Способ определения смачивающей способности водных растворов пористых материалов

Авторы патента:

Шароварников Александр Федорович (RU)

Корольченко Дмитрий Александрович (RU)

G01N13/00 - Исследование поверхностных или граничных свойств, например смачивающей способности; исследование диффузионных эффектов; анализ материалов путем определения их поверхностных, граничных и диффузионных эффектов; исследование или анализ поверхностных структур в атомном диапазоне

Владельцы патента RU 2589767:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ФГБОУ ВПО "МГСУ") (RU)

Изобретение относится к области исследования смачиваемости поверхностей, применительно к различным отраслям промышленности, а также для обоснования рабочей концентрации смачивателей, используемых для тушения пожаров. Предлагаемое изобретение также относится к области измерительной техники, связанной с исследованием смачивания пористых материалов водными растворами. Способ определения смачивающей способности водными растворами твердых пористых материалов путем измерения капиллярного давления смачивания включает исследуемую пористую ткань и водный раствор поверхностно-активного вещества. При этом с целью измерения капиллярного давления измерение проводят компенсацией давления смачивания, которое возникает при соприкосновении герметичной емкости с пористым фильтром, к которой прижимают исследуемую ткань или другой пористый материал. Причем величину капиллярного давления смачивания определяют по водяному манометру, изменяя положение штока в шприце, в воздушную линию которого подключен водяной манометр, а процесс прижатия исследуемой ткани к измерительному пористому фильтру происходит за счет синхронного движения плунжеров двух шприцев, соединенных гибкой трубкой, заполненной водой. Техническим результатом является простота определения смачивающей способности водными растворами твердых пористых материалов, а также отсутствие применения специальных устройств.2 ил.

Известны способы определения смачивающего действия водными растворами гидрофобных материалов, к которым относятся методы определения краевого угла смачивания [1, 2].

В патентах US 7952698B2 2011 [1] «Methodanddeviceforcontactangledeterminationfromradiusofcurvatureofdropbyopticaldistancemeasurement» [1] и US 5137352 * 1992 «Method and apparatus for determining the contact angle of liquid droplets on curved substrate surfaces» указывается, что чем меньше краевой угол смачивания, тем быстрее водный раствор растекается по твердой поверхности.

В Патенте US 7952698 b2 2011 величину краевого угла смачивания определяют с помощью регулируемого окуляра, что позволяет более точно определять краевой угол смачивания поверхности твердого тела. Существенным недостатком этих методов является невозможность определения краевого угла смачивания пористых и высокодисперсных материалов.

Известны способы определения смачивающего действия водных растворов путем определения капиллярного давления смачивания пористых материалов, причем эти способы предусматривают расчет величины капиллярного давления по результатам косвенных измерений: степени пропитки или тепловых эффектов смачивании, измеренных в калориметре - способ определения смачиваемости (РФ №2497098) [3]. Существенным недостатков этих способов является необходимость проведения косвенных измерений, по которым рассчитывается капиллярное давление смачивания.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способы, описанные в патентах[4-6].

Устройство по патенту SU 1500882: 1989 [5] позволяет повысить эксплуатационную надежность устройства и точность измерений капиллярного давления. Изобретение по патенту РФ №2497098: 2012 [6] относится к области исследования смачиваемости поверхностей применительно к различным отраслям промышленности.

В качестве прототипа приведен способ описанный в патенте SU 1530950 [4] «Устройство для измерения капиллярного давления». Способ определения капиллярного давления. Изобретение относится к исследованию пористых сред. Насыщенный водой (или другой жидкостью) образец помещают в кернодержатель и создают в нем необходимые термобарические условия (заданные температуру и давление обжима). Пространство над верхним торцом образца заполняют водой, а на нижний торец подают вытесняющую фазу (газ, жидкость) под входным давлением Р, значительно превышающим капиллярное. Фиксируют время прорыва через образец вытесняющей фазы по появлению над верхним торцом пузырьков либо капель, наблюдаемых через смотровое стекло в верхней части кернодержателя. Затем, не извлекая образец, его повторно насыщают водой и вновь осуществляют прорыв вытесняющей фазой. При давлении меньшем на 0,3-0,5 МПа предыдущего, фиксируют время прорыва вытесняющей фазы через образец. Подобным образом, понижая в каждом случае входное давление прорыва и замеряя время прорыва, строят график зависимости (Р/Т), где Τ - время прорыва вытесняющей фазы, с; Ρ - давление, МПа, и определяют величину капиллярного давления по точке пересечения прямой Ρ с осью ординат (ось давления).

