дома от элементов, включая воду, снег и водяной пар. Это сделано для комфорта и сохранения предметов внутри дома, которые не устойчивы к воде и влажности, например, электроники и мебели. Кроме того, в современных зданиях изоляция, которая для правильного функционирования должна быть сухой, часто устанавливается внутри стен. Для защиты этой изоляции крайне важно не допускать попадания влажного воздуха или воды из комнат или извне в пространство внутри стен.Для достижения этой низкой проницаемости используются мембраны и пароизоляции .

Гидроизоляция часто выполняется с помощью пластмасс, но это также могут быть краски, фанера, фольга и другие материалы. Мембраны и барьеры могут быть полностью непроницаемыми или могут иметь некоторую степень проницаемости, в зависимости от предполагаемого использования. Они могут либо герметизировать внешнюю поверхность стены, либо окружать изоляционный материал внутри стены.

In Hydrocarbon Development

Проницаемость геологических структур является важным свойством для разработки углеводородов — нефть и газ .Углеводороды образуются в течение длительного периода времени под воздействием высокой температуры и давления из органических остатков растений и животных. Формирование начинается, когда эти остатки накапливаются на дне водоема, например, на морском дне. Со временем они постепенно погружаются глубже, температура и давление повышаются, и образуются углеводороды. Геологические структуры, содержащие нефть и газ, особенно порода над нефтяными или газовыми образованиями, играют важную роль в том, чтобы позволить углеводородам свободно течь вверх или улавливать их, в зависимости от двух свойств породы: ее пористости и проницаемости.

Камень в верхней половине рисунка очень пористый и заполнен маслом, как показано черным цветом. Нижняя порода имеет низкую пористость, хотя в ней все еще хранится некоторое количество нефти.

Пористость

Для образования нефтяного или газового коллектора необходимо несколько условий. Во-первых, порода коллектора , в которой содержатся углеводороды, должна быть пористой, достаточно, чтобы позволить углеводородам проникать внутрь. Это означает, что в породе есть небольшие капилляры или полости, и из-за них значительная часть общего объема породы пуста.Можно сказать, что эта порода имеет высокую пористость . На иллюстрации верхняя порода очень пористая, а пустые пространства заполнены нефтью, показанной черным цветом. Нижняя порода не очень пористая, поэтому в ней очень мало нефти. Важно отметить, что порода-коллектор не обязательно является нефтематеринской породой , в которой углеводород был первоначально образован из органических компонентов. Возможно, что нефть и газ в какой-то момент переместились из материнской породы в коллектор, особенно если нефтематеринская порода очень проницаема.

Проницаемость

Обе породы, показанные коричневым цветом, имеют внутри поры и карманы, заполненные нефтью (черным цветом). Поры в первой породе взаимосвязаны, и нефть может свободно перемещаться в породу и выходить из нее. Мы говорим, что эта порода имеет высокую проницаемость. Полости во второй породе не связаны, что указывает на очень низкую проницаемость этой породы. Нефть и другие вещества не могут течь через эту породу.

Если углеводороды могут легко входить и выходить из материнской породы и свободно течь вверх через геологическую структуру, они будут улетучиваться и разливаться вместо того, чтобы храниться, и было бы очень трудно или даже невозможно их добыть.Следовательно, должно быть уплотнение, которое предотвращает утечку углеводородов, что-то, что заставляет их оставаться на месте. Это может быть механизм внутри породы-коллектора или внешний слой вокруг породы-коллектора, известный как уплотняющая порода , который блокирует восходящее движение нефти и газа. В любом случае порода, препятствующая перемещению нефти и газа, должна иметь низкую проницаемость. Это означало бы, что либо силы внутри породы препятствуют свободному течению нефти или газа в породу и из нее, либо поры и полости породы плохо связаны между собой.Поры первой породы на иллюстрации хорошо взаимосвязаны, а порода имеет высокую проницаемость, при этом нефть (показана черным) свободно течет внутрь и выходит из нее. Полости второй породы не соединены между собой, что обеспечивает очень низкую проницаемость породы. Нефть в этой породе задерживается. Такая установка создает жесткую «губку», которая собирает внутри себя углеводороды. Если эта «губка» проницаема, то она имеет герметичное уплотнение для жидкости и газа для предотвращения восходящего потока.

Герметичная порода должна иметь низкую проницаемость для предотвращения просачивания углеводородов через эту породу.Механизм, который предотвращает утечку нефти и газа, также может представлять собой комбинацию герметичной породы и породы-коллектора с низкой проницаемостью. Часто под углеводородами находится вода, которая не дает им двигаться вниз.

Нефть, показанная черным (B), и газ серым (C), улавливаются изолирующими породами (A и E). Под газом находится слой воды (D). Верхняя ловушка образована складками, а нижняя — результатом разломов.

Эта установка называется ловушкой .Это показано на рисунке. Ловушки могут образовываться во время тектонических процессов, таких как смещение трещиноватой породы, известное как разлом (нижняя ловушка на иллюстрации) или искривление породы, известное как складчатость (верхняя ловушка на иллюстрации). Нефть и газ остаются в ловушке до тех пор, пока выполняются указанные выше условия низкой проницаемости. Как правило, эти ловушки встречаются в осадочной породе , созданной из органических и неорганических материалов, опускающихся на дно водоема.Некоторые ученые также считают, что ловушки образуются из-за переменного давления воды, хотя некоторые оспаривают эту теорию. Нефть и газ в двух ловушках на иллюстрации показаны черным (B) и серым (C) цветом соответственно. A и E — скалы тюленя.

Низкая проницаемость породы-коллектора

Когда порода-коллектор сама по себе действует как уплотнение, она должна иметь низкую проницаемость при сохранении высокой пористости, чтобы оставлять место для хранения нефти или газа. Его капилляры сконфигурированы таким образом, что сила, толкающая углеводороды вверх, уравновешивается капиллярной силой, которая предотвращает утечку углеводородов.Другая возможность состоит в том, что полости не связаны между собой, как мы описали ранее, и не пропускают ничего внутрь или наружу. В этом случае, чтобы получить нефть из этой породы, необходимо изменить структуру породы и открыть проходы между этими полостями.

Примером знакомого и легко вообразимого вещества с низкой пористостью и высокой проницаемостью является мука. Если мы не смешаем ее с маслом или другой жидкостью и не изменим при этом конфигурацию полостей между частицами муки, мука не будет накапливать эту жидкость, даже если между частицами достаточно места.Как только мы смешаем муку с водой, жидкость останется внутри и не вытечет. Примером породы-коллектора с аналогичными свойствами (высокой пористостью и низкой проницаемостью) является сланец , сланец . Это осадочная порода, в структуре которой есть частицы глины.

Проблема с такими материалами, как мука или сланец, заключается в том, что жидкости очень трудно попасть в пространство между частицами материала, поэтому, если углеводороды не образуются внутри этих пространств до или во время образования самой породы, или если Материал с высокой пористостью и низкой проницаемостью каким-то образом смешивается с углеводородами (например, если нефть смешивается с песком), нефть и газ не могут легко попасть внутрь такого материала и храниться внутри этого материала.Когда образуется сланец, как органические, так и неорганические частицы откладываются на дне водоема, и образование нефти и газа начинается и продолжается после образования сланца. Вот как углеводороды попадают внутрь материалов с низкой проницаемостью, и, оседая в структуре сланца и освобождая место для себя, они обеспечивают пористость этого материала.

Разработка породы коллектора с низкой проницаемостью является сложной задачей, поскольку извлечение жидкости из материала с низкой проницаемостью является проблемой, поскольку капилляры и полости плохо связаны, и жидкость не течет свободно внутри структуры.Приведенные ниже специальные методы увеличения проницаемости применяются для решения этой проблемы.

Добыча углеводородов

Для добычи нефти и газа пробурена скважина, достаточная для достижения ловушки. Затем его обсаживают и цементируют для усиления. Нефть и газ не всегда равномерно распределяются по скважине, поэтому обсадная труба скважины перфорируется в области залежей нефти или газа. В ловушке может быть достаточно давления, чтобы вытолкнуть углеводороды в скважину — в этом случае они собираются на поверхности.Однако этот тип экстракции встречается редко. Чаще всего давление недостаточное, и его необходимо контролировать искусственно. Нефть и газ могут подниматься путем откачки или вытесняться другими материалами, такими как вода, которая закачивается в ловушку искусственно. При добыче нефти в скважину можно закачивать природный газ вместо воды.

Нефть и газ добываются через скважины (показаны красным). Когда вертикальные скважины неэффективны, можно пробурить горизонтальные скважины для увеличения добычи.Когда этого недостаточно, проницаемость породы-коллектора искусственно повышается путем ее растрескивания в процессе, известном как гидравлический разрыв пласта или гидроразрыв пласта.

Исторически скважины бурятся вертикально в землю. В последнее время горизонтальные «ответвления» также пробуриваются в областях, где сосредоточены нефть или газ, но порода-коллектор имеет низкую проницаемость. На иллюстрации показана такая горизонтальная скважина. Здесь пластовая порода имеет очень низкую проницаемость, что делает необходимым использование альтернативных способов добычи.

