Die Quecksilberporosimetrie, wie sie mit dem AutoPore durchgeführt wird, dient in erster Linie der Messung des Gesamtvolumens der Poren in einer Probe zwischen einer oberen und einer unteren Grenze der Porengröße mit einer Genauigkeit von 1 %. Neben der Porosität wird die Quecksilberporosimetrie häufig auch zur Messung der Schüttdichte und der Skelettdichte.

In Bezug auf die Quecksilberporosimetrie ist die Schüttdichte definiert als das Einheitsgewicht pro Volumeneinheit (in der Regel Gramm pro Kubikzentimeter) eines Materials nach Abzug des Volumens der größten offenen Poren (größer als eine bestimmte Größe). Ein typischer Wert für die größte in der Schüttdichte enthaltene Pore ist 180 Mikrometer (µm). Die Skelettdichte wird in der Regel berechnet, nachdem das Volumen aller Poren, die größer als etwa 0,005 µm sind, von dem Volumen, das das Material vermutlich einnimmt, abgezogen wurde.

Es ist offensichtlich, dass das Quecksilberporosimeter die Dichte nicht direkt misst, sondern in erster Linie ein Volumenmessgerät ist. Die Umrechnung in Dichten erfordert, dass der Bediener die notwendigen Gewichte zur Verfügung stellt, um die Berechnung durchzuführen. Das Verständnis der Berechnungen der Schüttdichte und der Skelettdichte wird viel einfacher, wenn man sich das Konzept des Quecksilberporosimeters als Volumenmessgerät vor Augen hält.

Berechnungen

Die Herleitung der Formeln für die Schütt- und Skelettdichte beginnt mit Abbildung 1, einer vereinfachten Skizze eines Penetrometers mit einer porösen Probe. Das Innenvolumen des Penetrometers, einschließlich des Kolbens und der Kapillare, wurde zuvor durch die Technik der Quecksilberfüllung und -wägung bestimmt. Nehmen wir an, dass die Probe eingeführt wurde und das Quecksilber das gesamte verbleibende Volumen mit Ausnahme des Volumens, das von der Probe und ihren Poren mit einem Öffnungsdurchmesser von weniger als etwa 180 µm eingenommen wird, gefüllt hat. Wir können nun schreiben:

Die Betriebsverfahren für das Quecksilber-Porosimeter erfordern die Gewichte 1) des leeren Penetrometers einschließlich der Verschlusstechnik, 2) des verschlossenen Penetrometers, in dem sich nur die Probe befindet, und 3) des verschlossenen Penetrometers, in dem sich die Probe befindet und das mit Quecksilber gefüllt ist. Diese Gewichte ermöglichen es, das Quecksilbervolumen zu bestimmen, das den verbleibenden Raum um die Probe herum einnimmt. Es ist:

Fehlersuche

Bei der Dichtebestimmung mittels Quecksilberporosimetrie kommt es manchmal zu Fehlern und schlechten Ergebnissen. Der wahrscheinlichste Grund für schlechte Ergebnisse ist in Gleichung (5) ersichtlich. Man beachte, dass Vs_(B) meist eine kleine Zahl ist, die sich durch Subtraktion zweier größerer Zahlen ergibt, die nahezu gleich sind. Es ist nicht ungewöhnlich, dass diese Zahlen 10-mal größer sind als Vs_(B). Ein Prozent Fehler in den Zahlen wird zu zehn Prozent Fehler in Vs_(B). Alle Zahlen für die Berechnung von Vs_(B) werden vom Bediener geliefert und stammen hauptsächlich aus Wägeverfahren. (_Vpen wird in der Regel durch Wiegen des mit Quecksilber gefüllten Penetrometers und Dividieren des Gewichts durch die Dichte von Quecksilber bei Umgebungstemperatur ermittelt).

Die größte Möglichkeit, dass sich ein Gerätefehler auf Vs_(B) auswirkt, besteht beim Füllvorgang. Sollte das Penetrometer nicht vollständig gefüllt sein, wird das überschüssige Volumen der Probe zugerechnet. Ein leichter Fehler kann auch aufgrund von Temperaturunterschieden auftreten, da einige Geräte davon ausgehen, dass die Dichte von Quecksilber bei 13,5335, dem Wert von 25°C, konstant ist. Der genaue Druck, mit dem das Quecksilber zu Beginn der Messung des Porenvolumens beaufschlagt wird, wirkt sich ebenfalls auf das Volumen aus, da höhere Drücke zunehmend kleinere Poren füllen. Wenn das Material eine signifikante Porenvolumenverteilung im 100-µm-Bereich aufweist, ist es schwierig, reproduzierbare Volumenmessungen zu erhalten, da ein hochpräziser und reproduzierbarer Ausgangsdruck erforderlich ist.

Die genaue Messung des Skelettvolumens Vs_(S) hängt zunächst von der Genauigkeit von Vs_(B) und dann von der Genauigkeit der Porenvolumenmessung ab. Sie ist jedoch nicht so stark vom Ausgangsdruck abhängig, da jegliches Porenvolumen, das bei dem niedrigen Fülldruck nicht eingedrungen ist (und damit _Vs(B) erhöht), durch Quecksilber eingedrungen, gemessen und bei steigendem Druck abgezogen wird. Der Fehler hebt sich somit selbst auf.

Abweichungen der gemessenen Skelettdichten von den Handbuchwerten für das Material können auch auf geschlossene Poren, zu denen Quecksilber keinen Zugang hat, auf Poren, die zu klein sind, um bei dem höchsten verwendeten Druck von Quecksilber durchdrungen zu werden, und auf eine Kompression der Probe zurückzuführen sein. Die Komprimierung kann bei organischen Materialien besonders stark sein. Bei Kunststoffen kann bei 60.000 psia eine Volumenverringerung von bis zu 10 % auftreten. Damit einher geht eine Änderung der Dichte, die vom Gerät angezeigt wird.

Empfehlungen

Im Folgenden finden Sie einige Empfehlungen, die dazu beitragen, Fehler zu minimieren:

• Sicherstellen, dass das Wägen auf mindestens 5 signifikante Stellen genau ist, wenn möglich
• Bestimmen Sie das Innenvolumen (Kolben und Kapillare) des Penetrometers nach Möglichkeit auf fünf signifikante Stellen genau. Achten Sie darauf, immer die gleiche Verschlusskappe mit dem Penetrometer zu verwenden, da leichte Unregelmäßigkeiten von Kappe zu Kappe zu messbaren Fehlern im Innenvolumen führen können.
• Überprüfen Sie gelegentlich die Penetrometer, um sicherzustellen, dass sie richtig gefüllt sind.
• Vermeiden Sie präzise Dichtemessungen, wenn die Temperatur des Penetrometers stark schwankt.
• Verwenden Sie das maximale praktische Probenvolumen in der Penetrometerkugel, das mit der Kapillarkapazität übereinstimmt. Dadurch wird die mathematische "Hebelwirkung" verbessert.
• Überprüfen Sie die Gewichtsangaben vor jeder Analyse sorgfältig, um Fehler zu vermeiden.
• Untersuchen Sie die Porenvolumenverteilungskurve auf starke Steigung am Anfang und Ende. In solchen Fällen ist es schwieriger, reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Die Steilheit am Hochdruckende kann auch auf das Zerdrücken geschlossener Poren oder die Kompression des Materials zurückzuführen sein.