헬륨은 이상적인 거동으로 인해 파이크노메트리에 가장 많이 사용되는 가스이지만, 헬륨을 다른 가스로 대체할 수 있는 경우도 있습니다. 헬륨은 표면에서 닫힌 기공으로 침투하는 능력이 있으며 일부 유기 물질 및 미세 다공성 탄소와 상호 작용합니다. 질소는 두 번째로 흔한 기체이지만 특정 물질과도 상호 작용합니다. 육플루오르화황 및 메탄과 같은 더 큰 분자는 밀도를 계산하는 부피 결과에 매우 작은 기공의 부피를 포함시키는 데 사용할 수 있습니다.

골격 밀도의 결정은 샘플의 질량을 골격 부피로 나누어 구할 수 있습니다. 골격 부피를 ^10cm3 AccuPyc로 구하는 방정식은 다음과 같습니다:

여기서 _Vf는 충전 부피이고_Ve는 보정 중에 측정되는 팽창 부피입니다. 이 값은 선택한 가스에 고유하며 이 가스, 온도 및 충전 압력 조합을 사용하는 동안 일정하게 유지됩니다. AccuPyc는 시료 챔버를 지정된 압력으로 가압합니다. 가스가 평형화되고_P2가 결정됩니다. 시료 챔버와 팽창 챔버 사이에 있는 팽창 밸브가 열리고 시료 챔버에 있는 가스가 팽창 챔버로 유입되어 압력이 감소합니다. 가스가 평형을 이루면_P2가 결정됩니다.

_P1을 측정하는 동안 가스가 물질과 상호 작용하면 압력 판독값이 감소하여 시료 부피가 음수가 될 수 있습니다. 이러한 상호 작용은 일반적으로 흡착 또는 투과입니다.

_P1 또는_P2 데이터를 수집하기 전에 평형에 도달하려면 압력이 필요합니다. 기본 평형화 속도는 0.005psig/min이며 처음에는 모든 샘플에 사용되었습니다. 샘플이 기본 속도로 평형을 이룰 수 없는 경우 모니터링된 압력 변화에 따라 속도가 선택됩니다. 평형 속도를 얻을 수 없는 이유는 확산, 재료와 상호 작용하는 가스, 재료 탈기체 또는 액체로 인한 증기압 때문입니다.

7가지 물질을 분석하기 위해 7가지 가스가 사용되었습니다. 사용된 가스는 헬륨, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 건조 공기, 육불화황, 메탄이었습니다. 이러한 가스로 분석한 샘플은 금속 구, 알루미나, 배터리 분리막, 카본 블랙, 5A, 이부프로펜, 물이었습니다.

금속 구체

금속 구체는 비다공성 텅스텐 카바이드 합금으로, 피크노미터 파일링 및 팽창 부피의 교정에 사용됩니다. 다양한 가스를 사용한 분석 결과는 표 1에 나와 있습니다. 눈에 띄는 유일한 차이점은 이산화탄소 분석 길이가 더 길었다는 점입니다.

알루미나

알루미나 촉매 지원 결과는 표 2에 나와 있습니다. 이산화탄소와 육플루오르화황으로 측정한 결과 부피가 음수로 나타났습니다. 측정된 부피가 음수인 경우 밀도는 계산되지 않습니다. 이러한 분석은 표에서 N/A로 표시됩니다. 음의 부피를 측정하는 방법은 아래에 자세히 설명되어 있습니다. 나머지 가스의 밀도 결과는 시료와의 상호작용으로 인해 헬륨보다 높습니다.

배터리 분리기

셀가드 H1612 16µm 삼층 미세 다공성 멤브레인 결과는 표 3에 나와 있습니다. 이산화탄소, 육불화황 및 메탄이 물질과 상호 작용하여 밀도 값이 더 높아진 것으로 보입니다.

카본 블랙

이산화탄소, 육플루오르화황, 메탄이 샘플과 상호작용한 것으로 보입니다.

5A

5분리 체 결과는 표 5에 나와 있습니다. 헬륨과 육불화황만이 성공적으로 작동한 유일한 가스였고 다른 가스들은 음의 부피를 측정했습니다. 작은 헬륨 분자는 물질의 작은 기공에 접근하여 합리적인 결과를 얻을 수 있었지만, 매우 높은 육불화황의 결과는 음수는 아니지만 측정된 부피가 매우 작다는 점에서 분석에 문제가 있음을 나타냅니다.

이부프로펜

일반 브랜드 이부프로펜 결과는 표 6에 나와 있습니다. 결과는 모든 가스 간에 비슷합니다.

물

0.1µm로 여과된 탈이온수 결과는 표 7에 나와 있습니다. 결과는 모든 기체 간에 비슷합니다.

음수 볼륨 얻기

^10cm3 AccuPyc는 먼저 시료 챔버를 가압한 다음 압력 평형에 도달한 후 가스가 팽창 챔버로 팽창하도록 허용합니다. 불활성 가스를 사용하는 경우 초기 압력(_P1) 수치는 입력된 충전 압력에 매우 근접합니다. '팽창 밸브가 열리고 가스가 두 챔버 사이에서 평형을 이루며 압력이 감소합니다. 최종 압력(_P2) 판독값은 평형화 후 수집됩니다.

가스가 재료와 상호 작용할 때 압력이 평형을 이루기 전에 가스가 재료에 천천히 흡착되기 때문에 _P1의 압력 판독값이 예상보다 낮습니다. 팽창 밸브가 열리면 가스는 두 챔버 사이에서 평형을 이룹니다. 두 번째 챔버에 의해 추가된 부피가 증가하면 압력이 감소합니다. 흡착된 가스가 탈착되기 시작합니다. 이로 인해_P2가 예상보다 높아집니다. 이 두 가지 예상치 못한 압력 판독값으로 인해 부피가 음수가 됩니다.

5A에서 헬륨과 질소의 압력 판독값을 비교하여 압력 값의 차이를 보여줄 수 있습니다. 19.5psig의 충전 압력이 사용되었습니다. 헬륨의 측정된 _P1 값은 19.756psig이고 질소는 18.906psig입니다. 의 경우 헬륨 값은 10.350psig이고 질소는 15.367psig입니다. 헬륨으로 얻은 부피는 2.^{5245cm3이고} 질소는 -24.^{6783cm3입니다}.

이 효과가 흡착에서 비롯된 것임을 증명하기 위해 고압 체적 분석기(HPVA)를 사용하여 5A 샘플에 대해 실온에서 질소 분석을 수행했습니다. 측정된 등온선은 그림 1에 나와 있습니다. 앞서 설명한 조건에서 질소가 흡착 및 탈착된다는 것을 알 수 있습니다.

결론

선택한 가스가 관심 기공에 들어갈 수 있고 재료와 상호 작용하지 않는다면 가스 선택은 중요하지 않은 것으로 보입니다. 이는 금속 구, 이부프로펜 및 물 샘플에 대해 다양한 가스를 사용하여 얻은 데이터를 기반으로 입증되었습니다. 이는 대부분의 재료에는 적용되지 않으므로 사용할 가스를 결정할 때는 주의해야 합니다.