способ измерения общей пористости полимерных материалов по заполнению их водой при повышенном давлении и комнатной температуре

Формула изобретения

Способ измерения общей пористости полимерных материалов, заключающийся в том, что образец выдерживают при комнатной температуре в жидкости и взвешивают, а общую пористость определяют по изменению массы образца, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют воду, в которой выдерживают полимерные образцы из группы полистирол, или поликарбонат, или полиметилметакрилат, или полилактид при давлении 300 атм, обеспечивающем возможность последующей полной термической десорбции воды из полимерного образца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу измерения общего объема пор полимерных материалов по заполнению их водой при комнатной температуре и давлении 300 атм.

Сегодня пористые полимерные материалы широко применяются в различных областях науки и техники. Так, описано применение пористых полимеров в качестве фильтров для улавливания органических веществ [Мое, WM., Irvine RL. Polyurethane foam based biofilter media for toluene removal. Water Sci Technol 2001; 43 (11): 35-42.] и летучих компонентов запаха [Avison SJ, Gray DA, Davidson GM, Taylor AJ. Infusion of volatile flavor compounds into low-density polyethylene. J Agric Food Chem 2001 Jan; 49 (1): 270-5.], как адсорбентов для разделения биомолекул [Маут В, Tessadri TR., Post E, Buchmeiser MR. Metathesis-based monoliths: influence of polymerization conditions on the separation of biomolecules. Anal Chem 2001 Sep 1; 73 (17): 4071-8.], в микрожидкостной хроматографии и капиллярном электрофорезе [Gusev I, Huang X, Horvath С. Capillary columns with in situ formed porous monolithic packing for micro high-performance liquid chromatography and capillary electrochromatography. J Chomatogr A 1999 Sep 3; 855 (1): 273-90.], в оптических электронных устройствах [Mayes AG, Biyth J, Millington RB, Lowe CR. A holographic sensor based on a rationally designed synthetic polymer. J Mol Recognit 1998 Winter; 11 (1-6): 168-74.] и электрохимических источниках питания [Sotiropoulos S., Brown I.L., Akay G., Lester E. Nickel incorporation into a hollow fibre microporous polymer: a preparation route for novel high surface area nickel structures. Materials Letters 35 (1998) 383-391.]. Большие возможности открывает использование пористых полимерных материалов в медицине. На их основе могут быть получены источники медленного высвобождения лекарственных препаратов в организме человека [Jang Q, Williams D, Owusu-Ababio G, Ebube NK, Habib MJ. Controlled release tacrine delivery system for the treatment of Alzheimer's disease. Drug Deliv 2001 Apr-Jun; 8 (2): 93-8.], а также в качестве имплантантов-заменителей костной ткани с улучшенной приживаемостью [El-Amid S.E., Attawia M., Lu H.H., Shan A.K. Integrin expression by human osteoblast cultured on degradable polymeric Imaterials applicable for tissue engineered bone. J.Orthop Res, Jan 20 (1), 20-8 (2002)].

Вне зависимости от того, в какой области используется данный полимерный материал, его важнейшей характеристикой является объем пор. Для измерения объема пор полимерных материалов традиционно применяются ртутная порометрия [E.J. Garbozci. Mercury porosimetry and effective networks for permeability calculation in porous materials. Powder Thechnology 67, 121 (1991)], а также классический сорбционный метод [А.А Тагер. Физикохимия полимеров. Из-во «Химия», М., 1978 г., 544 с., с 496]. Оба метода имеют ряд существенных недостатков. Так, к очевидным недостаткам ртутной порометрии относятся: необходимость работы с токсичной ртутью под высоким давлением, а также невозможность дальнейшего использования образца после измерений. Адсорбционный метод позволяет проводить измерения пористости только при небольшом (до 1 мкм) радиусе пор образца [Экспериментальные методы в адсорбции и молекулярной хроматографии. Под ред. А.В.Киселева и В.П.Древинга. М., изд-во МГУ, 1970, 466 с.], при этом сам процесс измерения является чрезвычайно длительным.

Наиболее близким к предлагаемому способу измерения общей пористости является способ, описанный в патенте SU 494665 от 16.04.1976. В данном патенте предложен способ измерения пористости капиллярно-пористых материалов посредством погружения образца в пропиточную жидкость и выдерживания в ней до полного заполнения пористого пространства при комнатной температуре и атмосферном давлении. Вычисление пористости при этом осуществляется по разнице в массе образца до и после пропитки. Предлагаемый способ имеет отличия по сравнению с способом, описанным в патенте SU 494665 от 16.04.1976, а именно высокую скорость проведения измерений, обеспечиваемую проведением измерений жидкостью под давлением, и возможность полной термической десорбции жидкости из образца после проведения измерений без существенного изменения пористой структуры.

Для измерений применялась установка, принципиальная схема которой приведена на фиг.1. Измерение производится следующим образом: образец полимера известной массы помещают в ячейку высокого давления Р. Затем при помощи насоса Н ячейку заполняют водой до давления 300 атм. Образец выдерживают при данном давлении в течение 30 минут. Затем образец извлекают из ячейки высокого давления и взвешивают. Общую пористость в см³/г рассчитывают по формуле:

где М - масса образца после заполнения водой.

m - масса образца до заполнения.

₃₀₀ - плотность воды при давлении 300 атм, равная 1, 015 г/см³.

В таблице приведены данные по общей пористости различных полимерных материалов, измеренной с помощью предлагаемого способа. В той же таблице приведен средний размер пор образцов по данным сканирующей электронной микроскопии.

Таблица
Наименование полимера	Средний размер пор, мкм	Общая пористость полимера, см 3/г
Ударопрочный полистирол (HIPS)	50-100	0,89
Поликарбонат	50-70	0,4
Полиметилметакрилат (ПММА)	200-300	0,7
Полистирол	50-100	1,05
Сополимер 94% полиметилметакрилата - 6% полиметилакрилата (дакрил 6)	200-300	1,78
Полилактид	400-500	1,63

К достоинствам метода следует также отнести возможность использования образца после измерений, что немаловажно при проведении научных и технологических разработок. Для иллюстрации этой возможности на фиг.2 приведена диаграмма десорбции воды при температуре 40°С из образцов полиметилметакрилата после измерений. Из фиг.2 видно, что после заполнения при давлении 300 атм вода может быть полностью удалена из образца с помощью сушки в термостате в течение 100 часов при температуре 40°С, и образец может быть использован для дальнейших исследований, что невозможно при использовании метода ртутной порометрии.

Таким образом, в заявке предложен новый экологически безлопастный способ измерения общей пористости полимерных материалов, характеризующийся следующей совокупностью признаков измерение производится с помощью заполнения образца водой при давлении 300 атм и комнатной температуре, при этом общая пористость определяется по разнице в массе образца до и после заполнения. Вода, заполнявшая полимер в процессе измерений, может быть удалена из образца с помощью сушки в термостате, то есть полимерный материал легко регенерировать после измерений. Не существует никаких ограничений по максимальному измеряемому объему пор образца.

Пример. 1. Образец гранулированный полистирол диаметром 4 мм, исходный вес 99 мг. Заполнен водой при давлении 300 атм и температуре 20°С в течение 30 минут. Вес после заполнения 203 мг, вес заполнившей полимер в процессе измерений воды 104 мг. Общая пористость 1,05 см³/г.

Пример 2. Образец полилактида неправильной формы, исходный вес 247 мг. Заполнен водой при давлении 300 атм и температуре 20°С в течение 30 минут. Вес после заполнения 650 мг, вес заполнившей полимер в процессе измерений воды 403 мг. Общая пористость 1,63 см³/г.