Для увеличения добычи из низкопроницаемой породы-коллектора, эту проницаемость можно также увеличить механически. Один из способов сделать это — расколоть породу коллектора и «подпереть» эти трещины, чтобы позволить нефти или газу свободно вытекать из породы. Гидравлический разрыв пласта , также иногда называемый гидроразрывом , делает именно это. Вы можете увидеть это на иллюстрациях, а крупный план показывает более подробную информацию о том, как могут выглядеть эти переломы (выделены красным).

Крупный план гидроразрыва пласта или гидроразрыва пласта.Смесь жидкости и проппанта, такого как песок, взрывает трещины в породе и позволяет газу или нефти свободно вытекать из соседних полостей.

Во время гидроразрыва пласта жидкость, смешанная с песком или керамическими частицами, закачивается в скважину под давлением, достаточным для растрескивания породы. Песок и частицы, называемые проппантами , удерживают трещины «открытыми», когда жидкость уходит. Жидкость часто бывает более вязкой, чем вода, поэтому проппанты взвешиваются в ней и равномерно распределяются по трещинам.

Гидравлический разрыв пласта может быть использован в новых скважинах, но его также можно использовать для заброшенных скважин и месторождений для их дальнейшей разработки. Экологи отмечают ряд проблем с этим методом, включая отходы производства и загрязнение грунтовых вод, почвы и окружающего воздуха. Они представляют опасность для окружающей среды и здоровья. Несмотря на эти опасения, в настоящее время используется технология гидравлического разрыва пласта, поскольку она значительно увеличивает общее количество потенциальных нефти и газа, добываемых из данной области низкопроницаемой породы-коллектора.

В медицине и средствах индивидуальной защиты

В медицине часто необходимо блокировать или ограничивать количество пара или жидкости, которые контактируют с лекарством, потому что такое воздействие может сделать его менее эффективным. Воздействие на кожу и органы человека, особенно контакт между открытыми ранами и жидкостью или паром, может способствовать передаче, заражению и росту бактерий и вирусов. Чтобы повысить безопасность и эффективность лекарств, медицинских процедур и медицинского обслуживания в целом, для изготовления контейнеров для хранения лекарств используются материалы с низкой проницаемостью.Они также используются для изготовления защитной ленты, перчаток, барьеров и другого медицинского защитного оборудования. Может потребоваться некоторая проницаемость, например, маски для лица должны пропускать воздух для дыхания.

Проницаемость — важный фактор усвоения лекарств организмом. В некоторых случаях проницаемость мембран в организме человека анализируется, чтобы определить ограничения в абсорбции лекарств организмом. Для устранения этих ограничений свойства препаратов корректируются. Некоторые лекарства и диагностические вещества нацелены на центральную нервную систему и должны проникать через защитную систему организма, гематоэнцефалический барьер, который защищает мозг от потенциальной инфекции.Проницаемость этого барьера контролируется нашим телом с помощью комбинации механических и биохимических средств. Этот барьер имеет низкую проницаемость, и лекарства должны проникать через него. Эта проблема часто представляет собой очень серьезную проблему для фармацевтических компаний, которые разрабатывают лекарства для воздействия на определенные области центральной нервной системы, включая области мозга, например, при диагностике и лечении опухолей головного мозга. Нанотехнологии в настоящее время рассматриваются как потенциальная технология для решения этой проблемы.К некоторым лекарствам предъявляется противоположное требование — они не должны проникать через гематоэнцефалический барьер.

Проницаемость гематоэнцефалического барьера обычно определяется организмом человека на основании текущих процессов в организме и необходимости защиты мозга от инфекции, но в некоторых случаях травмы и заболевания могут ослабить этот барьер, увеличивая риск инфекции. Возможно и обратное — болезнь может снизить проницаемость гематоэнцефалического барьера, что, в свою очередь, будет препятствовать попаданию некоторых жизненно важных веществ, таких как глюкоза, в центральную нервную систему в количествах, необходимых организму.

Кожа — это барьер с низкой проницаемостью, используемый защитной системой организма.

Кожа — еще один барьер с низкой проницаемостью, используемый системой защиты организма. Однако он пропускает определенные вещества, и это позволяет нам проводить локализованное лечение, помещая лекарства на кожу вокруг обрабатываемой области. Другие преимущества лекарства, всасываемого через кожу, включают медленное всасывание, которое в некоторых ситуациях может быть полезным либо для удобства, либо для обеспечения того, чтобы пациенту было легче придерживаться графика приема лекарств.Например, смена пластыря на коже один раз в неделю может быть проще, чем ежедневный прием лекарства. Всасывание лекарства через кожу обходит желудочно-кишечный тракт и направляет лекарство непосредственно в кровь — это еще одно преимущество, особенно если существует вероятность того, что лекарство может расщепляться и стать неэффективным в процессе пищеварения.

Важно знать проницаемость кожи, чтобы лекарство могло проникнуть в нее, например, при использовании кожных пластырей.Знание проницаемости кожи также полезно при работе с опасными веществами, которые могут попасть в организм через кожу. В некоторых случаях необходимо защитить кожу и искусственно снизить ее проницаемость, чтобы не допустить поглощения организмом вредных химических веществ. При работе с такими веществами могут потребоваться средства индивидуальной защиты, такие как перчатки, сделанные из материалов с низкой проницаемостью.

Фильтры

Проницаемость — важное свойство фильтров.Фильтры с более высокой проницаемостью обычно пропускают более крупные частицы, поэтому чем ниже проницаемость, тем меньшие частицы могут пройти через фильтр. Фильтры широко используются в промышленности и быту. Управление отходами — один из примеров использования фильтров.

Дом отдыха с выгребной ямой

Фильтры в очистных сооружениях

Утилизация отходов является постоянной проблемой вблизи населенных пунктов. С давних времен люди собирали отходы и хранили их в резервуарах, известных как выгребных ямах , которые являются предшественниками септиков .Раньше выгребные ямы делались из проницаемых материалов и позволяли небольшому количеству жидкости из отходов просачиваться в землю и удерживать остальные отходы. Позже выгребные ямы были построены из материалов с меньшей проницаемостью и спроектированы так, чтобы удерживать большую часть отходов, чтобы минимизировать загрязнение окружающей среды. Сливные ямы нужно опорожнять, когда они наполняются. Оба они по-прежнему используются в сельских районах, а также в развивающихся странах, которые не имеют хорошо налаженной инфраструктуры управления отходами, хотя многие юрисдикции постепенно отказываются от выгребных ям из-за экологических проблем.

Септики фильтруют и перерабатывают отходы, выбрасывая их в окружающую среду. Они фильтруют отходы через песочные фильтры, а оставшиеся твердые отходы частично разрушаются бактериями, а затем попадают в окружающую среду. Некоторые отходы остаются в резервуаре и позже удаляются во время очистки, в противном случае резервуар забивается и становится непригодным для использования.

Сброс человеческих отходов в окружающую среду без обработки или с минимальной обработкой проблематичен из-за загрязнения водных путей и земли, а также из-за возможности создания питательных сред для бактерий.По мере того как население становилось более плотным, а промышленность развивалась, количество отходов быстро увеличивалось, что сделало выгребные ямы неэффективными для решения этих проблем. Водные пути вокруг больших городов стали загрязненными, что привело к распространению болезни и запаха. Ситуация в Лондоне необычно теплым летом 1858 года стала настолько серьезной, что запах нарушил работу общественных судов и Палаты общин. Этим летом был известен как «Великая вонь» . Для решения этих проблем были разработаны системы удаления сточных вод и обращения с отходами.

Современные предприятия по обращению с отходами собирают жидкие отходы по сети подземных трубопроводов или каналов и доставляют их на предприятие по переработке. Там жидкость оседает и затем фильтруется через несколько фильтров с разной проницаемостью. Исходный фильтр имеет очень высокую проницаемость, по сути, он отфильтровывает только крупные объекты, такие как мусор, листья и ветки. Дополнительные фильтры удаляют другие элементы, а отходы также обрабатываются бактериями для разложения органических компонентов.Иногда его также можно обработать химическим путем. В конечном итоге остаются твердые, а иногда и высушенные отходы, а также вода в относительно чистом состоянии. Вода возвращается в окружающую среду, а твердые отходы, также называемые шламом, сжигаются, используются в качестве удобрений или сбрасываются в специально отведенных для этого местах.

Лабораторное оборудование обратного осмоса

Мембранная технология

Мембранная технология также использует фильтры для разделения веществ, обычно газов и жидкостей.Иногда он используется при обработке жидких отходов, а также в медицине для искусственной очистки и фильтрации жидкостей организма, таких как кровь. Например, искусственные легкие и почки используют мембранную фильтрацию.

