在线电量分级法测定柔性孔材料孔径分布的装置和方法

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在线电量分级法测定柔性孔材料孔径分布的装置和方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种孔尺寸测试技术领域的方法与装置，具体是一种柔性多孔材料毛细孔径分布的在线电测方法和装置。\n背景技术\n[0002] 织物的润湿性对于其湿加工和热湿舒适性都是至关重要的。作为两端开口、部分有序的毛细孔集合体，织物的润湿性通常与其毛细孔分布密切相关，因为无论是湿加工或者服用过程中，水分、有机溶剂及汗液的输运都主要是在毛细孔中进行，其中涉及的吸附、扩散、渗透、蒸发等过程都依赖于毛细孔的构造(形状、粗糙度、大小、分布等)。鉴于织物结构的复杂性，目前测量织物润湿性的方法都是在较毛细孔更大尺度上的度量，主要包括：\n毛细芯吸法、液滴法、沉降法等，由于没能与织物的毛细孔结构直接关联，制约了深入研究织物润湿行为的本质和进一步定量化测定。国内外虽然对孔尺寸进行了大量研究，但都是根据织物几何结构参数由公式计算织物毛细孔半径，或简化为平均孔径及最大、最小孔径的处理，难以满足定量表征种类纷繁的织物结构导致的润湿行为的差异，因为即使同种平均孔径的织物也可以对应许多种纱线密度、经纬密度和织造结构。由于毛细孔分布不同导致粗细孔的比例不同，可以造成它们之间相当大的润湿性能差异，进而对染色、后整理甚至织物的热湿舒适性等造成重要影响。尽管在粉体和其它多孔材料方面已有测定毛细孔径分布的方法和仪器存在，但它们采用的汞压法或挤出法都必须通过加压来顶替孔中的润湿液体。这对于织物就不适用，因为气体压力下柔性织物被压缩严重变形，即使测出孔径分布，也与常压下的差异很大，不能表征常压下的染整加工和面料穿着的润湿性能。从理论上看，织物毛细孔径分布对其粗糙度和空隙分布进而对其Wenzele角和Cassie角及一系列的亚稳态接触角产生影响，我们已对此进行了探讨。为探讨织物结构与润湿性能的关系，近五年来我们进行了一系列研究，已经对垂直于织物平面的毛细孔经分布做了初步研究，但迄今还没见其它有关测定沿织物平面毛细孔经分布的报道。此前齐宏进等申请了题为“采用质量分级法对柔性多孔体系毛细孔经分布的测定方法”(申请号：200910194353.9)，是基于将统计级分切割称重的方法，属于非在线检测，尽管原理基本相同，但步骤繁琐，精度和重复性相对不高，而且提出的质量差减公式不够精确。本发明介绍了将不同孔径的孔中含液量转换成电参数的在线分级测定法和装置，通过发明人根据流体力学和表面化学原理提出的模型和方法，推导出新的含液量差减公式，根据电量与含液量间关系导出含液量与电参数间的转换公式，设计了测试装置并可测量和计算出各种柔性孔材料的毛细孔经分布的直方图、微分曲线和累积曲线，具有快速、简便、精度高、重复性好的优点。这并非是根据几何结构计算得到的，而是通过毛细升高测量得到的直接与织物润湿行为关联的孔径分布。依据这三类图，可以定量地分析对比各类柔性孔材料孔径分布和孔结构特征，也可分析不同导电润湿液体渗透时柔性孔材料的孔结构变化，为进一步精确控制湿加工和设计热湿舒适性面料提供微米-毫米级孔结构精确数据。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于电量分级法对柔性多孔体系毛细孔径分布的在线电测方法，将质量测定和分级转换为电量测定和分级，提出了毛细孔径分布的测定方法和装置。为此改进了质量分级差减公式，提出电参数差减公式，设计了检测装置，提出了检测方法，可快速、简便、准确地测定沿柔性孔材料平面毛细孔径的分布，能够实现在线测量。\n[0004] 本发明是通过如下技术方案实现的。\n[0005] 本发明涉及一种基于双头探针测量电信号用于转换成含液量的装置，其特征在于，包括：双头探针、探针驱动机构、滑道滑块机构、电信号测量电路、电信号转换、计算、制表和绘图系统，其中：\n[0006] 双头单点探针在探针驱动系统作用下，沿样片长度方向，上下做一维运动，具体位置由滑道标尺确定。两个单点探针的探头部水平方向的距离在测量过程中始终保持不变，垂直方向上探针距离可以忽略。