Рассмотренный способ-прототип сложен в исполнении и базируется на процессах пропитки и последующего вытеснения воды из порового пространства образца. Для упрощения процедуры измерения капиллярного давления в данном изобретении предложен прямой способ измерения капиллярного давления пористого материала, который включает исследуемый пористый материал, водный раствор поверхностно-активного вещества, стеклянную емкость, отличается тем, что с целью прямого измерения капиллярного давления, измерение проводят компенсацией давления смачивания, которое отслеживают по положению мениска раствора, которое перемещается в пористый материал при соприкосновении с влажным пористым фильтром, к которому прижимают исследуемый материал, при этом величину капиллярного давления смачивания определяют по водяному манометру, изменяя положение штока в шприце, в воздушную линию которого подключен водяной манометр, а процесс прижатия исследуемой ткани к измерительному пористому фильтру, происходит за счет синхронного движения плунжеров двух шприцов, соединенных гибкой трубкой, заполненной водой.

Предлагаемый способ измерения капиллярного давления смачивания пористого материала, отличающийся тем, что в качестве пористой перегородки используется сетка или стеклянный фильтр, причем средний радиус пор фильтра - r, должен быть не больше, чем рассчитанный по формуле: r=2σ_ж/ΔΡ, в которой σ_ж - поверхностное натяжение водного раствора смачивателя, мН/м; ΔΡ - максимальное давление, на которое рассчитан водяной манометр.

Схема установки для измерения капиллярного давления смачивания гидрофобногопористого материала водными растворами смачивателей представлена на рис. 1 (где 1 - держатель; 2 - пористый материал; 3 - герметичная емкость с пористым фильтром; 4 - шприц с плунжером; 5 - мениск раствора в капилляре; 6 - водяной манометр; 7, 8 - шприц с плунжером).

Измерение капиллярного давления смачивания пористого материала проводят в следующей последовательности. Величину капиллярного давления смачивания гидрофобной ткани определяли на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис. 1. Для приведения в соприкосновения гидрофобной ткани с измерительным датчиком использовали вертикальное перемещение плунжера шприца, соединенного с аналогичным шприцом, с помощью которого регулировали положение ткани.

При соприкосновении пористого датчика с гидрофобной тканью раствор из датчика через пористый фильтр герметичной емкости вытягивается капиллярами ткани. Чем ниже величина краевого угла смачивания, тем большее давление развивается в капиллярах ткани. Сообщающаяся с датчиком линия раствора, установленная до испытаний в определенную позицию в измерительном стеклянном капилляре, начинает перемещаться в сторону датчика. Экспериментатор, перемещая плунжер в измерительном шприце, создает в надводном растворе небольшое разряжение, возвращает положение жидкости в капилляре в исходное положение. Водяной манометр сразу покажет величину капиллярного давления, которое соответствует заданной концентрации смачивателя.

Участок экспериментально полученной кривой зависимости капиллярного давления от концентрации смачивателя, получен путем компенсации внешним давлением капиллярного давления смачивания раствора в порах ткани.

