閉孔率測試：材料內部結構的洞察窗口

何謂閉孔率？

閉孔率是衡量多孔材料（如泡沫塑料、密封材料、隔熱材料等）內部閉孔結構所占體積百分比的關鍵參數。閉孔是指材料內部彼此孤立、互不連通、且氣體或液體無法自由穿透的微小孔穴。與之相對的是開孔，即相互連通或與外界連通的孔穴。

為何測試閉孔率至關重要？

閉孔率對材料的多種物理和化學性能有決定性影響：

• 隔熱性能： 閉孔因其內部靜止的空氣或氣體，能有效阻隔熱傳導和對流，是優秀保溫隔熱材料（如XPS擠塑板、硬質聚氨酯泡沫）的核心特征。閉孔率越高，通常隔熱性能越好。
• 防水防潮性： 閉孔結構能有效阻擋液態水和蒸汽的滲透，提升材料的抗水性和抗潮性。開孔結構則易于吸水和受潮。
• 機械強度與剛性： 閉孔結構通常能提供更高的壓縮強度、抗沖擊性和尺寸穩定性。
• 浮力： 閉孔結構使材料具有更低的有效密度，從而提供更好的浮力（如救生浮材）。
• 化學穩定性： 閉孔結構能減少材料內部與外界的接觸面積，從而降低化學侵蝕的風險。
• 吸聲性能： 開孔結構在吸聲材料應用中更具優勢（聲波能量轉化為熱能），而閉孔結構吸聲效果較弱。

因此，精確測定閉孔率對于材料研發、質量控制、性能評估以及應用選型具有不可替代的意義。

核心測試原理與方法

閉孔率測試的本質在于精確區分材料內部的閉孔體積、開孔體積和基體骨架體積。目前國際上廣泛認可的測試標準主要有兩種，其核心原理均基于阿基米德浮力原理：

• 方法A：體積膨脹法（常用標準如GB/T 10799, ISO 4590, ASTM D6226）

  • 核心步驟簡述：
    1. 試樣準備： 精確切割規則幾何形狀（通常為立方體或圓柱體）的試樣，測量其幾何體積(Vg)。
    2. 干燥處理： 將試樣干燥至恒重，去除吸附水分影響。
    3. 測量骨架體積(Vs)： 使用真密度儀（或稱氦氣比重瓶）測量。氦氣分子極小，能滲入所有開孔和微小的表面縫隙，但不穿透閉孔壁。通過排出氦氣的體積，精確測得材料基體骨架（不含任何孔穴）的體積Vs。
    4. 計算開孔體積(Vo)：開孔體積Vo = 幾何體積Vg - 骨架體積Vs。
    5. 計算閉孔體積(Vc)：閉孔體積Vc = 骨架體積Vs - 骨架材料的真實體積(Vm)。然而，Vm在實際操作中通常難以直接測量。
  • 關鍵計算：
    閉孔率(Φc) = [ (Vg - Vo - Vm) / (Vg - Vm) ] × 100% ≈ [ (Vs - Vm) / (Vg - Vm) ] × 100%
    實際應用中，定義表觀開孔體積百分率(AOVP) = (Vo / Vg) × 100%
    則閉孔率(Φc) = 100% - AOVP - (Vm / Vg) × 100%
    通常Vm相對于Vg很小，可近似為：閉孔率(Φc) ≈ 100% - AOVP
    而AOVP = [ (Vg - Vs) / Vg ] × 100%

• 方法B：液體浸漬法（常用標準如ASTM D2856）

  • 核心步驟簡述：
    1. 試樣準備與干燥： 同上。
    2. 空氣中稱重(Wa)： 測量試樣在空氣中的干重。
    3. 抽真空與浸漬： 將試樣置于浸漬液中（常用無水乙醇或蒸餾水添加潤濕劑），進行抽真空處理，迫使浸漬液填充所有開孔和表面孔隙，但不進入閉孔。標準操作確保充分浸潤。
    4. 浸液中稱重(Wl)： 將飽和浸漬的試樣懸掛在浸漬液中，測量其表觀重量（受浮力影響）。
    5. 計算：
       • 浮力 (F) = Wa - Wl
       • 試樣總體積 (Vg) = F / ρl (ρl為浸漬液密度)
       • 開孔與孔隙吸入的液體體積 (即開孔體積Vo) = (試樣飽和后在空氣中重量 (Ws) - Wa) / ρl
       • 閉孔率 (Φc) = [ 1 - (Vo / Vg) ] × 100% = [ (Vg - Vo) / Vg ] × 100%
       • 其中，(Vg - Vo) 包含了閉孔體積和骨架材料體積。此法得到的閉孔率是閉孔所占材料總體積的百分比。