\n[0007] 所述的双头单点探针外面套有塑料套管，再套\n[0008] 入U型不锈钢套管内，间隙填满树脂，使不锈钢套管与两单点探针间绝缘，并固定两个探针。仅探针头部导通，且为锥形平头结构，平头部分为直径0.01-20毫米，可分别用于插入或贴紧样片。\n[0009] 所述的U型不锈钢套管固定在驱动系统升降装置的滑块上，滑块\n[0010] 固定于垂直的刻有标尺的滑道，可上下移动显示探针高度并保持位置的准确性和可重复性。所述的U型不锈钢套管只起到固定探针的作用，与测量线路无关。\n[0011] 所述的电信号测量电路，由两个探针分别接入电参数检测器输入端，检测器由信号接收、放大、输出线路组成。\n[0012] 所述的电信号转换、计算、制表和绘图系统为一台计算机，可以根据我们提出的公式根据输入的电参数和其他参数进行计算，得到孔径分布各种数据和图表。\n[0013] 本发明涉及一种对柔性孔材料孔径分布的在线电测和电量分级法，包括如下步骤：\n[0014] a.准备用于测定的柔性多孔体系材料，该柔性多孔体系材料包括机织物、针织物、无纺布、皮革和纸。将样片修剪为长10-70cm，宽为2-40cm的样片，准备用于测定的液体，包括所有对样片润湿和电信号能被检测的液体，即液体对样片的接触角小于90度并润湿于柔性多孔材质时具有可以检测的电性能。\n[0015] b.用洗涤剂和/或有机溶剂将样片上污物去除，冲洗、干燥后挂装在悬挂装置上，样片保持伸直和垂直，其下端正好埋入液面。\n[0016] c.将样片与悬挂装置一同放置于温度为10-60℃、相对湿度为5-100％和0.7-1.2大气压的恒温恒湿环境中，静置直至样片内液面不再上升；\n[0017] d.分别对相邻两个高度探针间的含电参数进行差减，将下面一个的电参数减去上面一个的电参数，就得到下面一个级分对应孔中的含液量对应的电参数。本专利中采用电测方法代替称重可达到简便和精确的目的，其中的含液重量用线性相关的电信号值代替，用所述的装置，将两个探针依次由下向上移动和测量电参数，分别对相邻两个级分的电参数进行差减；\n[0018] e.\n[0019] f.通过本发明提出的公式 进行数据处理，得到各个测试高度\n内孔中液体量占整个样片总含液量的百分比Ck，式中Dk、Dk+1分别为相邻两段测试高度下方和上方探针间区域中的电参数；\n[0020] g.根据孔径和测试高度区间的关系式 求出对应高度样片内含液体的孔的半径R1，R2，…Rn+1；\n[0021] h.根据步骤f，g的数据Ck和Rk，对画作图，得到样片按体积计算的毛细孔径分布直方图，并进一步得到孔径连续分布的曲线图和累积图。\n[0022] i.根据上述各组含液量百分比和对应的孔半径数据，通过加权平均公式计算得到样片的平均孔径。\n[0023] 与现有技术相比，本发明有如下特点和有益效果：在本发明中推导的含液量与电参数关系式的基础上，不是利用称重法和质量差减法而是利用接触式测量将含液量转换为电参数，通过在线测量和数据处理系统直接得到柔性孔材料的孔径分布数据，简便、快捷、精确；本方法中提出新的差减公式 解决了非电量转化的定量化问题，\n该式比现有专利申请(申请号：200910194353.9)提出的质量差减公式\n更精确；得到的并非是根据几何结构计算得到柔性多孔材料毛细孔径数据(这些方法只能得到粗糙的最大孔径、最小孔径和平均孔径，得不到孔径分布数据)，也不是利用传统的适用于刚性孔材料的汞压法和气体吸附法，而是针对柔性多孔材料，通过毛细升高测量得到的直接与材料润湿行为关联的孔径分布，这些数据能更加有效分析和控制这些材料的加工和使用。\n附图说明\n[0024] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。