Eine häufige Frage, die von Anwendern gestellt wird, lautet: Kann die Dichte aus dem freien Raum berechnet werden, der mit einem Gasadsorptionsanalysegerät gemessen wird, anstatt ein Gerät zu verwenden, das für die Dichtebestimmung ausgelegt ist? In dieser technischen Mitteilung wird die Möglichkeit der Anwendung einer solchen Methode untersucht und mit den Ergebnissen des Micromeritics AccuPyc II verglichen.
Gasadsorptionsgeräte messen die Menge des adsorbierten Gases bei verschiedenen Drücken. Diese Informationen werden zur Berechnung von Oberflächen- und Porositätsinformationen verwendet. Um die Gasmenge zu bestimmen, die an einer Probe adsorbiert wird, muss das System das verfügbare Volumen innerhalb eines Probenröhrchens ermitteln, das nicht von der Probe belegt ist. Das typische Gasadsorptionsgerät ermittelt dieses freie Volumen (auch als Freiraum bezeichnet) durch zwei Messungen mit Helium, einem nicht adsorbierenden Gas. Der Umgebungsfreiraum wird bei Umgebungstemperatur gemessen, während der Analysefreiraum bei der Analysentemperatur gemessen wird.
Das Probenvolumen kann geschätzt werden, indem der freie Raum eines leeren Röhrchens von dem freien Raum desselben Röhrchens mit der Probe abgezogen wird. Die Dichte kann dann berechnet werden, indem die Masse der Probe durch das Volumen dividiert wird.
Ein Helium-Pyknometer funktioniert auf ähnliche Weise. Das Pyknometer wird mit einem bekannten Volumen kalibriert, in der Regel eine Kugel oder eine nicht poröse Keramik mit genau definierter Geometrie, bekannter Zusammensetzung und bekanntem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Eine Pyknometerkalibrierung wird verwendet, um die Volumina der Referenz- und der Volumenkammer zu bestimmen. Die Probe wird dann in die Probenkammer gegeben, und es wird ein Verfahren angewandt, das den Freiraumbestimmungen ähnelt, um das Volumen der Probenkammer zu bestimmen, das durch das Probenmaterial verschlossen ist. Dieser Vorgang wird in der Regel 10 Mal wiederholt, um ein durchschnittliches Volumen des zu prüfenden Materials zu ermitteln.
Methoden
In dieser Fallstudie wurde der Umgebungsfreiraum für leere 3/8- und 1/2-Zoll-Probenröhrchen ermittelt. Die Analysen wurden an Aluminiumoxid, Ruß, Edelstahl, Wolfram und Wolframkarbid durchgeführt, um den umgebenden freien Raum zu bestimmen. Die Proben wurden ordnungsgemäß entgast, um ihre Sauberkeit zu gewährleisten, und gewogen. Tabelle 1 zeigt die Werte für den Umgebungsfreiraum, die Probenmasse sowie die berechneten Volumina und Dichten.
Der AccuPyc II berechnet das Volumen einer Probe anhand des Boyle'schen Gesetzes. Die Temperatur der Referenz- und der Probenkammer ist nicht erforderlich, da beide Kammern innerhalb desselben Aluminiumblocks die gleiche Temperatur aufweisen. Die Probenkammer wird mit einem Druck über dem Umgebungsdruck beaufschlagt, wodurch das Analysegas in die Poren gedrückt wird, um ein genaues Volumen des Materials zu erhalten. Es werden mehrere Zyklen durchgeführt, um ein durchschnittliches Probenvolumen zu erhalten.
Die Proben wurden aus den Gasadsorptionsröhrchen entnommen, dann in den AccuPyc gegeben und bei 20 °C analysiert, um die Skelettdichte zu bestimmen. Das Zellvolumen und das Expansionsvolumen betrugen 5,7898 cm3 bzw. 8,3778 cm3. Tabelle 2 vergleicht die mit dem AccuPyc ermittelten Dichtewerte mit den durch die Freiraum-Subtraktionsmethode ermittelten Werten.
Ergebnisse
Raums
Zusammenfassung
Die mit dem AccuPyc gemessenen Dichten kamen den erwarteten Werten sehr nahe. Die mit der Freiraum-Subtraktionsmethode ermittelten Werte waren deutlich höher (Abbildung 1).
Die Verwendung des umgebenden freien Raums zur Bestimmung der Dichte ist ein unkonventioneller Ansatz, da er im Allgemeinen nicht für diesen Zweck vorgesehen ist. Die Messung des Umgebungsfreiraums auf dem Gasadsorptionsanalysator wird unterhalb des Atmosphärendrucks durchgeführt und nur einmal vorgenommen. Der AccuPyc setzt die Probenkammer über den Atmosphärendruck hinaus unter Druck, wodurch sichergestellt wird, dass das Gas in die zur Oberfläche hin offenen Poren eintritt, und wiederholt diesen Vorgang mehrmals. Der durch Gasadsorption gemessene freie Raum, sowohl der leere als auch der Probenraum, schwankt in Abhängigkeit von der Temperatur, so dass sowohl der freie Raum im leeren Rohr als auch der freie Raum mit vorhandener Probe bei derselben Umgebungstemperatur gemessen werden sollten, um Fehler zu minimieren. AccuPyc-Messungen werden in einer isothermen Umgebung aufgezeichnet. Der AccuPyc verwendet Konstruktionsmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, und dieses Konstruktionsprinzip bietet die stabile Temperaturumgebung, die für genaue Verdrängungsvolumenmessungen erforderlich ist.
Der AccuPyc ist optimal, wenn die Probe den größten Teil des verfügbaren Volumens in der Probenkammer einnimmt. Ein Probenröhrchen in einem Gasadsorptionsgerät müsste entsprechend gefüllt sein, was weder praktisch noch empfehlenswert ist. Die Verhältnisse von Probenvolumen zu freiem Raumvolumen sind in Tabelle 3 dargestellt. Diese Werte sind viel niedriger als das Verhältnis von Probenvolumen zu Zellvolumen, das mit dem AccuPyc ermittelt wurde (siehe Tabelle 2).
Der AccuPyc wurde entwickelt, um genaue Dichteergebnisse zu erhalten und ist der Subtraktionsmethode von Gasadsorptionsgeräten vorzuziehen, die nicht für die Dichtebestimmung optimiert sind.
Referenz-Berechnungen
Der umgebende freie Raum wird durch die folgende Gleichung bestimmt
Wo P1 der Sammelleitungsdruck vor der Dosierung in den Probenschlauch ist, P2 ist der Verteilerdruck nach der Dosierung in das Probenröhrchen, Vman ist das Volumen des Verteilers, TSTD ist die Standardtemperatur (273,15 K), und Tman ist die Temperatur des Verteilers.
Boyle'sches Gesetz
Referenzen
- Micromeritics Aluminiumoxid-Referenzmaterial, Los SA5214-19001A
- Micromeritics Carbon Black Referenzmaterial, Los D-4
