Notions de porométrie par écoulement capillaire : mesure des pores traversants

Afin d'obtenir des données optimales et reproductibles, la génération dynamique de pression et la mesure du débit doivent être effectuées de manière contrôlée et en fonction du comportement de l'échantillon. Les porte-échantillons et les liquides utilisés doivent être appropriés pour l'échantillon.

Lorsque la pression sur l'échantillon est augmentée, le poromètre doit mesurer le débit total résultant à travers tous les pores qui se sont nouvellement vidés (le cas échéant) et ceux qui avaient été précédemment vidés. Il est donc important que le flux soit équilibré avant que la pression ne soit à nouveau augmentée. L'utilisation de jeux de données équilibrés avec une augmentation progressive de la pression (définie simplement comme la pression de départ, la pression finale et le nombre de points de données entre elles) permet à chaque échantillon d'être automatiquement optimisé en fonction de ses caractéristiques individuelles. Si de longs temps d'équilibrage provoquent une évaporation excessive du liquide d'essai, choisissez simplement un liquide avec une pression de vapeur plus basse. S'appuyer sur une rampe de pression fixe, ou un scan, par exemple, peut signifier que la pression commence à vider des pores plus petits avant que les pores plus grands ne soient complètement vidés ; cela entraîne un décalage dans la distribution apparente de la taille des pores vers des diamètres plus petits que lorsqu'il est permis au débit de s'équilibrer. Les scans fixes rendent pratiquement impossible la comparaison d'échantillons dissemblables, d'échantillons de géométries, d'épaisseurs ou de tailles différentes, ou de trouver de petites mais importantes différences entre différents lots ou séries de matériaux qui devraient nominalement avoir la même distribution de taille de pores mais qui, en réalité, sont différentes. 

La pression dynamique appliquée à l'échantillon est mesurée en amont de l'échantillon à l'aide de transducteurs de pression dans des conditions de débit nul afin de ne pas introduire de venturi ou d'autres artéfacts, et aussi près de l'échantillon que pratiquement possible pour éliminer toute chute de pression entre l'unité de contrôle fournissant le gaz et le support d'échantillon. Ceci est réalisé à l'aide d'un arrangement de type tube pitot qui transfère la pression à l'échantillon aux transducteurs qui n'ont alors pas besoin d'être montés directement dans le support d'échantillon. Cela élimine également le besoin de recalibrer le poromètre pour différents types d'échantillons.

Le flux de gaz résultant à travers l'échantillon est mesuré en amont de l'échantillon. L'alimentation en gaz est automatiquement ajustée pour maintenir la pression sur les échantillons à mesure qu'un nombre croissant de pores sont vidés et que, par conséquent, le débit résultant augmente. Le débit n'est pas mesuré en aval de l'échantillon – cela nécessiterait que l'échantillon soit scellé des deux côtés et donc soit doublement sensible aux fuites dans le support d'échantillon assemblé.

Le point de bulle et les distributions de taille des pores doivent être mesurés en utilisant la même méthode de détection, c'est-à-dire le flux d'équilibre en fonction de la pression appliquée, et, par exemple, pas la chute de pression pour le point de bulle, de sorte que la limite supérieure de la distribution de taille des pores (plus grand pore) soit déterminée de manière contiguë et en continu avec le reste de la distribution (et le flux continu correspond mieux au traditionnel « flux continu de bulles »).

Les échantillons doivent être scellés dans un support d'échantillon pour éviter le contournement du gaz et l'écoulement autour de l'échantillon. Différents porte-échantillons interchangeables sont utilisés pour les textiles et membranes en feuille mince, les échantillons épais et les échantillons tubulaires (membrane/céramique en fibre creuse). Le flux à travers l'échantillon n'est pas seulement une fonction de la taille des pores ouverts traversants, mais aussi du nombre total de ceux-ci, qui est lui-même une fonction de leur densité (nombre par unité de surface) et de la surface géométrique totale de l'échantillon exposé, c'est-à-dire la perméabilité totale. Il n'est donc pas rare d'ajuster la taille de l'échantillon pour optimiser le débit total par rapport aux capteurs de débit installés dans le poromètre. Les échantillons à faible perméabilité pourraient devoir être analysés en tant que morceau plus grand de membrane/textile dans un support de plus grand diamètre, des tubes plus longs ou plusieurs fibres creuses analysés comme un seul échantillon. Des échantillons à haute perméabilité peuvent être réduits en taille ou un masque peut être utilisé pour masquer une partie de la surface totale des feuilles plates.