\n[0025] 图1是电导法测得的1#样片毛细孔径分布直方图，探针直径0.5mm，样片为棉机织物(经纬密68×68根/10cm，纱线线密度为19×19tex)，液体为蒸馏水；\n[0026] 图2是电导法测得的1#样片毛细孔径分布曲线图，探针直径0.5mm，样片为棉机织物(经纬密68×68根/10cm，纱线线密度为19×19tex)，液体为蒸馏水；\n[0027] 图3是电导法测得的1#样片毛细孔径分布累积图，探针直径0.5mm，样片为棉机织物(经纬密68×68根/10cm，纱线线密度为19×19tex)，液体为蒸馏水；\n[0028] 图4是质量分级法称重测得的2#样片的毛细孔径分布直方图，级分宽度为2.0mm，样片为与1#样片相同的棉机织物(经纬密68×68根/10cm，纱线线密度为19×19tex)，液体为蒸馏水；\n[0029] 图5质量分级法称重测得的2#样片的毛细孔径分布曲线图，级分宽度为2.0mm，样片为与1#样片相同的棉机织物(经纬密68×68根/10cm，纱线线密度为19×19tex)，液体为蒸馏水；\n[0030] 图6是质量分级法称重测得的2#样片的毛细孔径分布累积图，级分宽度为2.0mm，样片为与1#样片相同的棉机织物(经纬密68×68根/10cm，纱线线密度为19×19tex)，液体为蒸馏水；\n[0031] 图7是电测装置的结构示意图。\n具体实施方式\n[0032] 在齐宏进等人的标题为‘采用质量分级法对柔性多孔体系毛细孔径分布的测定方法’的这个发明专利申请书(专利申请号：100910194353.9)中，公开了用于测定测定柔性材料孔径分布的新方法和新装置，这些申请的有部分关原理和方法的内容在此被引用。不同的是，本发明的采用在线电测分级法和相应装置对柔性多孔体系毛细孔径分布进行测定，下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限於下述的实施例。\n[0033] 该实施例包括以下步骤：\n[0034] a.一套装置，如图7所示，包括：双头探针9、滑道滑块7、由探针驱动机构、电信号测量电路、电信号转换构成的集成装置11和承担计算、制表和绘图的计算机(图中未标示)构成。\n[0035] b.双头单点探针在探针驱动系统作用下，沿样片长度方向，上下做一维运动，具体位置由滑道标尺6确定。两个单点探针的探头部水平方向的距离在测量过程中始终保持不变，垂直方向上探针距离可以忽略。\n[0036] c.双头单点探针外面套有塑料套管，再套入U型不锈钢套管8内，间隙填满树脂，使不锈钢套管与两单点探针间绝缘，并固定两个探针。仅探针头部导通，且为锥形平头结构，平头部分为直径0.01-20毫米，可分别用于插入或贴紧样片9。\n[0037] d.U型不锈钢套管固定在驱动系统升降装置的滑块上7，滑块固定于垂直的刻有标尺的滑道6，滑道固定于底座10上，可上下移动显示探针高度并保持位置的准确性和可重复性。U型不锈钢套管只起到固定探针的作用，与测量线路无关。\n[0038] e.电信号测量电路，由两个探针分别接入集成装置11的电参数检测器输入端，检测器由信号接收、放大、输出线路组成。\n[0039] f.电信号计算、制表和绘图系统为一台计算机，可以根据我们提出的公式根据输入的电参数和其他参数进行计算，得到孔径分布各种数据和图表。\n[0040] g.样片悬挂装置，包括悬挂架1、布夹2和液体槽4，可将样片3上端夹紧，底部固定一玻璃棒5作为重物浸入液体中。\n[0041] h.准备用于测定的柔性多孔体系材料，该柔性多孔体系材料包括机织物、针织物、无纺布、皮革和纸。将样片修剪为长10-70cm，宽为2-40cm的样片，准备用于测定的液体，包括所有对样片润湿和电信号能被检测的液体，即液体对样片的接触角小于90度并润湿于柔性多孔材质时具有可以检测的电性能。\n[0042] i.用洗涤剂和/或有机溶剂将样片上污物去除，冲洗、干燥后挂装在悬挂装置上，样片保持伸直和垂直，其下端正好埋入液面。\n[0043] j.将样片与悬挂装置一同放置于温度为10-60℃、相对湿度为5-100％和0.7-1.2大气压的恒温恒湿环境中，静置直至样片内液面不再上升。\n[0044] k设定从下往上依次测试的级分序号k递增，从k＝1到k＝n+1共n+1个测试级分小条，根据重量分级原理，通过将各测小条的湿重减去干重，得到测试小条所含液体重量分别为m1，m2…mn，mn+1，因为根据公式 孔越小，其中的液体上升的越高，所以较低位置的织物中液体包括对应高度孔内的液体和小于该孔的所有孔内的液体，因为能达到较高位置小孔中的液体必定在较低位置中也存在，分别对相邻两个级分的含液量进行差减，将下面一个的含液量减去上面一个的含液量，就得到下面一个级分对应孔中的含液量，这样逐次进行相邻两级分含液量的差减，进一步通过公式 进行数据处\n理，得到各个测试小条内孔中液体量占整个样片总含液量的百分比Ck，式中mk、mk+1分别为相邻两段测试小条中下方和上方测试小条的含液量。