兩種方法的主要區別與選擇考量：

• 測試對象： 方法A（體積膨脹法）應用更廣泛，尤其適用于硬質閉孔泡沫（如XPS, PU）。方法B（液體浸漬法）對軟質或開孔較多的材料可能更適用，但需注意液體浸潤效果和試樣處理難度。
• 精度： 方法A使用氦氣，能進入極微小開孔，精度通常被認為更高。方法B受浸漬液表面張力、浸潤效果影響較大。
• 效率與成本： 方法A需要昂貴的真密度儀，測試相對快速。方法B設備簡單，但步驟繁瑣耗時（尤其是抽真空和飽和稱重），液體選擇和處理也需謹慎。
• 結果定義： 方法A結果通常表述為閉孔所占孔隙體積的百分比（更側重孔結構本身）。方法B結果是閉孔占材料總體積的百分比（更側重材料的整體構成）。

測試關鍵影響因素與注意事項

1. 試樣狀態： 試樣必須代表材料整體，避免表皮效應。邊緣需切割整齊光滑，無明顯缺陷。尺寸需符合標準要求。
2. 干燥程度： 任何殘留水分都會顯著影響體積測量（特別是方法A的Vs和方法B的Wa, Ws），必須確保充分干燥至恒重。
3. 溫度與濕度： 實驗室環境溫度、濕度需控制穩定，尤其對吸濕性材料。浸漬液溫度也需記錄。
4. 操作規范性：
   • 方法A： 真密度儀需定期校準；試樣放入比重杯需小心避免擠壓；抽真空和充氦氣過程需嚴格按照標準程序。
   • 方法B： 抽真空需徹底排除開孔內空氣；浸漬時間要充足確保飽和；飽和試樣稱重需迅速且避免液體滴落；浸漬液密度需準確測定。
5. 設備精度： 天平（精度通常要求0.1mg或更高）、體積測量裝置（游標卡尺、千分尺）或真密度儀、比重瓶等均需定期校準。
6. 方法選擇： 根據材料特性（硬度、開孔程度）、所需精度、設備條件及遵循的標準來選擇合適方法。

閉孔率測試的典型應用場景

1. 建筑保溫材料： 評估XPS擠塑板、EPS模塑聚苯板、硬質聚氨酯泡沫(PU/PIR)、酚醛泡沫等保溫材料的隔熱性能等級和質量一致性。高閉孔率是優質保溫材料的關鍵指標。
2. 冷鏈物流與包裝： 確保冷藏箱、保溫箱、冷鏈包裝箱所用隔熱材料的長期高效保溫性能。
3. 浮力材料： 救生衣、救生圈、浮標、深海浮力材料等依賴閉孔結構提供穩定可靠的浮力。
4. 密封與減震材料： 評價用于密封條、墊片、減震部件的泡沫橡膠或塑料的防水密封性和彈性恢復能力。
5. 復合材料芯材： 評估用于風力葉片、船艇、航空航天等領域的夾層結構芯材（如PVC泡沫、PET泡沫、SAN泡沫）的力學性能和綜合性能。
6. 高分子材料研發： 研究發泡工藝（原料配方、溫度、壓力、發泡劑類型與用量等）對泡孔結構的影響，優化材料性能。

結語

閉孔率測試是揭示多孔材料微觀結構與宏觀性能聯系的核心技術手段。無論是材料供應商的質量控制，還是下游用戶的應用選型與性能驗證，精準可靠的閉孔率數據都不可或缺。理解不同測試方法的原理、適用范圍和局限性，嚴格控制測試過程中的關鍵環節，是獲得可信賴結果的基石。通過持續應用閉孔率評估，能夠有效推動高性能多孔材料的研發創新，并在建筑節能、交通運輸、安全防護等諸多領域實現更優化的材料應用解決方案。