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專業(yè)專注，防水透氣膜領域?qū)＜?/strong>
透氣膜動態(tài)

防水透氣膜氣體如何透氣？

防水透氣膜氣體傳遞理論
 
 
不同防水透氣膜的結構不同，氣體通過膜的傳遞擴散方式不同，透過機理也各異。氣體透過薄膜機理有兩種：一是通過非多孔膜的溶解-擴散機理；二是通過多孔膜的微孔擴散機理，多孔介質(zhì)中氣體傳遞機理包括努森擴散、粘性流動、表面擴散流、分子篩分、毛細管凝聚等。由于多孔及孔內(nèi)表面性質(zhì)的差異使得氣體分子與多孔介質(zhì)之間的相互作用程度有所不同，從而表現(xiàn)出不同的傳遞特征。
(1) 努森擴散（Knudsen擴散）
如果薄膜孔徑很小或氣體壓力很低時，λ/d>>1（λ：分子自由程；d：孔徑），孔內(nèi)分子流動受分子與孔壁之間的碰撞作用支配，稱為努森擴散，又稱自由分子流，如圖2-1中右側所示。單位面積的氣體透過速率qK和透過系數(shù)KK用下式表示：
 式（2-1）
 式（2-2）
式中：r：微孔孔徑，m；ε：孔隙率；τ：孔的形狀因子；L：薄膜厚度，m；τL：阻力厚度，m；T：溫度，K；P2-P1：薄膜兩側壓差，pa；M：氣體分子量，kg/mol；R：氣體常數(shù)：8.314J/mol·K；qK：氣體透過速率，mol/m2·s；KK：透過系數(shù)，mol/m2·s·pa。
從式（2-1）可見，氣體分子的透過系數(shù)與壓力差無關，而與分子量的平方根成反比。當膜與壓差一定時，分子量是決定膜透過速率的唯一參數(shù)，顯然只有當分子量相差較大時，氣體的過濾性能才有明顯的透過速率差，此時由于努森擴散可使氣體得以分離。

圖2-1 Poiseuille流動與Knudsen擴散示意圖
（2）粘性流動（Poiseuille流動）
如果d/λ<<1，孔內(nèi)分子流動受分子之間碰撞作用支配，則透過性能受粘性流動控制，此時努森擴散對氣體透過量的貢獻可以忽略，如圖2-1中左側圖所示。根據(jù)Hargen-Poiseuille方程，單位面積的氣體透過速率qP和透過系數(shù)KP用下式表示：
式（2-3）
式（2-4）
式中：r：微孔孔徑，m；ε：孔隙率；τ：孔的形狀因子；L：薄膜厚度，m；τL：阻力厚度，m；T：溫度，K；P2-P1：薄膜兩側壓差，pa；η：氣體粘度，pa·s；R：氣體常數(shù)：8.314J/mol·K；qP：氣體透過速率，mol/m2·s；KP：透過系數(shù)，mol/m2·s·pa。
可見，氣體分子的透過性能與氣體粘度有關。采用Chung、Lucas、Reichenberg等方法可較好地對氣體粘度進行估算、氣體粘度與溫度、氣體分子摩爾體積。分子量等因素有關。在上述計算方法中，粘度均與氣體分子量的1/2次方成正比。
若λ/d值近似為1，努森擴散和粘性流動并存，此時氣體透過整張膜的流量是以粘性流動和努森擴散共同貢獻的結果，兩者均不可以忽略，對于同一氣體而言，單位面積總透過速率q和透過系數(shù)K為：
q=qK+qp式（2-5）
?
式（2-6）
（3）表面擴散流
如果氣體分子可與介質(zhì)表面發(fā)生相互作用，氣體分子吸附在孔壁上，當存在壓力梯度，分子在表面的占據(jù)率不同，產(chǎn)生沿表面的濃度梯度和向濃度遞減方向的擴散，從而產(chǎn)生表面擴散流。操作溫度越低，孔徑越小，表面擴散越明顯。在表面流存在的條件下氣體流過膜孔流量由努森擴散和表面擴散流疊加。
（4）毛細管凝聚
對孔徑僅僅比分子篩稍大數(shù)埃的膜孔，若氣體的凝聚溫度較低，凝聚性氣體將在孔內(nèi)產(chǎn)生毛細管凝聚現(xiàn)象，阻礙其他分子通過，從而造成不同氣體的透過行為不同。
（5）分子篩分機理
如果膜孔徑介于不同氣體分子直徑之間，那么直徑小的分子可以通過膜孔，而直徑大的氣體分子將被截留，即具有篩分效果，則使得不同直徑的氣體有很大差別的透過行。
以上是對多孔膜的氣體傳遞理論的說明。實驗系在室溫下進行，PTFE薄膜表面能低，可以忽略氣體與PTFE膜的吸附作用，氣體分子不與PTFE表面發(fā)生相互作用，因此氣體基本不以表面擴散的形式通過膜孔；薄膜孔徑遠遠大于氣體分子的直徑，且實驗溫度下，所有氣體均不發(fā)生凝聚現(xiàn)象，可以排除毛細管凝聚和分子篩分的可能。因此，可以推斷氣體分子將以努森擴散和粘性流動中的一種或兩種機理共存下透過膜孔。根據(jù)式（2-1）和式（2-3）可以看出，無論氣體分子是以努森擴散還是以粘性流動的形式透過膜孔，氣體透過速率均與孔隙率成正比關系。如果氣體分子受努森擴散和粘性流動共同控制，則氣體透過系數(shù)與孔半徑的關系應在3-4次方之間。