\n[0045] l.上述d，e操作为质量分级原理和方法介绍(见齐宏进等申请的专利‘采用质量分级法对柔性多孔体系毛细孔经分布的测定方法”申请号200910194353.9)，本发明在此原理基础上用电参数代替称重，利用在线检测的电参数分级法代替非在线质量分级法，可达到简便和精确的目的，其中的含液重量用线性相关的电信号值代替。用所述的装置，将两个探针依次由下向上移动和测量电参数，分别对相邻两个级分的电参数进行差减，将下面一个的电参数减去上面一个的电参数，就得到下面一个级分对应孔中的含液量对应的电参数。\n[0046] m.在本专利中取消了h中所示的质量分级法的级分小条，利用两探针间的一段线段作为测试区，线段粗细等于探针直径，两探针中心联连线到底部液面的距离即为测量高度h。\n[0047] n.把步骤h中的各个m值替换成电参数，通过本发明提出的公式\n进行数据处理，得到各个测试高度内孔中液体量占整个样片总含液量\n的百分比Ck，式中Dk、Dk+1分别为相邻两段测试高度下方和上方两探针间区域中的电参数。\n[0048] o.根据孔径和测试高度区间的关系式 求出对应高度样片内含液体的孔的半径R1，R2，…Rn+1。根据步骤h，l的数据Ck和Rk，对画作图，得到样片按体积计算的毛细孔径分布直方图，并进一步得到孔径连续分布的曲线图和累积图。\n[0049] p.根据上述各组含液量百分比和对应的孔半径数据，通过加权平均公式计算得到样片的平均孔径。\n[0050] 为测定柔性多孔体系毛细孔径分布，本发明采用电参数代替含液量所依据的质量分级法的原理和申请人提出的模型及推导的公式如下：\n[0051] 根据表面化学和流体力学原理，织物中液体毛细渗透规律服从层流流体在圆柱形毛细孔中的渗透规律即Washburn方程，本发明根据沿孔材料平面内的毛细孔中液体垂直上升的毛细压力与液体静压平衡时，各种孔径毛细孔内液体上升高度的差异，测定沿织物平面毛细孔半径的大小和分布。\n[0052] 圆柱形毛细管中的润湿液体前沿的凹月面产生Laplace压力。该压力与表面张力、接触角和毛细孔径的关系服从Laplace方程\n[0053] \n[0054] 式中：Pc为毛细管压力(Pa)；R为毛细管等效半径(m)；γ为液/气的界面张力(N/m)；θ为织物与测试液接触角(°)。\n[0055] 当垂直悬挂的样片中毛细孔内液体上升达到静止时，Laplace压力与液体静压达到平衡\n[0056] Pc＝ρgh (2)\n[0057] 式中：ρ为测试液密度(kg/m3)；g为液体重力加速度(N/kg)；h为织物垂直上升高度(m)。\n[0058] 将公式(2)代入方程(1)中，得到公式(3)：\n[0059] \n[0060] 移项则可得到本发明测定依据的定量关系式(4)：\n[0061] \n[0062] 式中：R为毛细管等效半径(m)；ρ为测试液密度(kg/m3)；g为液体重力加速度(N/kg)；H为样片中液体垂直上升高度(m)；γ为液—气的界面张力(N/m)；θ为织物与测试液接触角(°)。通过测定或查表得到公式右边各量，就可计算对应高度的毛细孔半径。\n[0063] 沿垂直悬挂方向，由于孔材料的芯吸行为服从圆柱形毛细孔的上升规律，我们可以把样片中的空隙看成大量半径不同的、平行的圆柱形毛细孔的组合，称之为等效毛细孔，而样片的毛细效应就是这些毛细孔中水分升高的整体行为。因此，不同组织结构的孔材料，不管其结构如何复杂，其毛细孔集群都可以折算成等效毛细孔，进而在统一标准下，对其毛细效应进行定量的和更细微层面的比较。由于样片的孔结构沿样片长度方向是均匀的，这些不同半径孔的分布在样片任意高度上都是相同的，所以在任何高度各种孔径毛细孔的比例都是相同的。但是，当样片毛细上升达到热力学平衡时，里面所含液体却不同。由(1)和(4)式可知，孔径越小，Laplace压力越大，而重力为常数，孔内水分上升就越高。