Porometrische und permeametrische Porencharakterisierung

Die Anwendungsgebiete poröser Materialien haben sich in den letzten Jahren und Jahrzehnten stark vergrößert und werden dies auch in Zukunft tun. Dabei wird das gezielte Erzeugen spezifischer Oberflächen und Porensysteme eine immer größere Rolle spielen, um die eingesetzten Materialien für spezifische Anwendungen zu designen. Entsprechend wichtig sind analytische Methoden und Geräte, um die erzeugten Materialien auf ihre Eignung hin zu untersuchen.

Im Bereich der Filtrations- und Selektionsanwendungen unter Verwendung poröser Materialien geht es dabei meist um einen bestimmten Porentyp – die sogenannte Durchgangspore. Damit gemeint ist eine Pore, die das Material vollständig durchdringt und zwei Seiten eines Werkstücks miteinander verbindet. Das Anwendungsspektrum ist dabei sehr breit und reicht von medizinischen Applikationen wie Dialyse bis hin zu Separatoren von Elektroden innerhalb von Brennstoffzellen. Für eine präzise Charakterisierung der Porensysteme und die Erfassung der Porengrößenverteilung können Kapillarfluss-Porometer des Herstellers PMI zum Einsatz kommen. Die Porometer können dabei für zwei Hauptanwendungen verwendet werden: in der der Permeametrie und der Kapillarfluss-Porometrie.

Von den beiden Methoden ist die Permeametrie die etwas einfachere. Bei permeametrischen Untersuchungen wird zum einen das Probenverhalten gegenüber steigenden Druck und Gasflussraten untersucht und zum anderen die Möglichkeit eines bestimmten Reinstoffes wie Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlendioxid, das Material bei einem bestimmten Druck zu durchdringen. Die Probe wird hierzu in einem geeigneten Halter in eine Probenkammer verbracht und auf einer Seite des Materials (Anströmseite) ein stetig steigender Druck, beziehungsweise ein konstanter Druck mit einem bestimmten Gas erzeugt. Gemessen wird dabei der Gasfluss in Liter pro Minute durch das Material.

Während die Permeametrie das Material in seinem Verhalten auf eine bestimmte Anwendungssituation hin untersucht, wird bei der Kapillarfluss-Porometrie gezielt die Porengrößenverteilung innerhalb eines solchen Materials charakterisiert. Porometrie-Messungen bestehen aus zwei Schritten. Im ersten Schritt wird zunächst das Probenmaterial mit einer möglichst ideal benetzenden Flüssigkeit (Kontaktwinkel nahe null Grad Celsius) getränkt, so dass alle zugänglichen Poren vollständig mit der Flüssigkeit gefüllt sind. Die Probe wird anschließend analog einer permeametrischen Messung in das Messgerät eingebracht und einem stetig ansteigenden Druck auf der Anströmseite ausgesetzt. Anfänglich sind alle Poren durch das Benetzungsmedium gefüllt und es kommt kein Fluss durch das Material zustande. Mit steigendem Druck (und damit zunehmender Kraft auf die Flüssigkeit im Material) kommt es nun zur Extrusion der Flüssigkeit aus den Poren. Dabei werden zuerst die größten Poren befreit. Der Gasstrom durch die Probe nimmt dabei mit steigendem Druck zu, da mehr und mehr kleinere Poren frei werden. Sind alle Poren frei, kommt es zu einem quasi-linearen Anstieg des Gasflusses in Abhängigkeit vom angelegten Druck analog zu einer Permeametrie-Messung. Die so erhaltene Kurve nennt man „Nasskurve“. Im zweiten Messschritt wird nun die Messung wiederholt, ohne dass die Poren durch eine Benetzungsflüssigkeit befüllt sind. Man erhält auf diese Art und Weise eine „Trockenkurve“, die sich mit dem quasi-linearen Teil der Nasskurve vereinigt. Am Schnittpunkt findet sich der kleinste Porendurchmesser. Unter Anwendung der Young-Laplace-Gleichung erhält man in Abhängigkeit vom angelegten Druck und basierend auf der Oberflächenspannung der Benetzungsflüssigkeit die Porengrößenverteilung. Bei der Verwendung von Standard-Benetzungsflüssigkeiten und Drücken bis zu 35 bar können so Porengrößen bis zu einem Minimum von zirka 15 Newtonmeter erfasst werden.

Die Messgeräte des Herstellers PMI bieten dabei eine große Bandbreite an speziellen Modulen und Möglichkeiten, um die Charakterisierung spezieller Materialien zu ermöglichen. Darüber hinaus ist es selbstverständlich möglich, nach eigenen Vorgaben gefertigte Probenhalter mit den Kapillarfluss-Porometern des Herstellers PMI zu kombinieren. Die Druck- und Flussregler sowie die Flusssensoren werden im Rahmen der regelmäßigen Wartung aufeinander abgestimmt und kalibriert. Diese Kalibrierung kann auch ohne weiteres mit eigenen Konstruktionen durchgeführt werden und ermöglicht so ein noch breiteres Anwendungsfeld der Messgeräte. Die Porometer können mit allen industriell verfügbaren Gasen benutzt werden, sofern das eingesetzte Gas nicht korrosiv ist oder mit dem Probenmaterial reagiert. Im Falle toxischer Gase muss das Gerät in einem entsprechenden Abluftsystem untergebracht werden.

3P Instruments auf der Filtech 2019: Halle 11.2, Stand S12