Результаты экспериментальных измерений с водными растворами типичных смачивателей представлены на рис. 2 - Капиллярное давление смачивания водных растворов с добавками ПАВ различной природы: 9 - нонил фенол, формула C₉H₁₉C₆H₄O(C₂H₄O)₇ОН; 10 - нонил фенол, формула C₉H₁₉C₆H₄O(C₂H₄O)₁₀ОН; 11 - лаурилсульфат натрия; 12 - катионное фторированное ПАВ с тримерным радикалом; 13 - вторичные алкилсульфаты натрия С8-С12; 14 - катионное углеводородное ПАВ-цетипиридиний хлорид; 15 - изононил фенол, формула С₆Н₁₃(C₃H₇)C₆H₄O(C₂H₄O)₇ОН.

Процесс измерения предложенным нами способом прост в реализации и не требует применения специальных устройств, как в патенте-прототипе, поэтому имеет существенное преимущество.

Предложенный нами способ является первым, где капиллярное давление смачивания измеряется прямо, без предварительных расчетов по известным соотношениям.

1. Способ определения смачивающей способности водными растворами твердых пористых материалов путем измерения капиллярного давления смачивания, включающий использование исследуемой пористой ткани и водного раствора поверхностно-активного вещества, отличающийся тем, что с целью измерения капиллярного давления измерение проводят компенсацией давления смачивания, которое возникает при соприкосновении герметичной емкости с пористым фильтром, к которой прижимают исследуемую ткань или другой пористый материал, при этом величину капиллярного давления смачивания определяют по водяному манометру, изменяя положение штока в шприце, в воздушную линию которого подключен водяной манометр, а процесс прижатия исследуемой ткани к измерительному пористому фильтру происходит за счет синхронного движения плунжеров двух шприцев, соединенных гибкой трубкой, заполненной водой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пористой перегородки используется сетка или стеклянный фильтр, причем средний радиус пор фильтра - r должен быть не больше, чем рассчитанный по формуле: r=2σ_ж/ΔP, в которой σ_ж - поверхностное натяжение водного раствора смачивателя, мН/м; ΔP - максимальное давление, на которое рассчитан водяной манометр.

Изобретение относится к области физики твердого тела и предназначено для исследования электронной структуры поверхности металлов. Образец твердого металла приводят в контакт с ионной жидкостью, подводят к ионной жидкости дополнительный электрод, задают с его помощью потенциал образца относительно электрода сравнения, через границу образца с ионной жидкостью пропускают переменный ток фиксированной амплитуды с заданной частотой, регистрируют называемую эстансом производную поверхностного натяжения твердого металла по поверхностной плотности заряда твердого металла, изменяют поверхностную плотность заряда твердого металла путем изменения потенциала образца со временем и получают таким путем осциллограммы эстанса с непрерывной разверткой потенциала в анодном направлении, а также с зигзагообразной разверткой также в анодном направлении, в интервале потенциала, пройденном зигзагообразной разверткой, находят область обратимости эстанса и в этой области на осциллограмме с непрерывной разверткой находят одну или несколько волн эстанса, найденные волны эстанса рассматривают как результат исключения электронных зон поверхности металла по мере уменьшения отрицательного заряда поверхности металла, при этом количество найденных волн эстанса считают равным количеству исключенных электронных зон поверхности металла.

Способ определения поверхностных свойств горных пород // 2582693

Изобретение относится к области исследования горных пород. Техническим результатом является получение дополнительной информации о свойствах нефтеводонасыщенных пород-коллекторов нефти с помощью стандартного петрофизического оборудования.

Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов // 2581512

Изобретение относится к области молекулярной физики и может быть использовано для измерения коэффициента взаимной диффузии молекул газов. Способ заключается в том, что диффузионную ячейку в виде прозрачной капиллярной трубки частично заполняют жидкостью, один конец которой плотно закрыт, а другой - остается открытым во внешнюю однородную газовую среду (атмосферный воздух или специальный эталонный газ - стандартный образец с установленными значениями состава).

Способ производства кокса // 2570875

Изобретения могут быть использованы в коксохимической промышленности. Способ производства кокса включает формирование смеси углей путем смешения двух или более типов угля и карбонизацию указанной смеси углей.