所以样片中高度较低处，粗孔、中孔和细孔中都含有液体，而较高处则只有中孔和细孔含液体，更高处，则只有细孔含水。显然，对于相邻两个高度，下面测试区中含液量等于上面测试区中较细孔中含液量加上下面测试区中较粗毛细孔中含液量，因为能达到上面测试小条的较细孔中的液体肯定也能达到下面测试小条，所以用下面测试区含液量减去上面测试区含水量就可得到所有能达到下面测试小条高度所对应的毛细孔中所含液的质量。通过依次进行由下到上的含液量差减，就可得到对应每个高度的相应半径毛细孔中的含液量，由于质量等于体积与密度的乘积，所以得到的孔径分布为毛细孔按体积计算的分布。本发明正是利用这种不同半径孔内含水量随高度的变化，通过相邻两个不同高度两固定间距探针间区域的电参数值之差，得到下面高度测大小和分布。\n[0064] 圆柱形毛细管中的润湿液体前沿的凹月面产生Laplace压力。该压力与表面张力、接触角和毛细孔径的关系服从Laplace方程\n[0065] \n[0066] 式中：Pc为毛细管压力(Pa)；R为毛细管等效半径(m)；γ为液/气的界面张力(N/m)；θ为织物与测试液接触角(°)。\n[0067] 当垂直悬挂的样片中毛细孔内液体上升达到静止时，Laplace压力与液体静压达到平衡\n[0068] Pc＝ρgh (2)\n[0069] 式中：ρ为测试液密度(kg/m3)；g为液体重力加速度(N/kg)；h为织物垂直上升高度(m)。\n[0070] 将公式(2)代入方程(1)中，得到公式(3)：\n[0071] \n[0072] 移项则可得到本发明测定依据的定量关系式(4)：\n[0073] \n[0074] 式中：R为毛细管等效半径(m)；ρ为测试液密度(kg/m3)；g为液体重力加速度(N/kg)；H为样片中液体垂直上升高度(m)；γ为液—气的界面张力(N/m)；θ为织物与测试液接触角(°)。通过测定或查表得到公式右边各量，就可计算对应高度的毛细孔半径。\n[0075] 沿垂直悬挂方向，由于孔材料的芯吸行为服从圆柱形毛细孔的上升规律，我们可以把样片中的空隙看成大量半径不同的、平行的圆柱形毛细孔的组合，称之为等效毛细孔，而样片的毛细效应就是这些毛细孔中水分升高的整体行为。因此，不同组织结构的孔材料，不管其结构如何复杂，其毛细孔集群都可以折算成等效毛细孔，进而在统一标准下，对其毛细效应进行定量的和更细微层面的比较。由于样片的孔结构沿样片长度方向是均匀的，这些不同半径孔的分布在样片任意高度上都是相同的，所以在任何高度各种孔径毛细孔的比例都是相同的。但是，当样片毛细上升达到热力学平衡时，里面所含液体却不同。由(1)和(4)式可知，孔径越小，Laplace压力越大，而重力为常数，孔内水分上升就越高。所以样片中高度较低处，粗孔、中孔和细孔中都含有液体，而较高处则只有中孔和细孔含液体，更高处，则只有细孔含水。显然，对于相邻两个高度，下面测试区中含液量等于上面测试区中较细孔中含液量加上下面测试区中较粗毛细孔中含液量，因为能达到上面测试小条的较细孔中的液体肯定也能达到下面测试小条，所以用下面测试区含液量减去上面测试区含水量就可得到所有能达到下面测试小条高度所对应的毛细孔中所含液的质量。通过依次进行由下到上的含液量差减，就可得到对应每个高度的相应半径毛细孔中的含液量，由于质量等于体积与密度的乘积，所以得到的孔径分布为毛细孔按体积计算的分布。本发明正是利用这种不同半径孔内含水量随高度的变化，通过相邻两个不同高度两固定间距探针间区域的电参数值之差，得到下面高度测孔径分布，因而也更有实际应用价值，可直接用于精确控制织物等柔性材料的退浆煮练、染色和后整理等湿加工过程和为设计热湿舒适性面料提供基础数据。当然，电测法由于可以缩小级分宽度，对孔结构描述的更为精细，甚至可以直接得出曲线分布图。孔径范围由于级分宽度不同而不同，1#为41-2391μm，而2#为52-1196μm，显然电测法更能揭示真实的孔径范围。另外，1#数据的重复性小于1％，而2#数据的重复性则为2％，所以电测法得到的更精确、更方便和快捷，而且重复性更好。\n[0076] 本实施仅给出了部分具体应用的例子，电信号采用电导，传感器采用双探针，但对于从事柔性多孔材料孔结构测定的专利人员而言，还可根据以上启示设计出多种电测方式的变形产品，这仍被认为涵盖于本发明之中。