Los usuarios suelen plantearse una pregunta frecuente, ¿puede calcularse la densidad a partir del espacio libre medido en un analizador de adsorción de gases en lugar de utilizar un instrumento diseñado para obtener la densidad? Esta nota técnica explorará la posibilidad de utilizar un método de este tipo y lo comparará con los resultados obtenidos por el Micromeritics AccuPyc II.
Los instrumentos de adsorción de gases miden la cantidad de gas adsorbido a distintas presiones. Esta información se utiliza para calcular la superficie y la porosidad. Para determinar la cantidad de gas que se adsorbe en una muestra, el sistema debe determinar el volumen disponible dentro de un tubo de muestra que no esté ocupado por la muestra. El instrumento típico de adsorción de gas establece este volumen libre (también denominado espacio libre) realizando dos mediciones con helio, un gas no adsorbente. El espacio libre ambiente se mide a temperatura ambiente, mientras que el espacio libre de análisis se mide a la temperatura de análisis.
El volumen de la muestra puede calcularse restando el espacio libre ambiental de un tubo vacío del espacio libre ambiental del mismo tubo con muestra. La densidad puede calcularse dividiendo la masa de la muestra por el volumen.
Un picnómetro de helio funciona de manera similar. El picnómetro se calibra utilizando un volumen conocido, normalmente una esfera o una cerámica no porosa con geometría bien definida, composición conocida y coeficiente de dilatación térmica conocido. La calibración del picnómetro se utiliza para establecer los volúmenes de las cámaras de referencia y de volumen. A continuación, se coloca la muestra en la cámara de muestras y se emplea un proceso similar al de las determinaciones de espacio libre para determinar el volumen de la cámara de muestras que está ocluido por el material de la muestra. Este proceso se repite normalmente durante 10 ciclos para determinar un volumen medio del material sometido a prueba.
Métodos
En este estudio de caso, el espacio libre ambiental se obtuvo para tubos de muestra vacíos de 3/8 y 1/2 pulgadas. Se realizaron análisis en alúmina, negro de humo, acero inoxidable, tungsteno y carburo de tungsteno para determinar el espacio libre ambiental. Las muestras se desgasificaron adecuadamente para garantizar su limpieza y se pesaron. La tabla 1 muestra los valores del espacio libre ambiental, la masa de la muestra y los volúmenes y densidades calculados.
El AccuPyc II calcula el volumen de una muestra utilizando la ley de Boyle. La temperatura de la cámara de referencia y de la cámara de muestra no es necesaria porque ambas cámaras están a la misma temperatura, dentro del mismo bloque de aluminio. La cámara de muestra se presuriza por encima de la presión ambiente, empujando el gas de análisis hacia los poros para obtener un volumen exacto del material. Se realizan múltiples ciclos para obtener un volumen medio de la muestra.
Las muestras se extrajeron de los tubos de muestras de adsorción de gas, se colocaron en el AccuPyc y se analizaron a 20 °C para determinar la densidad esquelética. El volumen celular y los volúmenes de expansión fueron de 5,7898 cm3 y 8,3778 cm3, respectivamente. La Tabla 2 compara los valores de densidad obtenidos por el AccuPyc con los valores calculados obtenidos mediante el método de sustracción del espacio libre.
Resultados
Resumen
Las densidades medidas en el AccuPyc se aproximaron mucho a los valores esperados. Los valores obtenidos con el método de sustracción del espacio libre fueron notablemente superiores, Figura 1.
Utilizar el espacio libre ambiental para determinar la densidad es un enfoque poco convencional, ya que generalmente no está previsto que se utilice para este fin. La medición del espacio libre ambiental en el analizador de adsorción de gases se realiza por debajo de la presión atmosférica y sólo una vez. El AccuPyc presuriza la cámara de muestras por encima de la presión atmosférica, asegurando que el gas entre en los poros abiertos a la superficie, y repite este proceso varias veces. El espacio libre ambiental, tanto en blanco como con muestra, medido por adsorción de gas fluctuará en función de la temperatura, por lo que tanto el espacio libre del tubo vacío como el espacio libre con muestra presente deben obtenerse a la misma temperatura ambiente para minimizar los errores. Las mediciones del AccuPyc se registran en un entorno isotérmico. El AccuPyc utiliza materiales de construcción de alta conductividad térmica, y este principio de diseño proporciona el entorno de temperatura estable necesario para obtener mediciones precisas del volumen de desplazamiento.
El AccuPyc se optimiza cuando la muestra ocupa la mayor parte del volumen disponible dentro de la cámara de muestras. Un tubo de muestra en un instrumento de adsorción de gases necesitaría llenarse para ser equivalente, lo cual no es práctico ni recomendable. Las relaciones entre el volumen de la muestra y el volumen del espacio libre pueden verse en la Tabla 3. Estos valores son muy inferiores a la relación volumen de muestra/volumen de celda obtenida en el AccuPyc, que se muestra en la Tabla 2.
El AccuPyc está diseñado para obtener resultados precisos de densidad y es preferible al método de sustracción obtenido con instrumentos de adsorción de gases, que no están optimizados para la determinación de la densidad.
Cálculos de referencia
El espacio libre ambiental se determina mediante la siguiente ecuación:
Donde P1 es la presión del colector antes de la dosificación en el tubo de muestra, P2 es la presión del colector después de la dosificación en el tubo de muestra, Vman es el volumen del colector, TSTD es la temperatura estándar (273,15 K), y Tman es la temperatura del colector.
Ley de Boyle
Referencias
- Material de referencia de alúmina Micromeritics, lote SA5214-19001A
- Material de referencia de negro de humo Micromeritics, lote D-4
