方法だ: 
  • 粒子径

セディグラフによる多孔質粉体の粒度分布測定

ストークスの法則に基づく沈降分析は、粒度分布(PSD)を決定するための便利な方法を提供します。流体中に沈降する単一の固体(または非多孔質)球体は、その直径に一意的に関係する終末沈降速度を持つ。セディグラフは沈降法を用いて粒度分布を測定します。既知の特性を持つ液体中で異なるサイズの粒子の重力誘起沈降速度を測定することで、粒子径が決定されます。非多孔質粒子が液体中を落下する速度は、ストークスの法則で次のように記述されます。

Dst= [18ηV/(ρs-ρ1)g]1/2

Dst= ストークスの直径

η = 流体粘度

ρs= 固体の密度

ρ1= 液体の密度

V=沈降速度

g = 重力加速度

測定された粒度分布は粒子の骨格密度の関数である。骨格密度は、固体材料の離散的な断片の質量を、断片と断片内の閉鎖気孔(または盲孔)の体積で割ったものとして定義される。このような情報は、ヘリウムピクノメーターで簡単に得ることができる。しかし、ほとんどの純物質については、密度のハンドブック値で十分である。

液体中に沈降する完全湿潤多孔質粒子は、骨格密度とは異なる有効密度を有する。有効密度は、粒子の気孔率に液体の密度を掛け、さらに粒子の骨格密度に(100%-気孔率)を掛けたものの線形結合である。式にすると次のようになる。

ρes=[P-ρf+(100-P)ρs/100]である。

ρes= 気孔の開いた粒子の有効沈降密度

P = 粒子の開気孔率

ρf= 沈殿流体の密度

ρs= 非多孔質粒子の骨格密度

粉末状のSi/Al触媒基板がその好例である。この材料の骨格密度は2.60 g/cm3である。SediGraphの粒度分布を図1に示す。

図1.骨格密度2.60 g/cm3のSi/Al触媒粉末のSediGraph PSD。

この分析では、粒子は非多孔質であると仮定した。実際には59%が多孔質である。正確なPSDを得るためには、沈降密度を1.65g/cm3に変更する必要があります。これは以下のように計算される:沈降密度 = 59%(0.99g/cm3) + 41%(2.60g/cm3) = 1.65g/cm3ここで、0.99g/cm3は粉末の細孔容積を占める沈降流体(この例では35℃の水)の密度であり、41%は既知の骨格密度2.60 g/cm3の沈降粒子の固体容積である。図2は、1.65g/cm3の有効沈降粒子密度を用いて得られたSediGraph PSDを図1の曲線と比較したものである。

図2.沈降密度1.65 g/cm3と2.60g/cm3のSi/Al触媒粉末のSediGraph PSD。

密度を1.65g/cm3にすると、粒度分布はより粗くなった。質量中央径d50は40.9mmから64.0mm(マイクロメートル)に増加した。SediGraph粒度分布は、粉体加工の重要な品質管理ツールです。図2の曲線が示すように、多孔質粉末のSediGraph粒度分布測定では、粉末の気孔率に対する密度補正が必要です。この事実は、アルミナ三水和物(ATH)を原料とする多孔質アルミナの製造管理にとって極めて重要です。ATHは骨格密度が2.42 g/cm3の非多孔質粉末である。ATHを焼成すると水分が失われ、その結果、骨格密度が増加し、多孔質が形成される。ATHとその焼成物のサンプルを、AccuPyc、SediGraph、AutoPoreで分析した。焼成品の骨格密度は2.9265 g/cm3、気孔率は35%であった。

図3.密度2.05 g/cm3と密度2.92g/cm3の焼成品のSediGraph PSD。
素材密度(g/cm3)質量中央径(mm)
ATH2.428.12
焼成2.9266.07
焼成(35%ポーラス)2.058.21

図4は、図3の2つの曲線に、元のATHのSediGraph粒度分布を重ねたものである。ATHの質量中央径は8.12 mmであった。焼成材(35%多孔質)の曲線は、ATHの曲線とほぼ正確に重なっている。

図4.SediGraph PSD (o)前駆体ATH、(+)焼成粉、非多孔質モデル、(*)焼成粉、多孔質モデル。

ATHの脱炭酸によって、得られる製品の粒度分布が大きく変化することはないはずである。この工程で発生する気孔率を分析に含めない場合、脱炭酸によって粒度分布が実際に変化したように見えるが、これは事実ではないことが知られている。焼成生成物の気孔率を粒度分析に考慮すると、焼成生成物は出発材料と同じ粒度分布を持つことがわかる。粉末材料の気孔率は、Micromeritics社のアプリケーション・ノートNo.83に記載されているように、水銀圧入ポロシメトリーを用いて迅速に求めることができる。