Проницаемость мембран варьируется в зависимости от размера частиц вещества, которое необходимо отделить. Фильтрация обычно делится на обратного осмоса , что является наивысшей степенью фильтрации; нанофильтрация , которая фильтрует вирусы и другие элементы аналогичного размера и используется для умягчения воды; микрофильтрация , которая может фильтровать бактерии, некоторые эритроциты и некоторые дрожжи, и используется при холодной стерилизации для сохранения вкуса пищевых продуктов и лечебных свойств фармацевтических препаратов, для очистки нефти и обработки молока, среди прочего; и фильтрация частиц , которая фильтрует более крупные эритроциты, волосы, дрожжи, пыльцу и песок среди других материалов.

Обратный осмос часто используется для фильтрации и очистки воды для питья и других целей, для концентрирования таких веществ, как соки и молоко, и во многих других областях. Основным принципом этого является фильтрация под давлением в определенных термодинамических условиях. Следовательно, проницаемость — не единственное свойство, влияющее на фильтрацию. Он называется «обратным», потому что он противоположен естественному процессу, осмосу, когда раствор перемещается из областей с низкой концентрацией в области с высокой концентрацией.Давление заставляет жидкость перемещаться через мембрану в обратном направлении при обратном осмосе, и мембрана останавливает концентрацию частиц в растворе.

Список литературы

Эту статью написала Екатерина Юрий

У вас возникли трудности с переводом единицы измерения на другой язык? Помощь доступна! Задайте свой вопрос в TCTerms , и вы получите ответ от опытных технических переводчиков в считанные минуты.

Правда о паропроницаемости в условиях высокой влажности

Высококачественный атмосферный барьер премиум-класса выполняет четыре важных и важных функции: сопротивление воздуху, водонепроницаемость, долговечность во время строительства и необходимый уровень паропроницаемости.

Паропроницаемость, вероятно, наиболее игнорируется и наименее изучена из четырех. Тем не менее, это может иметь наибольшее влияние на работу стенной системы.

Почему имеет значение паропроницаемость

Во время укладки или после укладки облицовки внутренняя часть стен намокает. А если система стен не высыхает, она становится уязвимой для влаги и плесени.

Вот почему паропроницаемость или воздухопроницаемость является ключевым преимуществом погодных барьеров DuPont ™ Tyvek®.Тайвек® сочетает в себе правильный баланс воздухо- и водонепроницаемости и паропроницаемости. Таким образом, когда вода все-таки попадает в стенную систему, Tyvek® WRB спроектирован так, чтобы она могла улетучиваться в виде паров влаги.

Понимание паропроницаемости

Часто называемая воздухопроницаемостью, паропроницаемость описывает способность материала пропускать водяной пар через него. В отличие от объемного удержания воды, которое относится к воде в ее жидкой форме, паропроницаемость касается воды в ее газовой форме.

Действующие строительные нормы и правила требуют, чтобы минимальная проницаемость составляла около 5 перм. Ученые-строители DuPont считают, что этот порог слишком низок для обеспечения стабильной работы, и рекомендуют атмосферостойкие барьеры от умеренной до высокой паропроницаемости, такие как Tyvek® WRB.

Измерение проницаемости

Измерение скорости пропускания паров влаги (MVTR) рассчитывается в соответствии с протоколом испытаний ASTM E96. Этот тест показывает, сколько влаги может пройти через барьер за 24 часа.

Поскольку на это измерение влияет давление пара, необходимо отрегулировать давление пара в образце, чтобы определить паропроницаемость (MVP). ASTM E96 используется для присвоения материалам относительной оценки, которая показывает, насколько каждый из них устойчив к пропусканию паров влаги.

Реальная производительность

Летом 2002 года компания DuPont провела полевой эксперимент в Северной Каролине во время самой сильной засухи за последние десятилетия. К одной и той же стеновой конструкции случайным образом были применены две разные обертки здания.Один с паропроницаемостью 58 проницаемостей, другой 6,7 проницаемости.

Стену оклеивали 3-4 недели и за это время оставили в каркасной стадии строительства. По прошествии 3-4 недель, где бы ни была установлена ​​пленка с низкой паропроницаемостью, можно было четко увидеть накопление влаги и повышенный уровень влажности. Многие области достигли или превысили уровни насыщения для обшивки, и невооруженным глазом было видно нарушение влажности.

Напротив, везде, где была установлена ​​обертка с высокой проницаемостью, было обнаружено, что оболочка оставалась неизменно чистой и сухой, независимо от местоположения или ориентации.

Моделирование влажности

Чтобы лучше понять наблюдения в лаборатории и в полевых условиях, DuPont выполнила моделирование влажности, используя всемирно признанную модель WUFI Pro. DuPont смогла смоделировать полевые условия, чтобы оценить реакцию стеновой системы на образование конденсата, похожего на росу.

Результаты показали, что во всех климатических условиях значительно более низкое содержание влаги наблюдалось при использовании обертки с паропроницаемостью от умеренной до высокой. Эти результаты являются дополнительным показателем того, что проницаемость от умеренной до высокой позволяет сушить, в то время как низкая проницаемость препятствует сушке и увеличивает вероятность проблем, связанных с влажностью.

Тайвек® уникален

Погодные барьеры DuPont ™ Tyvek® имеют уникальную структуру с миллионами чрезвычайно мелких пор, которые препятствуют проникновению воды и воздуха, но позволяют водяному пару проходить сквозь здание и выходить из него.

На протяжении более 30 лет опыт DuPont в области материаловедения и строительства привносит на строительный рынок такие инновации, как погодные барьеры Tyvek®.

Загрузить технический документ:

>> Правда о паропроницаемости в условиях высокой влажности <<

Паропроницаемость | DuPont ™ Tyvek®

Высококачественный атмосферный барьер премиум-класса выполняет четыре важных и важных функции: сопротивление воздуху, водонепроницаемость, долговечность во время строительства и необходимый уровень паропроницаемости.

Паропроницаемость, вероятно, наиболее игнорируется и наименее изучена из четырех. Тем не менее, это может иметь наибольшее влияние на работу стенной системы.

Почему важна паропроницаемость

Во время укладки или после укладки облицовки внутренняя часть стен намокает. А если система стен не высыхает, она становится уязвимой для влаги и плесени.

Вот почему паропроницаемость или воздухопроницаемость является ключевым преимуществом погодных барьеров DuPont ™ Tyvek®.Тайвек® сочетает в себе правильный баланс воздухо- и водонепроницаемости и паропроницаемости. Таким образом, когда вода все-таки попадает в стенную систему, Tyvek® WRB спроектирован так, чтобы она могла улетучиваться в виде паров влаги.

Понимание паропроницаемости

Часто называемая воздухопроницаемостью, паропроницаемость описывает способность материала пропускать водяной пар через него. В отличие от объемного удержания воды, которое относится к воде в ее жидкой форме, паропроницаемость касается воды в ее газовой форме.

Действующие строительные нормы и правила требуют, чтобы минимальная проницаемость составляла около 5 перм. Ученые-строители DuPont считают, что этот порог слишком низок для обеспечения стабильной работы, и рекомендуют атмосферостойкие барьеры от умеренной до высокой паропроницаемости, такие как Tyvek® WRB.

Измерение проницаемости

Измерение скорости пропускания паров влаги (MVTR) рассчитывается в соответствии с протоколом испытаний ASTM E96. Этот тест показывает, сколько влаги может пройти через барьер за 24 часа.

Поскольку на это измерение влияет давление пара, необходимо отрегулировать давление пара в образце, чтобы определить паропроницаемость (MVP). ASTM E96 используется для присвоения материалам относительной оценки, которая показывает, насколько каждый из них устойчив к пропусканию паров влаги.

Реальная производительность

Летом 2002 года компания DuPont провела полевой эксперимент в Северной Каролине во время самой сильной засухи за последние десятилетия. К одной и той же стеновой конструкции случайным образом были применены две разные обертки здания.Один с паропроницаемостью 58 проницаемостей, другой 6,7 проницаемости.

Стену оклеивали 3-4 недели и за это время оставили в каркасной стадии строительства. По прошествии 3-4 недель, где бы ни была установлена ​​пленка с низкой паропроницаемостью, можно было четко увидеть накопление влаги и повышенный уровень влажности. Многие области достигли или превысили уровни насыщения для обшивки, и невооруженным глазом было видно нарушение влажности.

Напротив, везде, где была установлена ​​обертка с высокой проницаемостью, было обнаружено, что оболочка оставалась неизменно чистой и сухой, независимо от местоположения или ориентации.

Моделирование влажности

Чтобы лучше понять наблюдения в лаборатории и в полевых условиях, DuPont выполнила моделирование влажности, используя всемирно признанную модель WUFI Pro. DuPont смогла смоделировать полевые условия, чтобы оценить реакцию стеновой системы на образование конденсата, похожего на росу.

Результаты показали, что во всех климатических условиях значительно более низкое содержание влаги наблюдалось при использовании обертки с паропроницаемостью от умеренной до высокой. Эти результаты являются дополнительным показателем того, что проницаемость от умеренной до высокой позволяет сушить, в то время как низкая проницаемость препятствует сушке и увеличивает вероятность проблем, связанных с влажностью.

