Les utilisateurs posent souvent la question suivante : peut-on calculer la densité à partir de l'espace libre mesuré sur un analyseur d'adsorption de gaz au lieu d'utiliser un instrument conçu pour obtenir la densité ? Cette note technique explore la possibilité d'utiliser une telle méthode et la compare aux résultats obtenus par l'AccuPyc II de Micromeritics.
Les instruments d'adsorption de gaz mesurent la quantité de gaz adsorbée à différentes pressions. Cette information est utilisée pour calculer la surface et la porosité. Pour déterminer la quantité de gaz qui s'adsorbe sur un échantillon, le système doit déterminer le volume disponible dans un tube d'échantillonnage qui n'est pas occupé par l'échantillon. L'instrument d'adsorption de gaz typique détermine ce volume libre (également appelé espace libre) en effectuant deux mesures à l'aide d'hélium, un gaz non adsorbant. L'espace libre ambiant est mesuré à la température ambiante, tandis que l'espace libre d'analyse est mesuré à la température d'analyse.
Le volume de l'échantillon peut être estimé en soustrayant l'espace libre ambiant d'un tube vide de l'espace libre ambiant du même tube contenant l'échantillon. La densité peut alors être calculée en divisant la masse de l'échantillon par le volume.
Un pycnomètre à hélium fonctionne de la même manière. Le pycnomètre est étalonné à l'aide d'un volume connu, généralement une sphère ou une céramique non poreuse à la géométrie bien définie, à la composition connue et au coefficient de dilatation thermique bien connu. L'étalonnage du pycnomètre permet d'établir les volumes des chambres de référence et de volume. L'échantillon est ensuite placé dans la chambre à échantillon et un processus similaire aux déterminations de l'espace libre est utilisé pour déterminer le volume de la chambre à échantillon qui est obstrué par le matériau de l'échantillon. Ce processus est répété pendant 10 cycles afin de déterminer le volume moyen du matériau testé.
Méthodes
Dans cette étude de cas, l'espace libre ambiant a été obtenu pour des tubes échantillons vides de 3/8 et 1/2 pouce. Des analyses ont été effectuées sur l'alumine, le noir de carbone, l'acier inoxydable, le tungstène et le carbure de tungstène pour déterminer l'espace libre ambiant. Les échantillons ont été dégazés correctement pour garantir leur propreté et pesés. Le tableau 1 indique les valeurs de l'espace libre ambiant, la masse de l'échantillon et les volumes et densités calculés.
AccuPyc II calcule le volume d'un échantillon en utilisant la loi de Boyle. La température de la chambre de référence et de la chambre à échantillon n'est pas nécessaire car les deux chambres sont à la même température, dans le même bloc d'aluminium. La chambre à échantillon est pressurisée au-dessus de la pression ambiante, poussant le gaz d'analyse dans les pores afin d'obtenir un volume précis du matériau. Plusieurs cycles sont effectués pour obtenir un volume d'échantillon moyen.
Les échantillons ont été retirés des tubes d'échantillonnage pour l'adsorption de gaz, puis placés dans l'AccuPyc et analysés à 20 °C pour déterminer la densité du squelette. Le volume cellulaire et les volumes d'expansion étaient respectivement de 5,7898 cm3 et 8,3778 cm3. Le tableau 2 compare les valeurs de densité obtenues par l'AccuPyc aux valeurs calculées obtenues par la méthode de soustraction de l'espace libre.
Résultats
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Résumé
Les densités mesurées sur l'AccuPyc étaient très proches des valeurs attendues. Les valeurs obtenues par la méthode de soustraction de l'espace libre étaient nettement plus élevées (figure 1).
L'utilisation de l'espace libre ambiant pour déterminer la densité est une approche non conventionnelle car il n'est généralement pas prévu à cet effet. La mesure de l'espace libre ambiant sur l'analyseur d'adsorption gazeuse est effectuée en dessous de la pression atmosphérique et n'est réalisée qu'une seule fois. AccuPyc pressurise la chambre d'échantillonnage au-dessus de la pression atmosphérique, en veillant à ce que le gaz pénètre dans les pores ouverts à la surface, et répète ce processus plusieurs fois. L'espace libre ambiant, qu'il s'agisse du blanc ou de l'échantillon, mesuré par adsorption de gaz, fluctue en fonction de la température, de sorte que l'espace libre du tube vide et l'espace libre en présence de l'échantillon doivent être obtenus à la même température ambiante afin de minimiser les erreurs. Les mesures d'AccuPyc sont enregistrées dans un environnement isotherme. AccuPyc utilise des matériaux de construction à haute conductivité thermique, et ce principe de conception fournit l'environnement de température stable requis pour des mesures précises du volume de déplacement.
AccuPyc est optimisé lorsque l'échantillon occupe la majorité du volume disponible dans la chambre à échantillon. Un tube d'échantillonnage sur un instrument d'adsorption de gaz devrait être rempli pour être équivalent, ce qui n'est ni pratique ni recommandé. Les rapports entre le volume de l'échantillon et le volume de l'espace libre sont indiqués dans le tableau 3. Ces valeurs sont bien inférieures au rapport entre le volume de l'échantillon et le volume de la cellule obtenu sur l'AccuPyc, présenté dans le tableau 2.
L'AccuPyc est conçu pour obtenir des résultats de densité précis et est préféré à la méthode de soustraction obtenue avec les instruments d'adsorption de gaz, qui ne sont pas optimisés pour la détermination de la densité.
Calculs de référence
L'espace libre ambiant est déterminé par l'équation suivante :
Où P1 est la pression du collecteur avant le dosage dans le tube d'échantillonnage, P2 est la pression du collecteur après le dosage dans le tube d'échantillonnage, Vman est le volume du collecteur, TSTD est la température standard (273,15 K), et Tman est la température du collecteur.
Loi de Boyle
Références
- Micromeritics Alumina Reference Material, Lot SA5214-19001A
- Micromeritics Carbon Black Reference Material, Lot D-4
