美國micromeritics / 2023年二月份電子報-可以從BET的自由空間功能計算樣品的真密度嗎？

目的

MIC的BET客戶經常提出的一個常見問題是，是否可以通過氣體吸附分析儀測量的自由空間 (Free space)來計算密度，而不是使用專為獲取密度而設計的儀器？ 本技術說明將探討使用這種方法的可能性，並與 Micromeritics AccuPyc II 獲得的結果進行比較。

氣體吸附儀測量在不同壓力下吸附的氣體量。 該訊息用於計算表面積和孔隙率(Porosity)。為了確定吸附在樣品上的氣體量，系統必須確定樣品管內未被樣品佔據的可用體積。典型氣體吸附經由使用氦氣（一種非吸附性氣體）進行兩次測量來確定該自由體積（也稱為自由空間）。環境自由空間是在環境溫度下測量的，而分析自由空間是在分析溫度下測量的。

樣品體積可以通過從裝有樣品的同一管的周圍自由空間中減去空管的周圍自由空間來估算。然後可以經由將樣品的質量除以體積來計算密度。

氦氣置換法以類似的方式運行。 比重瓶 (Pynometer)使用已知體積進行校準，通常是球體或具有明確幾何形狀、已知成分和眾所周知的熱膨脹係數的無孔陶瓷。比重瓶校正用於確定參考室和體積室的體積。然後將樣本放置在樣本室中，並採用類似於自由空間測定的過程來確定被樣本材料封閉的樣本室的體積。該過程通常重複 10 個循環以確定被測材料的平均體積。

方法

在本案例研究中，獲得了 3/8 和 1/2 英寸空樣品管的環境自由空間。 對氧化鋁、炭黑、不銹鋼、鎢和碳化鎢進行分析以確定環境自由空間。 對樣品進行適當脫氣以確保清潔並稱重。 表 1 顯示了環境自由空間值、樣品質量以及計算的體積和密度。

AccuPyc II 使用波義耳定律計算樣品的體積。不需要參考室和样品室的溫度，因為兩個室在同一鋁塊內處於相同的溫度。 樣品室加壓高於環境壓力，將分析氣體推入孔中以獲得準確體積的材料。 執行多個循環以獲得平均樣品體積。

從氣體吸附樣品管中取出樣品，然後放入 AccuPyc 並在 20 °C 下分析以確定骨架密度 (skeletal density)。樣品槽 (Cell)體積和膨脹體積分別為 5.7898 cm³和 8.3778 cm³。表2 將 AccuPyc 獲得的密度值與通過自由空間減法獲得的計算值進行了比較。

計算和測量的密度與預期密度

表 1. 使用的不同材料及其根據自由空間測定計算出的各自密度值

表 2. Micromeritics AccuPyc II 與自由空間減法法確定的密度值整理

表 3. 樣品與自由空間體積的比率

總結

在 AccuPyc 上測得的密度非常接近預期值。從自由空間扣除方法獲得的值明顯更高，圖 1。

使用環境自由空間來確定密度是一種非正常的方法，因為它通常不打算用於此目的。氣體吸附分析儀上的環境自由空間測量是在大氣壓以下進行的，並且只進行一次。AccuPyc 將樣品室加壓至大氣壓以上，確保氣體進入表面開放的孔隙，並多次重複此過程。經由氣體吸附測量的空白和樣品的環境自由空間會根據溫度波動，因此應在相同的環境溫度下獲得空管自由空間和存在樣品的自由空間，以盡量減少誤差。AccuPyc 測量是在等溫環境中記錄的。AccuPyc 採用高導熱材料構造，這種設計原理提供了精確位移體積測量所需的穩定溫度環境。

當樣品佔據樣品室內大部分可用體積時，AccuPyc 得到最佳化。氣體吸附儀上的樣品管需要裝滿才能等效，這既不實用也不推薦。樣品體積與自由空間體積比見表 3。這些值遠低於在 AccuPyc上獲得的樣品體積與樣品槽體積比，如表 2 所示。

AccuPyc 主要在獲得準確的密度結果，優於從氣體吸附儀器獲得的減法方法，後者則未針對密度測定進行最佳化。

資料來源：micromeritics官網

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