Способ демонстрации квантовых осцилляций поверхностного натяжения твердого тела // 2552116

Изобретение относится к способам изучения поверхностных явлений. Из меди и серебра изготавливают электроды, приводят их в контакт с раствором электролита, осуществляют предварительный электролиз с чередованием анодного окисления и катодного восстановления поверхности металла, регистрируют зависимость производной поверхностного натяжения по поверхностной плотности заряда от потенциала электрода, сопоставляют указанные зависимости, полученные на меди и серебре, отмечают в качестве их общих признаков участок ступенчатого спада в анодном направлении, убывание протяженности ступеней вдоль оси потенциала.

Способ определения смачиваемости // 2550569

Изобретение относится к области исследования смачиваемости поверхностей и может найти применение в различных отраслях промышленности, например в нефтегазовой, химической, лакокрасочной и пищевой.

Способ определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов // 2549613

Использование: для исследования процессов массопереноса и для определения коэффициентов диффузии растворителей в изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов в строительной, химической и других отраслях промышленности.

Способ определения коэффициента диффузии горючих газов в азоте // 2548614

Изобретение направлено на высокоточное измерение коэффициентов диффузии горючих газов в азоте или иных инертных газах в широком температурном диапазоне посредством кислородпроводящего твердого электролита.

Способ количественной оценки биопленкообразования микроорганизмов // 2547935

Изобретение относится к микробиологии и может быть использовано для количественной оценки способности микроорганизмов к биопленкообразованию на различных биотических и абиотических поверхностях.

Самогоризонтируемое устройство для исследования поверхностных явлений, смачивания и растекания при нагреве в вакууме и инертной или активной газовых средах // 2536798

Изобретение относится к гироскопическим устройствам. Может быть преимущественно использовано для исследования поверхностных явлений смачивания и растекания при нагреве в вакууме и инертной или активной газовых средах. Самогоризонтируемое устройство включает корпус 1, выполненный из керамики, молибдена или стали, в верхней части которого установлен промежуточный элемент 2, выполненный из такого же материала, что и корпус 1 или отличающийся от него, закрепленный двумя стержнями 3 к стенке корпуса 1, самогоризонтируемый столик 4, выполненный из такого же материала, что и корпус 1 или отличающийся от него, в нижней части которого расположен массивный груз 5, который может быть выполнен съемным и соединяться через соединительный стержень 6; самогоризонтируемый столик 4 закреплен двумя стержнями 7 в промежуточном элементе 2, причем стержни 3 и 7 расположены взаимно - перпендикулярно друг другу.

Способ моделирования движения отдельных фаз многофазного/многокомпонентного потока, проходящего через пористую среду // 2593853

Изобретение относится к способу вычисления или оценки параметров отдельных фаз многофазного/многокомпонентного потока, проходящего через пористую среду с применением трехмерного цифрового представления пористой среды и метода расчетной гидродинамики для вычисления скоростей потока, давлений, насыщений, векторов внутренней скорости и других параметров потока. В способе применяется способ ввода несмачивающих и смачивающих текучих сред в поры на впускной поверхности трехмерного цифрового представления пористой среды и новый вариант применения управления процессом для получения квазистационарного состояния потока при низких впускных концентрациях несмачивающей текучей среды. В дополнение, способ настоящего изобретения уменьшает время, требуемое в моделировании для выполнения гидродинамических вычислений. Полученные в результате значения скорости потока несмачивающей текучей среды, смачивающей текучей среды, насыщения и другие параметры используются для построения графиков кривых относительной проницаемости при вытеснении несмачивающей фазы смачивающей и дренировании. Компьютеризованные системы и программы для выполнения способа также созданы. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 12 ил.