Тайвек® уникален

Погодные барьеры DuPont ™ Tyvek® имеют уникальную структуру с миллионами чрезвычайно мелких пор, которые препятствуют проникновению воды и воздуха, но позволяют водяному пару проходить сквозь здание и выходить из него.

На протяжении более 30 лет опыт DuPont в области материаловедения и строительства привносит на строительный рынок такие инновации, как погодные барьеры Tyvek®.

Узнайте больше о тестировании паропроницаемости и производительности Tyvek®.

Бюллетень строительной науки — правда о паропроницаемости

Паропроницаемость пористых полимерных мембран с различной гидрофильностью в качестве синтетических и природных барьеров

Аннотация

Статья посвящена анализу кинетики сорбции, проницаемости и диффузии водяного пара в пористых полимерных мембранах различной гидрофильности и сквозной пористости. .Измерение переноса воды с постоянным градиентом парциального давления позволяет авторам получать надежные характеристики пористых мембран, пленок, искусственных кож, тканей различной химической природы (синтетических и биологических) и фазовых структур. Были определены все кривые кинетической проницаемости и рассчитаны эффективные коэффициенты диффузии, а также их кажущаяся энергия активации на стационарной и нестационарной стадиях массопереноса. Прослежена связь между сорбционно-диффузионными характеристиками полимерных барьеров и их паропроницаемостью.В рамках модели двойной дисперсии Золотарева – Дубинина получено аналитическое уравнение, связывающее проницаемость с коэффициентами диффузии водяного пара в объеме пор, материале полимерного каркаса с использованием таких характеристик, как пористость и коэффициент растворимости. Предлагается использовать это уравнение для прогнозирования сорбционных свойств барьерных и пористых материалов сложной архитектуры, особенно в пищевой упаковке.

Ключевые слова: проницаемость , диффузия, сорбция, пористые мембраны, гидрофильные и гидрофобные полимеры

1.Введение

Полимерные материалы разной химической природы и фазовой структуры имеют настолько разнообразные функциональные цели, что срок службы изделий на их основе сильно различается. Естественно, что изделия длительного пользования, которые при эксплуатации подвергаются высоким нагрузкам, должны быть прочными и устойчивыми к факторам окружающей среды. Напротив, упаковочные материалы и контейнеры для пищевых продуктов не должны использоваться дольше срока годности пищевых продуктов. В противном случае такие материалы, выбрасываемые как твердые бытовые отходы, загрязняют окружающую среду.Известно, что полимерные материалы с малым сроком хранения должны быть разлагаемыми [1]. Наилучшие условия для биодеградации полимеров создаются во влажных условиях, когда влага иммобилизуется в гидрофильных полимерах, создавая условия для развития микрофлоры [2]. В пористых полимерных мембранах этот процесс значительно ускоряется. Поэтому информация о взаимодействии влаги с полимерами имеет фундаментальное значение для решения актуальных проблем материаловедения, таких как выбор полимеров для конкретных целей и прогнозирование поведения материалов в процессах насыщения водой и биодеградации [3 , 4].Статья посвящена анализу процесса сорбции и диффузии водяного пара в пористых полимерах различной гидрофильности.

С точки зрения теории перколяции, традиционный анализ проницаемости газонаполненных полимеров и гетерогенных полимерных гибридных систем в целом можно разделить на два состояния: до перколяционного перехода, когда полимерная фаза образует непрерывную дисперсионную среду, и газовая фаза образует замкнутые включения, а после перколяционного перехода, когда газовая фаза образует каналы через другую фазу.Хотя для первого состояния феноменология процесса достаточно развита, для второго состояния многое остается неясным [5,6]. Прежде всего, какой вклад в процесс переноса вносит матрица, ее сорбционные и диффузионные характеристики, извилистость транспортных каналов, адсорбция на границе раздела. Остается открытым также вопрос о методах исследования паропроницаемости этих материалов. В настоящее время наиболее распространенным методом экспериментального определения паропроницаемости через пористые полимерные мембраны стал чашечный метод.В этом методе значение расхода I в стационарной области кривой кинетической проницаемости является основной характеристикой мембраны, и ее обычно отождествляют с коэффициентом проницаемости. Этот метод успешно используется для стандартных измерений проницаемости барьерных материалов.

С другой стороны, нестационарная часть кривой, в пределах которой устанавливается распределение концентрации диффузанта по поперечному сечению мембраны, остается вне внимания исследователей, хотя именно эта часть наибольшая информация об особенностях диффузии водяного пара через пористые и монолитные полимерные материалы [1,7].Таким образом, нестационарная область может использоваться для расчета коэффициента диффузии ( D ), оценки его концентрационных и временных зависимостей, а также для определения коэффициентов растворимости и констант Генри ( s ). К сожалению, чашечный метод в его современной версии [8] не позволяет получить информацию о нестационарной части кривой проницаемости, так как в хроматографических и масс-спектрометрических ячейках присутствует градиент полного давления внешней среды наряду с градиент парциального давления.Поэтому его использование в пористых мембранах для детального изучения массопереноса в изобарно-изотермических условиях проблематично.

Целью данной работы было исследование кинетики проницаемости водяного пара через пористые полимерные мембраны различной гидрофильности путем непрерывной регистрации количества пародиффузата в сочетании с теоретическим анализом процесса массопереноса в таких системах.

2. Экспериментальная

Монолитные и пористые полимерные мембраны толщиной 150 и 500 мкм из коллагена (C), полиэфируретанмочевины (PEU), полиамида 6.6 (ПА), поливинилхлорид (ПВХ). Мембраны PEU были получены из раствора 4,4-дифенилметандиизоцианата, полиэфирдиолов и гидразингидратов диметилформамида. Олигооксипропилендиол использован при синтезе ПЭУ-1, статистический сополимер пропилена и оксидов этилена в соотношении 1: 1 для синтеза ПЭУ-2, эфир адипиновой кислоты и оксипропилендиола — для ПЭУ-3.

ПЭУ марки Sanpren (Япония) (M _W = 32,9 кДа, M _n = 22.1 кДа) получали из раствора в диметилформамиде 4,4-дифенилметандиизоцианата, полиэфирдиолов и гидразингидратов. При синтезе ПЭУ-1 использован олигооксипропилендиол, для ПЭУ-2 — статистический сополимер оксидов пропилена и этилена в соотношении 1: 1, а для ПЭУ-3 — сложный эфир адипиновой кислоты и оксипропилендиола.

Монолитные пленки ПВХ марки С-70 (Нижний Новгород, Россия) (M _W = 107,2 кДа) получали литьем 5% мас.% Раствора полимера на стеклянную подложку с последующей сушкой пленок до постоянной масса.

Коллагеновые мембраны (M _W = 360 кДа) получали из раствора растворимой части дермы животных в уксусной кислоте (Москва, Россия). Фиксированную коллагеновую пленку отмывали от остатков уксусной кислоты в дистиллированной воде.

Пористый ПЭУ получали из 10 мас.% Раствора в диметилформамиде методом конденсационного структурообразования [9]. В качестве осадителя использовалась вода. Пористые пленки ПВХ получали осаждением его из 5 мас.% Растворов в циклогексаноне осаждением этанолом, а пленки ПА получали из его растворов в этаноле осаждением водой.Пористым аналогом коллагена служил образец натуральной кожи (сырой и неокрашенной телячьей кожи). Пористость образцов и их удельную поверхность определяли путем измерения плотности и сорбции инертного растворителя гексана. Характеристики исследованных образцов приведены в.

Таблица 1

Характеристики и кинетические константы диффузии и проницаемости пористых полимерных мембран разной гидрофильности при 298 К.

Изотермы сорбции водяного пара были получены на вакуумных весах МакБейна.Кинетику паропроницаемости изучали на экспериментальной установке, схема которой представлена ​​на рис. Установка состоит из блока источника пара (C), диффузионной ячейки (B), в которой находится исследуемая мембрана между металлическими фланцами, стеклянной сорбционной колонны с кварцевой спиралью и чашки с поглотителем водяного пара. В отличие от ранее созданных установок [8,9], блок источника содержит несколько стеклянных термостабильных чашек, установленных на подвижном пластиковом диске.

Экспериментальная установка ( a ) и диффузионная ячейка ( b ) для исследования кинетики паропроницаемости полимерных мембран.Ситаллический датчик предназначен для измерения локальной влажности около внутренней поверхности мембраны. Более подробное описание настройки приведено в тексте.

Каждый источник перед экспериментом был заполнен водным солевым раствором, в данном случае CaCl ₂ . Состав растворов подбирался таким образом, чтобы можно было изменить градиент парциального давления пара с (п / п ₀ ) ₁ на (п / п ₀ ) ₂ по смена источников, движение по изотерме сорбции.Здесь (p / p ₀ ) ₁ и (p / p ₀ ) ₂ — значения относительной влажности над источником и стоком соответственно.

Диск снабжен специальным подъемным устройством, с помощью которого производилось герметичное соединение стакана с металлическим фланцем ячейки. Расстояние от поверхности мембраны до источника — 2 см, от чашки с поглотителем до поверхности мембраны — 2,5 см. Все блоки установки имеют независимый контроль температуры, что позволяет проводить измерения как в изотермическом, так и неизотермическом режимах в широком диапазоне парциальных давлений пара.