Le liquide habituel utilisé est un fluorocarbone (FC), sélectionné pour son comportement de mouillage complet, c'est-à-dire ayant un angle de contact de zéro avec tous les solides. Différents fluorocarbones sont disponibles – la principale différence entre eux étant la pression de vapeur. Les FCs à pression de vapeur plus élevée sont utiles lors des analyses « mouillé avant sec » afin de réduire les possibilités de remouillage des pores traversants à partir des pores aveugles (lorsque le flux dépasse le point d'évacuation des plus petits pores traversants, tout excès de liquide s'évapore). Ils facilitent également le nettoyage puisque le support d'échantillon et les grilles de support sèchent facilement entre les échantillons. Cependant, les FC avec une pression de vapeur trop élevée pourraient s'évaporer prématurément des pores qui n'ont pas encore été vidés par la pression en raison du fort débit de gaz résultant de grands pores déjà vidés dans des échantillons à haute perméabilité. Les FC à basse pression de vapeur ne s'évaporeront pas dans la même mesure, et donc bien qu'ils puissent être bénéfiques pour les matériaux à haute perméabilité, ils peuvent provoquer un remouillage indésirable pendant ou après une analyse humide ; d'où leur association fréquente avec le mode « sec en premier », puis humide. D'autres liquides qui pourraient être utilisés (nonobstant la nécessité de connaître l'angle de contact avec l'échantillon en cours d'essai) incluent l'huile minérale, les alcools et l'eau. Et, tout comme pour les FC, si le fluide de mouillage a une pression de vapeur très élevée (par exemple l'isopropanol ou l'éthanol), il s'évaporera facilement de tous les pores au fil du temps – même sans appliquer de pression. Si le liquide de mouillage a une faible pression de vapeur, la sensibilité au flux de gaz à haute pression à travers les pores déjà ouverts, provoquant l'évaporation des pores adjacents, est réduite. L'évaporation de la structure des pores pendant une période d'analyse prolongée n'est pas vraiment importante si le seul intérêt est le point de bulle et non une distribution complète des tailles de pores. Lorsqu'on considère un liquide à utiliser dans le CFP, il ne doit y avoir aucune interaction chimique ou physique telle que dissolution, gonflement, etc. avec l'échantillon en cours d'essai.

L'hypothèse de base dans l'application de l'équation de Washburn est que tous les pores traversants sont des cylindres parfaits avec une section transversale circulaire ; les tailles de pores par cette méthode, donc, ne corrèlent pas nécessairement avec les résultats de rejet de particules basés sur des tamis tissés. Pour des échantillons réels, cette hypothèse peut être retenue, ou un facteur de forme, S, peut être inclus pour accommoder empiriquement une déviation par rapport à cette géométrie idéale (un pore circulaire a une valeur de facteur de forme égale à 1). Par exemple, un pore carré de côté d peut se voir attribuer un facteur de forme, S, 0,785 par rapport à un cercle de diamètre d, basé sur $$S = 4\pi A/l^2$$ (2) où A est la surface de la section transversale du pore et l est la longueur du périmètre du pore. Pour un fluide complètement mouillant, où θ est nul, le cosinus = 1, l'équation de Washburn (Éqn 1) peut alors être écrite comme suit pour le calcul du diamètre des pores : $$d = {4y\cdot S \over P}$$ (3) En l'absence de toute information spécifique sur la géométrie des pores, une valeur de 0,715 pour le facteur de forme est couramment utilisée lors de l'analyse des filtres à membrane. S peut également être utilisé comme un facteur pour harmoniser les valeurs de taille de pore avec d'autres techniques de mesure de taille de pore. La tortuosité des pores, un facteur distinct du facteur de forme, peut être appliquée pour tenir compte des différences entre la longueur des pores "hydrauliques", L, et l'épaisseur de l'échantillon, t, et est utilisée pour les calculs de surface des pores et de volume des pores. Il est appliqué empiriquement selon le concept suivant : $$\tau = {L \over t}$$ (4) Certaines méthodes, telles que ASTM F316^[4], utilisent un facteur de conversion appelé tortuosité mais c'est en fait un facteur de forme dérivé empiriquement. Des facteurs tels que la forme des pores et la tortuosité sont généralement utilisés de manière arbitraire pour amener diverses techniques de mesure de taille des pores à un accord empirique et non pour définir de véritables paramètres de structure des pores.