Капиллярно-сталагмометрический способ получения супрамолекулярных систем // 2597146

Изобретение относится к области: получение супрамолекулярных систем. Капиллярно-сталагмометрический способ получения супрамолекулярных систем, при котором беспорядочно расположенные линейные молекулы природного полимера в растворе или синтезированного полимера в расплаве капиллярный канал перестраивает и укладывает в одном направлении. При этом с целью исключения разрушающего воздействия силы тяжести на процесс формирования наноструктуры граничного слоя жидкости используется горизонтальное расположение оси капилляров, позволяющая осуществить равномерное течение, которое в свою очередь исключает разрушающее воздействие конвективных составляющих сил инерции. Техническим результатом является обеспечение возможности осуществить равномерное течение, которое в свою очередь исключает разрушающее воздействие конвективных составляющих сил инерции, исключая разрушающее действие силы тяжести на процесс формирования наноструктуры граничного слоя жидкости. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ оценки смачивающей способности растворов поверхностно-активных веществ в отношении минералов и горных пород // 2599921

Изобретение относится к горной промышленности и, в частности, к способам оценки смачивающей способности растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) в отношении твердых тел, а именно минералов, природных углей и других горных пород. Способ оценки смачивающей способности растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) в отношении минералов и горных пород заключается в том, что оценивают смачивающую способность растворов по массе раствора, удерживаемого в порошке капиллярными силами, при этом смачивающие растворы подбирают с концентрацией, равной критической концентрации мицеллообразования (ККМ). Частицы заливают раствором выше их поверхности, а по прошествии заданного времени раствор сливают и определяют его массу, оставшуюся в сосуде с частицами, удерживаемую капиллярными силами и отнесенную к массе частиц, при этом удерживаемую капиллярными силами массу раствора сравнивают с удерживаемой массой раствора эталонного смачивателя. Техническим результатом является повышение точности оценки смачивающей способности добавок ПАВ к воде, простота измерения и повышение производительности труда. 2 ил.

Способ демонстрации самоизоляции металла и расщепления его поверхностного заряда // 2601208

Изобретение может быть использовано для изучения поверхностных явлений. Электрод из исследуемого металла приводят в контакт с ионной жидкостью. Регистрируют эстанс (производная поверхностного натяжения твердого тела по поверхностной плотности заряда) и ток как функции потенциала электрода. Находят ступени эстанса в форме экстремума и перегибов в интервале потенциалов, где зависимость тока от потенциала не имеет ступеней. Оценивают наклон зависимости эстанс-потенциал между ступенями эстанса. Показывают превосходство абсолютного значения этого наклона над единицей, из чего делают вывод о наличии у металла изолирующего покрытия, электрострикция которого дает вклад в поверхностное натяжение твердого тела. Отсутствие изменений тока, соответствующих ступеням эстанса, объясняют расщеплением поверхностного заряда металла изолирующим покрытием на внутреннюю и внешнюю части, имеющие взаимно компенсирующие ступени, причем только внутренняя, ступенчато меняющаяся часть вызывает в изолирующем покрытии электрострикцию, создающую ступени эстанса, тогда как ток обусловлен изменением суммарного заряда, не имеющего ступеней. Изобретение обеспечивает возможность экспериментально показать связь между спонтанным образованием изолирующего покрытия на металле, свободном от окисла, и расщеплением поверхностного заряда металла на две части, разделенные этим изолирующим покрытием. 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

Способ исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных материалов // 2606089

Изобретение относится к областям микро- и наноэлектроники, физики поверхности и может быть использовано для исследования информационных характеристик поверхности наноструктурированных и самоорганизующихся твердотельных материалов. Сущность способа заключается в том, что получают изображения исследуемой поверхности с высоким разрешением средствами атомно-силовой микроскопии, вычисляют с помощью метода средней взаимной информации характеристики поверхности, классифицируют исследуемую поверхность по величине энтропии и степени упорядоченности. 1 ил.