Метод измерения был следующим. Образец мембраны после длительного кондиционирования был извлечен из эксикатора, в котором тот же абсорбер использовался в качестве гидростата (например, K ₂ CO ₃ обеспечивает постоянную влажность ≈44%), а затем был установлен между фланцы диффузионной ячейки. Поглотитель помещен в сорбционную колонку. Установление сорбционного равновесия в системе мембрана-поглотитель при выбранной температуре эксперимента наблюдалось в течение следующих 10–20 мин.Затем блок источников (нижний блок) приводился в контакт с нижним фланцем диффузионной ячейки. С этого момента измеряли кинетику изменения веса поглотителя. Эти измерения продолжались до достижения постоянной скорости изменения веса поглотителя, что соответствует установлению стационарного состояния процесса переноса при выбранном парциальном давлении водяного пара.

Конструкция установки позволяла изменять диапазон измерения разности парциальных давлений водяного пара путем выбора источника (б).Относительная погрешность определения кинетики паропроницаемости на стационарной стадии составила 5%, на нестационарной стадии — 8%. Измерения проводились в изотермических условиях процесса при температурах 298–230 К при различных перепадах влажности между источником и поглотителем.

3. Результаты и обсуждение

Типичные кинетические кривые проницаемости и сорбции водяного пара монолитными и пористыми мембранами разной гидрофильности показаны на и.Видно, что как для монолитных, так и для пористых мембран со сквозной пористостью на кинетических кривых проницаемости можно выделить две области, соответствующие нестационарной и стационарной стадиям процесса.

Кинетические кривые паропроницаемости монолитных ( a ) и пористых ( b ) полимерных мембран, полученных из поливинилхлорида (ПВХ) ( 1 ), полиэфируретанмочевины (ПЭУ) -1 ( 2 ), ПЭУ -2 ( 3 ), PEU-3 ( 4 ) и коллаген ( 5 ) при 298 К.

Кинетические кривые сорбции водяного пара монолитной ( сплошные линии ) и пористой ( пунктирные линии ) мембранами из коллагена ( 1 ), ПЭУ-3 ( 2 ), ПЭУ-1 ( 3 ). ) при 298 К. Интервал относительного перепада давления водяного пара составляет 0,44–0,90.

С формальной точки зрения, независимо от фазового состояния мембраны и ее пористости, длину нестационарной стадии можно охарактеризовать временной задержкой (), которая численно равна отрезку отрезка на ось времени экстраполированной линейной частью кривой проницаемости ().

Для пористых мембран всегда меньше, чем для монолитных мембран, и значительно больше, чем для системы «источник / воздушный слой / поглотитель». Для последнего Θ равно 10–12 с, что, по Барреру, дает значение коэффициента диффузии D = 0,2 см ² / с, что при нормальных условиях совпадает с коэффициентом диффузии водяного пара в воздух [10].

Интересны следующие три факта. Во-первых, для пористых мембран является функцией гидрофильности ().Несмотря на то, что общая пористость образцов изменяется в достаточно широком диапазоне (), можно утверждать, что увеличивается вместе с увеличением сорбционной емкости полимера, из которого изготовлена ​​мембрана. Изменение разности влажности при измерении паропроницаемости сдвигает фигуративную точку образца в ту или иную сторону на кривой Θ -M ( ∞ ). Для монолитных мембран этот эффект не наблюдается.

Зависимость времени задержки () от сорбционной способности пористых полимерных мембран (M∞) при 298 K, относительной влажности 30% при различных значениях разности относительной влажности: ( 1 ) 44–90 p / р ₀ ; ( 2 ) 44–80 п / п ₀ ; ( 3 ) 44–60 с / п ₀ .Полимерные материалы обозначены на графике.

Во-вторых, существует пропорциональность между и временем установления сорбционного равновесия в системе мембрана – водяной пар.

В-третьих, отношения между коэффициентами диффузии и температурными коэффициентами для пористых и монолитных мембран, рассчитанные из стационарной области кривой проницаемости и кинетики сорбции, необычны. Коэффициенты диффузии для монолитных мембран можно рассчитать по следующим традиционным уравнениям [9,10,11]:

D _s = (π / 16) l ² ( d γ / d t ^{1 / 2} ) ²

(2)

где l — толщина мембраны, а γ — относительная степень заполнения мембраны диффузантом.

Хотя полученные таким образом значения коэффициента диффузии, а также кажущаяся энергия активации сорбции и проницаемости E _Θ , E _s , E _p , (), довольно близки друг к другу, ситуация полностью отличается для пористых мембран.

Эффективные коэффициенты диффузии для пористых мембран D _Θ ′ D _s ′ D _p ′, рассчитанные с использованием тех же уравнений (1) — (3), значительно различаются между собой ().Для всех перепадов влажности, как правило, (D _Θ ′ = D _s ′) << D _p , а для абсолютных значений D _Θ ′ >> D _Θ . Для гидрофильных мембран (коллаген, PEU-2 и PEU-3) разница между D _Θ ‘и D _p ‘ тем больше, чем больше разница во влажности. Этот эффект определяется уменьшением D _Θ ′ в большей степени, чем увеличением D _p ′ и I . Таким образом, при переходе от перепада влажности 44–60% к 44–90% D _Θ ′ уменьшается на 2.В 5 раз, а D _p ′ и I увеличиваются всего на 30–35% за счет пластификации полимера.

Температурные зависимости D _Θ ′ и D _s ′ для всех исследованных мембран удовлетворительно описываются уравнением Аррениуса. При этом E _Θ ′ и E _s ′ близки друг к другу и, что особенно важно, совпадают с E _Θ и E _s для монолитных мембран. Это означает, что основной вклад в массоперенос на нестационарной стадии вносит процесс сорбционного насыщения пористого каркаса мембраны диффузантом.

Однако температурная зависимость проницаемости пористых мембран в общем случае не подчиняется уравнению Аррениуса. Для мембран из ПВХ и ПЭУ-1 вообще (п / п _o ), а для мембран из коллагена и ПЭУ-3 при (п / п _o ) ₁ <60% температурные зависимости I описывается степенной функцией

где n — эмпирическая константа, значение которой изменяется от 1,5 до 1,7, что свидетельствует о значительном вкладе свободной диффузии водяного пара через поровое пространство мембран в стационарную проницаемость.В области повышенной влажности (более 80%) температурная зависимость паропроницаемости для коллагена, ПЭУ-2 и ПЭУ-3 описывается набором двух функций.

I ≅ k ₁ T ⁿ + k ₂ exp (−E _Θ / RT)

(5)

где k ₁ и k ₂ — эмпирические константы.

Полученные экспериментальные данные позволяют сформулировать следующие представления о механизме паропроницаемости пористых полимерных мембран.Процесс переноса влаги в таких мембранах представляет собой суперпозицию двух потоков: фазовый перенос по пористому пространству мембраны и диффузионный перенос по объему полимерной матрицы (называемый активационной диффузией согласно [10] или твердотельной диффузией согласно [10]). 9,11]). При t <Θ водяной пар проникает в мембрану через систему сквозных капилляров. Одновременно с диффузией через свободное пространство пор пар адсорбируется на стенках пор и абсорбируется – растворяется в материале стенки.Этот процесс происходит до установления локального сорбционного равновесия в различных частях мембраны, а его скорость определяется коэффициентом диффузии водяного пара в полимер.

При t> устанавливается некоторый градиент влажности по всей толщине образца. Этот момент соответствует началу стационарной стадии процесса, в которой одновременно задействовано и поровое пространство, и материал мембраны. Таким образом, пока не установится постоянный градиент влажности по поперечному сечению мембраны, большая часть потока поглощается материалом и не участвует в прямом переносе водяного пара на внешнюю поверхность образца.После установления постоянного градиента потоки через пористое пространство и полимерный материал становятся параллельными, и общий поток определяется их суммой [10,11].

Теория процесса массопереноса в пористых материалах подробно описана в следующих работах [12,13].

Усредненные уравнения массопереноса в описанных выше системах с развитой системой транспортных пор имеют следующий вид:

m∂c∂t = mDi∂2c∂x2 − κ (γc − a)

(6)

(1 − m) ∂c∂t = (1 − m) Da∂2a∂x2 + κ (γc − a)

(7)

c (0, t) = c0, a (0, t) = γc0, a (l, t) = c (l, t) = 0

(8)

a (x, 0) = c (x, 0) = 0, 0≤x≤l

(9 )

где m — пористость мембраны, l — ее толщина, c и a — локальные концентрации диффузанта в порах и полимерной фазе, D _i и D _a — диффузионная коэффициенты в порах и полимерной фазе, соответственно, k — усредненная константа скорости массопереноса между диффузантом в порах и полимерной фазой.

