고체와 분말의 다공성은 종종 수은 침입 다공성 측정으로 특징지어집니다. 이 기술은 기공의 부피, 밀도 및 기공별 표면적에 대한 자세한 정보를 제공하는 동시에 기공의 모양과 구조를 특성화하는 데 사용할 수 있는 정보를 산출합니다.

수은 침입 기공 측정을 수행하려면 수은(비습윤성 액체)에 담근 시료에 다양한 수준의 압력을 가합니다. 수은이 시료의 기공으로 강제 침투할 때 수은의 접촉각과 표면 장력을 제약 조건으로 사용하여 기공 크기를 계산합니다. 수은을 시료의 기공으로 밀어 넣는 데 필요한 압력은 기공의 직경에 반비례합니다(기공이 직육면체 원통이라고 가정할 때).

수은 침입 기공 분석기는 두 가지 방법 중 하나로 시료에 압력을 가합니다:

• 스캐닝: 압력이 지속적으로 증가
• 평형화: 각 데이터 수집 지점에서 특정 기간 동안 또는 침입 속도가 사용자가 미리 선택한 값 이하로 감소할 때까지 압력이 유지됩니다.

마이크로메리틱스의 모든 수은 기공 분석기는 스캐닝과 시간별 평준화 기능을 모두 제공합니다. AutoPore 시리즈는 속도별 평준화 기능도 제공합니다. 현재로서는 이러한 모든 기능을 제공하는 경쟁 기기는 알려져 있지 않습니다.

특히 비율에 따라 평형화된 분석은 디테일이 풍부하고 포괄적이며 정확한 다공성 데이터를 제공합니다. 스캐닝 분석은 더 빠르고 반복성이 높은 데이터를 생성하지만 정확도가 떨어질 수 있습니다. 스캐닝은 침입 부피와 기공 크기가 더 작은 경향이 있으므로 특정 유형의 품질 관리 샘플링과 같이 정확성보다 반복성이 더 중요한 애플리케이션에 가장 적합합니다.

스캔 데이터와 평준화 데이터가 크게 다를 수 있는 이유를 이해하면 방법을 선택할 때 유용합니다.

모공 채우기는 프로세스입니다.

압력이 기공의 직경에 필요한 값을 초과하는 순간 수은이 기공에 들어가기 시작하지만, 수은이 기공을 채우는 데 필요한 시간은 기공의 부피와 모양에 따라 달라집니다. 평형 작동 모드는 기공이 채워지는 동안 압력을 일정하게 유지합니다. 사용자가 지정한 평형화 정도에 따라 이 유형의 분석을 사용하여 측정한 기공 부피 판독값은 전체 기공 부피를 표시합니다. 평형이 허용되지 않으면 기기가 체적 판독값을 측정한 후 다음 압력 지점으로 이동할 때 충전이 불완전할 수 있습니다.

이렇게 하면 스캔 데이터가 표시됩니다:

• 실제보다 작은 모공 부피: 측정 시 모공이 아직 완전히 채워지지 않은 경우, 측정된 부피가 실제 부피보다 작습니다(모공이 완전히 채워진 경우).
• 결합된 모공 부피: 측정 후 기공을 채운 수은의 양은 다음 압력 측정값에 포함됩니다. 해당 압력에 침입이 있는 경우 침입의 부피에는 낮은 압력의 부피가 일부 포함되지만, 충전이 완료되기 전에 측정한 경우 자체 부피가 일부 제외될 수도 있습니다.
• 실제보다 작은 모공의 존재: 측정 후 기공을 채운 수은의 양은 후속 압력 측정값에 포함됩니다. 이러한 후속 압력에서 새로운 침입이 없는 경우 이 부피는 더 작은 직경의 기공이 있음을 나타내는 것으로 나타납니다.