Способ определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов // 2613191

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса в капиллярно-пористых материалах для определения коэффициента диффузии растворителей в строительных материалах и конструкциях, а также в пищевой, химической и других отраслях промышленности. Способ определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов, заключается в создании в исследуемом образце равномерного начального содержания распределенных в твердой фазе веществ, приведении плоской поверхности образца в контакт с импульсным точечным источником дозы растворителя, гидроизоляции этой поверхности и определении времени достижения максимума на кривой изменения ЭДС гальванического преобразователя с расположенными электродами на этой поверхности по концентрической окружности относительно точки воздействия дозой растворителя и расчете искомого коэффициента диффузии. При этом дополнительно осуществляют выдержку образца в атмосфере насыщенных паров растворителя при заданной температуре контроля и определяют равновесную концентрацию растворителя в твердой фазе исследуемого образца. Затем высушивают образец и определяют плотность исследуемого образца в сухом состоянии. После чего импульсное воздействие осуществляют дозой растворителя из диапазона, рассчитываемого по формуле: , где ρ0 - плотность исследуемого образца в сухом состоянии, Up - равновесная концентрация растворителя в исследуемом образце при контакте с насыщенными парами растворителя при заданной температуре, r0 - расстояние между электродами и точкой воздействия дозой растворителя на контролируемое изделие. Техническим результатом является повышение точности контроля и снижение затрат времени и средств на проведение исследований. 2 табл., 1 ил.

Способ определения коэффициента диффузии растворителей в листовых капиллярно-пористых материалах // 2643174

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса и для определения коэффициентов диффузии растворителей в изделиях из листовых капиллярно-пористых материалов в бумажной, легкой, строительной и других отраслях промышленности. Предложен способ определения коэффициента диффузии растворителей в листовых изделиях из капиллярно-пористых материалов, заключающийся в том, что в исследуемом листовом материале создают равномерное начальное содержание распределенного в твердой фазе растворителя. Затем исследуемый материал помещают на плоскую подложку из непроницаемого для растворителя материала, гидроизолируют верхнюю поверхность материала, в начальный момент времени осуществляют импульсное точечное увлажнение верхней поверхности исследуемого изделия дозой растворителя. Затем измеряют изменение во времени сигнала гальванического преобразователя на заданном расстоянии от точки нанесения импульса дозой растворителя, фиксируют значения сигнала гальванического датчика в два момента времени и рассчитывают коэффициент диффузии. Причем измерение коэффициента диффузии осуществляют при условии достижения в эксперименте максимума сигнала гальванического преобразователя Еmax, составляющего 0,75-0,95 от максимально возможного значения данного сигнала Ее, соответствующего переходу растворителя из области связанного с твердой фазой исследуемого материала в область свободного состояния. Фиксируют моменты времени τ1 и τ2, при которых достигаются одинаковые значения сигналов гальванического датчика Е1 и Е2 из диапазона (0,7-0,9)Eе соответственно на восходящей и нисходящей ветвях кривой изменения сигнала во времени, а расчет коэффициента диффузии производят по формуле: где r0 - расстояние между электродами гальванического преобразователя и точкой воздействия дозой растворителя на поверхность контролируемого изделия. Технический результат - повышение точности и быстродействия измерения коэффициента диффузии растворителей в листовых изделиях их капиллярно-пористых материалов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Способ определения поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники // 2644982

Использование: для неразрушающего контроля металлических деталей авиационной техники при ее изготовлении. Сущность изобретения заключается в том, что значение поверхностной энергии определяют с учетом их твердости и работы выхода электрона, причем для определения работы выхода электрона на предварительно очищенной от загрязнений поверхности контролируемых деталей измеряют контактную разность потенциалов прибором, имеющим усилитель с предварительной фильтрацией сигнала, микропроцессор основной обработки сигнала, управления и индикации, индикатор отображения информации, а также датчик, имеющий в своем составе электромеханическую колебательную систему, электромагнитный возбудитель колебаний, буферный усилитель сигнала, вибрирующий измерительный электрод, изготовленный из материала с известной работой выхода электрона, и затем проводят расчет поверхностной энергии по определенной формуле. Технический результат: обеспечение возможности определения поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники, изготовленных из многокомпонентных сплавов, в процессе их производства, эксплуатации и ремонта. 1 ил., 1 табл.