Путем введения безразмерных переменных и параметров

ξ = xl ε = τiτa β = κτi / (1 − m) α = κστi / m τi = l2Di τa = l2Da τ = tτi

(10)

получаем следующее уравнение для количества вещества M (t =) ∫0tq (t) dt, десорбированного с мембраны в момент t (т.е. M (t), поглощенного сорбентом) с поверхности

M (t) = mDi + (1 − m) σDalc0 × ··· × {t − t1−2τi∑n = 1∞ (−1) n (λn −− λn +) [λn — + (πn) 2Δλn + e − λn + τ − λn ++ (πn) 2Δλn − e − λn − τ]}

(11)

куда

λn ± (=) [(ε + 1) (πn) 2+ (β + α)] 2 ± [(ε + 1) (πn) 2+ (β + α)] 24− (πn) 2 [ ε (πn) 2+ (β + αε)]

(13)

Существенным является тот факт, что при больших временах t → ∞ зависимость M от t аппроксимируется прямой линией

M (t → ∞) = mDi + (1 − m) Dalc0 (t − t1)

(14)

А при экстраполяции t → 0 эта линия в полном соответствии с полученным экспериментальным материалом не перейти в начало координат, а пересекает ось времени при значениях

t1≡Θ = l2 (m + γ (1 − m)) 6 (Dim + γ (1 − m) Da)

(15)

и ось ординат на

M (t → 0) = l6 (m + γ (1 − m)) c0

(16)

Из уравнений (12) — (16) ясно, что полученные уравнения являются более общими, чем уравнения Дина. –Соотношение Баррера [9].Они очень удовлетворительно описывают полученный набор экспериментальных данных. Таким образом, из уравнения (15) следует, что длина нестационарной стадии процесса проницаемости является функцией пористости мембраны, ее сорбционной способности по диффузанту, отношения коэффициентов диффузии в пористом пространстве и полимерного материала. . Естественно, что в общем случае при рассмотрении (∂M∂T) t → ∞ или (∂Θ∂T) следует ожидать довольно сложной температурной зависимости указанных параметров процесса:

(∂I∂T ) = const (∂Di∂T) + const (∂Da∂T) + const (∂γ∂T)

(17)

которое может быть аппроксимировано I≈T − n или экспоненциальной функцией только в первом приближении при определенных соотношениях между D _i , D _a и σ.

Таким образом, большой интерес представляет новая возможность расчета коэффициентов диффузии по кинетическим кривым сорбции монолитных образцов и кривым кинетической проницаемости пористых мембран, дополненной информацией о пористости. Для этого можно использовать либо соотношение

Dim = lc0θ (−M) t → 0 − Daγ © (1 − m)

Da = a1 − a2 (γ1 © −γ2 ©) (1 − m)

(18)

Dim = a1− λ1 © (a1 − a2γ1 © −λ2 ©)

или, выполняя измерения I при различных γ ‘, т.е.е., при разном перепаде влажности. В данном случае:

a1 = Dim + σ1Da (1 − m) a2 = Dim + σ2Da (1 − m)

(19)

где ai = Iil (c0) i − 1.

Расчеты по этим уравнениям для всех мембран показали, что перенос водяного пара с коэффициентом диффузии D _i = 0,18 — 0,21 при 298 K происходит в их поровом пространстве, что характерно для свободной диффузии водяного пара в воздуха.

Свойства переноса водяного пара полиуретановых пленок для упаковки респираторных пищевых продуктов

Материалы

Касторовое масло (CO) (функциональность 2.67) с гидроксильным числом 161,01 мг КОН · г ^-1 и кислотным числом 0,99 мг КОН · г ^-1 был приобретен у Aldrich (Aldrich, Милуоки, США). Полиэтиленгликоль (ПЭГ) со среднечисленной молекулярной массой 1500 г / моль ^-1 и 1,6-гексаметилендиизоцианат (HDI) были получены от Fluka (Fluka, Зельце, Германия). 1,4-бутандиол технической чистоты (BDO) был приобретен у Sigma-Aldrich (Sigma, Seelze, Германия).

Синтез полиуретановых пленок

Термопластичные полиуретановые (ПУ) пленки получали методом одностадийной полимеризации в массе согласно Akkas et al.[1]. Перед синтезом ПЭГ сушили на роторном испарителе (RV 10 IKA, Staufen, Германия) в течение 6 ч при 90–95 ° C, а CO сушили при 80 ° C в вакууме в течение 24 ч. BDO сушили в течение ночи при 50 ° C в вакуумной печи (Vacucell MMM, Graefelfing, Германия).

ПЭГ и / или СО и перемешивали на роторном испарителе со скоростью 80 об / мин. Затем в колбу добавляли BDO и перемешивали до получения гомогенной смеси. Ни катализатор, ни растворитель не использовались с целью получить материал, пригодный для контакта с пищевыми продуктами.Смесь выливали в трехгорлую реакционную колбу, снабженную механической мешалкой, капельной воронкой и впуском и выпуском азота. Затем температуру повысили до 50 ° C. HDI добавляли к смеси при перемешивании со скоростью 300 об / мин, и реакцию продолжали в течение 150 с. Все пленки ПУ были приготовлены из эквимолярного количества диизоцианата по отношению к гидроксильным группам. Пленки полиуретана получали методом литья-напыления. Реакционную смесь выливали в стеклянные чашки Петри и помещали в печь при 80 ° C на 24 часа.

Пленки получали с 1500 г моль ^-1 молекулярной массы ПЭГ, при двух различных массовых соотношениях СО / ПЭГ (50/50 и 70/30) и при трех различных соотношениях БДО / (ПЭГ + СО) ( 40/60, 50/50 и 60/40) в виде мольных процентов гидроксильных групп. Они названы с использованием аббревиатуры PU 1500 -bc , где 1500 указывает молекулярную массу (г моль ^-1 ) ПЭГ, b указывает массовое отношение СО к ПЭГ (СО / ПЭГ) и c указывает массовое отношение BDO к PEG и CO [BDO / (PEG + CO)].Каждый фильм тиражировался по два раза.

Определение характеристик полиуретановых пленок

Толщина пленки измерялась прецизионным толщиномером (модель FT3 от Rhopoint Instruments, Бексхилл-он-Си, Великобритания) в пяти различных положениях. Среднее арифметическое значение толщины пленки использовалось для определения WVP.

Плотность пленок измеряли по принципу Архимеда с использованием набора для измерения плотности (Mettler-Toledo AG; Greifensee, Швейцария) с аналитическими весами (AT261 DeltaRange®; Mettler-Toledo AG; Greifensee, Швейцария) в соответствии с ASTM. стандартный метод испытаний D792-A.Плотность образцов ρ измеряли по формуле. (1) при 20 ° C и рассчитано на основе веса образца в воздухе A и веса образца в дистиллированной воде (0,9975 г / см ³ ) B. Плотностью воздуха пренебрегли из-за ее незначительного влияния на результаты. .

$$ \ rho = \ frac {A} {A-B} \ times {\ rho} _0 $$

(1)

, где ρ ₀ — плотность воды при 20 ^o C (0,9982 г / см ³ ), A — кажущийся вес образца в воздухе, а B — кажущийся вес образца, полностью погруженного в воду.Эксперименты проводились в пяти повторностях.

FTIR-спектры, полученные на приборе PerkinElmer (Waltham, MA, USA) Spectrum One в диапазоне от 650 до 4000 см. ^-1 , были использованы для характеристики функциональных групп синтезированных пленок PU, а также для исследования водородных связей. в жестком сегменте.

Для получения изображений с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) были подготовлены образцы материалов с кодировкой PU1500-50-40, PU1500-70-40 и PU1500-50-60. Топографические изображения поверхности пленки были получены с использованием модели FEI Nova NanoSEM 450 (Thermo Fisher, Эйндховен, Нидерланды) с использованием детектора низкого вакуума (LVD).Поперечные сечения пленок были получены путем их замораживания в жидком азоте и разрушения. Изображения поперечных сечений были получены с помощью другого сканирующего электронного микроскопа (Vega-3, Tescan, AS, Брно, Чехия) с различными настройками. Чтобы уменьшить электрический заряд непроводящих образцов электронным пучком, все образцы пленок перед наблюдением были покрыты слоем золота. Изображения поперечного сечения были получены с использованием детектора вторичных электронов (режим SE).