충전률에 영향을 미치는 요인

모공 크기는 워시번 방정식을 사용하여 계산하는데, 이 방정식은 모공이 직육면체 원통형이라고 가정합니다. 이 방정식은 기공 직경을 결정하는 데 유용한 모델을 제공하지만 실제로 원통형인 기공은 거의 없습니다. 실제로 다공성 매체로 수은이 유입되는 것은 매우 복잡한 채널 네트워크로 유입되는 것과 유사합니다. 수은 침투 기공 분석은 압력 강하 대 유속의 일반적인 함수를 설명하는 다아시 방정식에 의해 예측되는 것처럼 속도 제한이 있는 기술입니다:

_P1 -_P2/L= _αµV/gc

어디

수은과 같은 점성 액체의 유속은 압력 강하에 비례하고 기공의 길이와 표면적에 반비례합니다. 따라서 특정 제한된 유속이 주어지면 다공성 네트워크의 완전한 충전은 시간의 함수입니다. 기공의 부피가 클수록 전체 기공 부피를 완전히 채우는 데 더 많은 시간이 필요합니다. 스캐닝 방법에 사용되는 지속적인 압력 증가는 작은 기공의 유량 제한적 충진에 충분한 시간을 허용하지 않을 수 있습니다. 따라서 수은 침입 기공 측정 곡선은 기공이 완전히 채워졌을 때, 즉 평형 상태에서 얻은 곡선이 가장 정확합니다.

예시 데이터

모든 데이터는 마이크로메리틱스 오토포어 고압 수은 기공 측정기를 사용하여 얻었습니다.

다음 그림의 데이터는 수은 침입 기공 분석이 속도 제한적 기술임을 명확하게 보여줍니다. 그림 1은 단일 물질(다공성 알루미나 압출물)의 5가지 샘플을 서로 다른 평형 루틴을 사용하여 분석한 실험을 보여줍니다. 샘플 1에는 스캐닝이 사용되었습니다. 샘플 2, 3, 4는 각각 2초, 10초, 30초 동안 시간별로 평형을 맞췄습니다. 샘플 5는 0.001µL/g-sec에서 속도별로 평형을 맞췄습니다.

스캐닝 분석에서 얻은 데이터는 가장 작은 기공 부피와 가장 작은 기공 직경을 산출했습니다. 속도별 평형화 분석에서 얻은 데이터는 가장 높은 총 기공 부피와 가장 큰 기공 직경을 산출했습니다. 시간별로 평형을 맞추면 중간 정도의 결과가 나왔으며, 결과의 품질은 허용된 시간과 상관관계가 있었습니다.

그림 2는 다섯 가지 평형화 루틴 모두에 대한 로그 차동 침입 대 직경을 보여줍니다. 아래 표와 함께 이 데이터는 압력 하에서 수은에 의한 기공의 속도 제한적 충전을 보여줍니다. 각 데이터 포인트에 대해 평형화 시간이 길어짐에 따라 기공의 평균 직경이 커지는 것이 분명합니다. 속도별 평형화 분석에서 얻은 데이터는 가장 큰 기공 중앙 지름을 산출했습니다.

평준화	총 모공 부피 (cc/g)	기공 중앙값 지름 (미크론)
0초	0.582	0.0081
2초	0.5938	0.0089
10초	0.5939	0.0095
30초	0.616	0.0098
0.001 µL/g-sec	0.6210	0.0102

그림 3과 4는 촉매에 대해 평형 분석과 스캐닝 분석을 수행하여 얻은 모집단 분포 데이터의 차이를 보여줍니다.

그림 3은 속도별 평형을 사용하여 얻은 데이터를 보여줍니다. 침입 속도가 0.008 µL/g-sec 이하로 떨어질 때까지 지정된 압력 지점에서 압력을 유지했습니다. 각 지점에서 평형이 달성된 후 침투 부피가 기록되었습니다. 0.170 및 0.006 마이크로미터를 중심으로 두 그룹의 기공이 관찰되었습니다.

그림 4는 스캐닝 방법을 사용하여 수집한 데이터를 보여줍니다. 동일한 재료가 분석되었지만 모든 데이터 포인트는 지속적으로 증가하는 압력 하에서 기록되었습니다.

큰 기공으로의 수은 침입은 작은 기공으로의 침입만큼 흐름이 제한되지 않으므로 스캔을 통해 얻은 큰 기공 구조 데이터는 일반적으로 평형화된 데이터와 일치합니다. 그러나 평형이 허용되지 않는 경우 판독 시 작은 기공의 유량 제한 충전이 완료되지 않을 수 있습니다. 이러한 이유로 그림 4는 평형화된 데이터에서 드러나는 것보다 더 작은 기공이 존재함을 나타냅니다. 또한 스캐닝 데이터는 평형화된 데이터보다 0.006 마이크로미터 기공의 미세한 구조적 디테일을 덜 보여줍니다.