Сорбция водяного пара термопластичных полиуретановых пленок (нестационарное состояние)

Измерения сорбции водяного пара проводились при относительной влажности (RH) 50, 85 и 97% при 23 ^° C. Насыщенные растворы тетрагидрата нитрата кальция (Ca (NO ₃ ) ₂ .4H ₂ O) и соли сульфата калия (K ₂ SO ₄ ) с остатком (нерастворенные кристаллы соли) помещали в эксикатор для создания атмосферы 50%. и 97% RH соответственно при 23 ^° C [11].Климатическую камеру (Binder GmbH, Туттлинген, Германия) использовали для тестирования сорбции влаги при относительной влажности 85% и температуре 23 ^° ° С. Температуру и относительную влажность регистрировали регистратором данных для проверки и подтверждения целевых условий. Перед испытанием образцы квадратных пленок размером 3 см × 3 см сушили в вакуумном сушильном шкафу (Vacucell MMM, Graefelfing, Германия) при 80 ° C в течение 4 ч до постоянного веса. Одна сторона пленки была покрыта самоклеющейся алюминиевой фольгой (Reinaluminium-Klebeband, ISODEAL Steinmetz GmbH, Eichenau, Germany) с окном площадью 2.5 см × 2,5 см. Таким образом, поглощение водяного пара происходило только с одной стороны пленки, и боковое проникновение предотвращалось (рис. 1а). Вес термопластичных полиуретановых пленок измеряли дважды в день в течение 7 дней с помощью лабораторных весов (Mettler Toledo, Gießen, Германия, Delta Range AT 261). Из-за возможного водопоглощения клея самоклеящейся алюминиевой фольги контрольные маски без образца хранились в тех же условиях. Их увеличение веса вычиталось из увеличения веса образцов в масках.Массовая доля абсорбированной воды представлена ​​по отношению к сухой массе пленок.

Алюминиевая маскировка полиуретановой пленки для определения поглощения водяного пара, поглощения с одной стороны a и испытательная установка для измерения скорости пропускания водяного пара пленки гравиметрическим методом b

Теоретические соображения

При изучении сорбции малых молекул матрицей необходимо учитывать допущения, лежащие в основе применяемых теоретических моделей. 2}} $$

(3)

Массовая доля m _t / m _∞ как функция квадратного корня из времени t является приблизительно линейной до значения m _t / m _∞ , равного 0.5–0,7 [29]. Уравнения (2) и (3) справедливы только для случая, когда поглощение образцом может быть описано моделью диффузии раствора [8, 13]. Граничные условия:

1. (1.)

   Закон Генри может быть применен (уравнение (4)), т.е. концентрация (c _вода ) абсорбированного водяного пара в полимере линейно зависит от парциального давления (p _вода ) водяного пара. Константа пропорциональности — это коэффициент сорбции или коэффициент растворимости (S) [13].

$$ {c} _ {вода} = S \ times {p} _ {вода} $$

(4)

1. (2.)

   Адсорбция водяного пара на поверхности пленки быстрая. Диффузия в полимере является этапом, ограничивающим скорость поглощения пленки.

2. (3.)

   Полимер не реагирует с поглощенной водой.

3. (4.)

   Коэффициенты диффузии и сорбции постоянны.

4. (5.)

   Материал пленки изотропен в макроскопическом масштабе.

Однако в реальной жизни эти условия часто не выполняются, поскольку полимер может взаимодействовать с поглощенным водяным паром. Поэтому коэффициенты диффузии и сорбции часто зависят от количества поглощенного водяного пара [20]. В таком случае изотерма сорбции водяного пара не может быть описана законом Генри. В этом случае уравнения (2) и (3) являются упрощениями. В этой работе, чтобы отличить точные значения от коэффициентов этих упрощений, они обозначены как , эффективные .Эксперименты по абсорбции водяного пара с термопластичными полиуретановыми пленками оценивали при относительной массовой доле абсорбированной воды от 0 до 0,5. Эффективные коэффициенты диффузии (D _eff ) рассчитывались с использованием наклона кривой начального времени поглощения (согласно уравнению (3)) и толщины пленки. Для поглощения пленкой только с одной стороны необходимо брать двойную толщину. Эффективные коэффициенты сорбции (S _eff ) были рассчитаны из поглощения водяного пара при равновесии (уравнение.(4)). WVP был рассчитан по формуле. (5).

$$ {P} _ {eff} = {S} _ {eff} \ times {D} _ {eff} $$

(5)

Эксперименты проводились в пяти повторностях.

Скорость прохождения водяного пара (устойчивое состояние)

Для измерения скорости прохождения водяного пара (СПВП) через пленки использовался стандартный гравиметрический метод согласно ASTM E 96 с небольшими изменениями [3]. Образцы нарезали кружками с площадью испытания 10 см. ² и сушили в вакуумной печи (Vacucell MMM, Graefelfing, Германия) при 80 ° C в течение 4 ч до постоянной массы.В некоторых случаях пленки кондиционировали в климатической камере, поддерживаемой при температуре 23 ° C и относительной влажности 50%, в течение не менее 2 дней. За это время образцы достигли состояния равновесия. После этого образцы пленок закрепляли на винтовой чашке, заполненной сухим силикагелем. Чашку и крышку обрабатывали технической вакуумной смазкой для фиксации и герметизации образца на чашке. Образец помещался в резьбовую чашку, которая закрывалась прорезиненной крышкой в ​​форме кольца (рис. 1б). Для адсорбции воды использовался силикагель.Это создало почти 0% относительной влажности в свободном пространстве чашки. Каждую испытательную установку взвешивали и хранили при относительной влажности 50, 85 и 97% и температуре 23 ° C. Из-за градиента влажности между внутренней частью чашки (относительная влажность около 0%) и окружающей средой (относительная влажность 50–85–97%) водяной пар проникал через образец внутрь чашки. Поглощение водяного пара силикагелем вызывает увеличение веса испытательной установки. Каждое испытательное устройство взвешивалось дважды в день в течение 4–5 дней. Тесты проводились в трех экземплярах.Скорость пропускания водяного пара рассчитывалась по формуле. (6):

$$ WVTR = \ frac {\ Delta m} {t \ cdotp A} $$

(6)

где t — период времени между двумя измерениями веса в часах, Δm представляет собой разницу веса между двумя измерениями веса в граммах, а A — площадь испытания в см. ² . Единицы измерения: г · м ^-2 ∙ д ^-1 . Наконец, используя уравнение. (7) была получена паропроницаемость (WVP) [5].

$$ WVP = \ frac {WVTR} {P \ times \ left ({R} _1- {R} _2 \ right)} \ times l $$

(7)

В приведенных выше уравнениях WVP — проницаемость для водяного пара, l — средняя толщина образцов полиуретана, P — давление водяного пара при 23 ° C, а R1 и R2 — градиенты влажности.

Статистический анализ

Статистический анализ выполняли с использованием Minitab 16.0 (Minitab Inc., State College, PA, USA). Данные проницаемости были подвергнуты дисперсионному анализу и методу Тьюки для оценки различий между химическими составами и относительной влажностью (p <0.05).

Краткое изложение стандарта ASTM E96 для испытания на проницаемость для водяного пара методом чашки

Гравиметрический метод (метод чашки) Система испытаний WVTR C360M и C360H

Проницаемость для водяного пара является одним из основных показателей эффективности упаковочных материалов. Поскольку люди придают большее значение влагонепроницаемости и гидроизоляции продуктов, упаковочные материалы с меньшей проницаемостью для водяного пара становятся ф.3us разработки и применения упаковочных материалов и в последние годы получает все больше и больше концентраций. Производители упаковок, поставщики материалов, производители продукции и центры контроля один за другим внедряют инструменты на проницаемость для водяного пара, чтобы активизировать свои усилия по испытаниям материалов на проницаемость для водяного пара. Большинство продаваемых инструментов для измерения проницаемости водяного пара относятся к типу «Cup Method» или сенсорному типу.

ASTME 96 — один из стандартов для чашечного метода, в котором разработан не только стандартный метод осушителя, который обычно используется в других стандартах, но также введен водный метод, который имеет такое же значение, как и метод осушителя при испытании на проницаемость водяного пара.

1. Краткое описание метода чашек

Метод чашек — это метод, используемый для независимого тестирования проницаемости водяного пара, основанный на простом и понятном принципе. В чашечном методе существует определенная разница давления, поддерживаемая с двух сторон образца. Параметры, относящиеся к проницаемости для водяного пара, рассчитываются после испытания скорости пропускания водяного пара образца при заданной температуре и относительной влажности. Метод чашки можно использовать двумя способами, основанными на одном и том же принципе тестирования: метод осушителя, при котором водяной пар проникает в чашку для испытаний, и метод воды, при котором водяной пар выходит из чашки для тестирования.

Целью этих испытаний является получение с помощью простого оборудования надежных значений переноса водяного пара через проницаемые и полупроницаемые материалы, выраженных в подходящих единицах. Эти значения предназначены для использования в дизайне, производстве и маркетинге.

2. Принцип испытания осушающего метода и водяного метода

Как осушающий метод, так и водный метод рассматриваются в качестве основных методов испытаний в ASTM E 96. Методы испытаний ограничены образцами размером не более 1 и 1/4 дюйма.(32 мм) по толщине… Для измерения проницаемости предусмотрены два основных метода: метод осушения и метод воды.

В методе осушителя испытуемый образец герметично закрывают на открытой горловине чашки для испытаний, содержащей осушитель, а сборку помещают в контролируемую атмосферу. Периодические взвешивания определяют скорость движения водяного пара через образец в осушитель. Рис.1 — принцип тестирования метода осушителя.

Рис. 1 Принцип испытания осушающего метода

При использовании водяного метода чаша содержит дистиллированную воду, и взвешивание определяет скорость движения пара через образец из воды в контролируемую атмосферу.Рис.2 — принцип испытания водным методом.

Рис. 2 Принцип испытания водяным методом

Разница давлений пара в обоих методах номинально одинакова, за исключением варианта с крайними значениями влажности на противоположных сторонах.

Область применения чашечного метода должна быть проиллюстрирована здесь: ASTM E 96 подходит не только для испытания на проницаемость водяного пара упаковочного материала, такого как пластиковая пленка, бумага и древесноволокнистый картон, он также применим при испытании гипса, гипсовых изделий и изделия из дерева.Поэтому в стандарте более низкие требования к толщине образца. Для образцов большей толщины большое значение имеет предотвращение утечки кромок. Однако в индустрии тестирования упаковки образцы большой толщины встречаются довольно редко. Вот почему следующая часть не будет иметь дело с такими образцами, хотя она является частью ASTME 96.

3. Тестирование

В чашечном методе необходимы как минимум три сборки: чаша для испытаний, среда для тестирования и взвешивание. прибор.

3.1 тестовая чашка

Тестовая чашка должна быть из любого некорродирующего материала, непроницаемого для воды или водяного пара. Он может быть любой формы. Желательно легкое. Предпочтительна большая неглубокая чашка, но ее размер и вес ограничены, когда аналитические весы выбираются для обнаружения небольших изменений веса. Различная глубина может использоваться для метода осушителя и метода воды, но глубина 3/4 дюйма (19 мм) (ниже устья) является удовлетворительной для любого метода.

Для легко складывающегося или деформируемого образца потребуется внешний край или рамка у открытого горлышка чашки для испытаний.Обычно такая помощь требуется для очень тонких образцов.

3.2 Тестовая среда

Тестовая среда реализована в тестовой камере. Его температура должна оставаться в пределах + 1 ° C, а влажность — в пределах + 2 ％. Воздух должен непрерывно циркулировать по камере со скоростью, достаточной для поддержания однородных условий во всех местах проведения испытаний. Вообще говоря, температура часто контролируется однократным нагревом, потому что температура испытания всегда выше, чем температура лаборатории.

3.3 весы

В ASTM E 96 доильная чашка взвешивается на аналитических весах. Однако его можно взвесить и другими способами. Стандарт предъявляет некоторые требования к чувствительности весов. Весы должны быть чувствительны к изменению менее 1% изменения веса в течение периода, когда считается существующим установившееся состояние. Следовательно, весы с более высокой чувствительностью сократят интервал взвешивания, а весы с более низкой чувствительностью, соответственно, увеличат интервал.Для повышения точности испытаний и сокращения периода испытаний желательны высокоточные аналитические весы или другое устройство для взвешивания с более высокой точностью.

4. Подготовка образца

Материал должен быть отобран в соответствии со стандартными методами отбора образцов, применимыми к испытуемому материалу. Образец должен иметь одинаковую толщину. Если материал несимметричной конструкции, две стороны должны быть обозначены отличительными знаками. ASTME 96 содержит подробную спецификацию количества образцов и способа отбора проб в различных условиях.

Прикрепите образец к чашке путем герметизации (и зажима, если необходимо) таким образом, чтобы горловина чашки определяла область образца, подверженную воздействию давления пара в чашке. Тщательно закройте края образца, чтобы предотвратить проникновение пара в, наружу или вокруг краев образца или любой его части.

Эффективность крепления образца напрямую влияет на точность испытаний. Герметизация краев образца — самая важная процедура, и она обычно завершается с помощью восковых уплотнений или уплотнений с прокладками.

Процесс сургучной печати довольно сложен. Приготовьте сургуч в определенной пропорции, а затем нагрейте его до состояния плавления. Вылейте воск к краю тестовой чашки и очистите место для заливки после того, как воск остынет и примет форму.

Разборные уплотнения имеют лучшую адаптируемость и удобство эксплуатации, чем восковые уплотнения. Разборные уплотнения также используются для посуды соответствующей конструкции. Они упрощают установку образца, но должны использоваться с осторожностью, поскольку вероятность утечки краев больше при использовании уплотнительных прокладок, чем при уплотнении из воска.

Укомплектованный образец приставки выглядит следующим образом:

5. Процесс испытания

Весь процесс испытания включает балансировку образца, периодическое взвешивание и определение равновесия передачи. Испытание можно закончить, когда образец достигнет равновесия пропускания.

5.1 процесс испытания с помощью метода осушителя

Заполните чашку для испытаний десикантом… Оставьте достаточно места, чтобы при встряхивании чашки, которое должно производиться при каждом взвешивании, смешивался осушитель.Прикрепите образец к чашке и поместите ее в контролируемую камеру … Периодически взвешивайте чашу в сборе, достаточно часто, чтобы получить восемь или десять точек данных во время теста. Сначала вес может быстро меняться; позже будет достигнуто устойчивое состояние, при котором скорость изменения будет практически постоянной.

5.2 Метод испытания с использованием воды

Заполните чашку для испытаний дистиллированной водой …… Отведенное таким образом воздушное пространство имеет небольшую паростойкость, но это необходимо для снижения риска контакта воды с образцом при обращении с чашкой. .Такой контакт делает недействительным тест на некоторых материалах, таких как бумага, дерево или другие гигроскопичные материалы. Приложите образец к чашке. Взвесьте чашу в сборе и поместите ее в контролируемую камеру на истинно горизонтальную поверхность. Остальной процесс аналогичен методу осушителя, то есть периодически взвешивать испытательную чашку до тех пор, пока скорость изменения не станет практически постоянной.

5.3 результаты расчетов

Метод осушения и водный метод представлены в двух частях в ASTM E 96, но метод обработки данных является согласованным.

Рассчитайте пропускание водяного пара и проницаемость следующим образом.

WVT = G / tA = (G / t) A

• G = изменение веса (от прямой), г
• t = время, ч
• G / t = наклон прямой, г / ч
• A = испытательная зона (площадь устья чашки), м ²
• WVT = скорость пропускания водяного пара, г / ч · м ²
• 
  

• p = давление пара разница, мм рт. ст.
• S = давление насыщенного пара при температуре испытания, мм рт. влажность на приемнике пара, выраженная в виде дроби

Два метода, обычно используемых при обработке данных, — это графический анализ и цифровой анализ.Сочетание самого современного компьютерного цифрового анализа в настоящее время может бесконечно сократить разрыв в точной точке области взвешивания и может анализировать данные более визуально. Программное обеспечение монитора Labthink TSY-T1 и TSY-T3 также обладает мощными функциями сбора данных, графического построения и анализа данных.

рис.5. Программное обеспечение монитора Labthink TSY-T3

6. Меры предосторожности

6.1 Выбор среды тестирования

Значение проницаемости, полученное при одном наборе условий испытаний, может не указывать на значение при другом наборе условий.По этой причине следует выбирать условия испытаний, наиболее приближенные к условиям использования. В приложении ASTME 96 перечислено несколько групп стандартных условий испытаний для выбора.

6.2 ошибка, вызванная прикреплением образца

Когда площадь образца больше, чем площадь устья, это наложение на выступ является источником ошибки, особенно для толстых образцов. Накладной материал дает положительную ошибку, указывающую на чрезмерное пропускание водяного пара.Величина ошибки является сложной функцией толщины, ширины уступа, площади устья и, возможно, проницаемости.

6,3 время испытания

Аналитические весы, использованные в более раннем методе чашки, обычно имеют менее высокую точность, и ручное управление может оказать определенное влияние (менее подверженное влиянию, если метод воды выполняется в испытательной среде) на равновесие передачи. Это приведет к увеличению времени тестирования более раннего метода с использованием воды. Изменяя процесс тестирования, полностью автоматический тестер водяного метода с высокоточной системой взвешивания может выполнять тест как в контролируемой среде, так и полностью автоматически.Время испытания образца средней проницаемости, которое всегда длилось несколько дней в более раннем методе с водой, теперь будет стоить всего несколько часов.

6,4 манекен

Если ожидается, что результаты пропускания водяного пара будут менее 0,05 допустимости, настоятельно рекомендуется использовать манекен. Такой манекен следует прикрепить к пустой чашке обычным способом. Воздействие на окружающую среду изменения температуры и изменчивости плавучести из-за колебаний барометрического давления может быть арифметически тарировано на основе значений взвешивания.Эта мера предосторожности позволяет раньше и более надежно достичь условий равновесия. В качестве дополнительной меры предосторожности при использовании уплотнительных прокладок вместо предпочтительных герметиков предлагается провести холостые испытания с использованием стекла или металла в качестве фиктивного образца.

7. Резюме

ASTME 96 является наиболее полным стандартом по методу чашки, составленным до сих пор. В ASTME 96 метод чашки включает метод осушителя и метод воды. Оба метода основаны на одном и том же принципе тестирования. Чашка для испытаний, среда для испытаний и устройство для взвешивания являются основными узлами в чашечном методе, и ни один из них не может быть пропущен.Процесс прикрепления образца сложен, но имеет прямое влияние на результат теста. Результат испытания манекена сильно повлияет на анализ и расчет результата испытания. Внедрение профессионального программного обеспечения обеспечит мощную функцию анализа данных.