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幾種比表面積檢測方法比較與應用

嘉峪檢測網        2018-11-23 10:35

隨著材料技術的不斷發展,比表面積的測定有著廣泛的應用。對顆粒材料來講,比表面積逐漸成為與粒徑同等重要的物理性能。

 

比表面積測試方法主要分為:吸附法、透氣法和其它方法。

 

  • 其中吸附法比較常用且精度較高;

  • 透氣法是根據透氣速率不同來確定粉體比表面積大小,比表面測試范圍和精度很有限;

  • 其它比表面積測試方法有粒度估算法、顯微鏡觀測估算法,已很少使用。

 

因此,下面小編著重介紹一下吸附法測試粉體比表面積。

 

一、吸附法分類 

 

吸附法根據吸附質的不同又分為:吸碘法,吸汞法,低溫氮吸附法等。

  1. 吸碘法中,由于使用的碘分子直徑較大,不能進入許多小孔,致使其測得數據不能完全表征粉體的比表面積,另外碘分子活性較高,對不少粉體不能適用,局限性較大;

  2. 壓汞法,主要用來測試大孔孔徑分布,使用的吸附質--汞有毒,而且比表面測試的精度較低,已很少使用了。

  3. 目前廣泛應用的方法是低溫氮吸附法。

 

低溫氮吸附法根據吸附質吸附量確定方法不同分為動態色譜法,靜態容量法,重量法(重量法現在基本上很少采用)等。目前比表面積儀器以動態色譜法和靜態容量法為主,動態色譜法在比表面積測試方面比較有優勢,靜態容量法在孔徑測試方面有優勢。

 

 

二、動態色譜法和靜態容量法對比

 

動態色譜法和靜態容量法是目前常用的主要的比表面測試方法。兩種方法比較而言動,態色譜法比較適合測試快速比表面積測試和中小吸附量的小比表面積樣品(對于中大吸附量樣品,靜態法和動態法都可以定量的很準確),靜態容量法比較適合孔徑及比表面測試。

粉體比表面積測試方法對比分析及應用領域

 

 

動態色譜法

靜態容量法

測試原理

將粉體樣品裝在U型管內,通入一定比例的載氣(He)和吸附質氣體(N2)的混合氣體,待混合氣體流過樣品后,根據吸附前后氣體濃度變化,得到待測樣品吸附量。

將待測粉體樣品裝在一定體積的一段封閉的試管狀樣品管內,向樣品管內注入一定壓力的吸附質氣體,根據吸附前后的壓力或重量變化來確定被測樣品對吸附質分子(N2)的吸附量。

測試功能

比表面

比表面,孔徑分布

吸附質

氮氣

氣體

優缺點

優點是:分析速度快,準確度好,分辨率高,尤其針對中小比表面樣品,如電池材料、有機材料、金屬粉體等,比表面分析下限低,重復性高。 
缺點是:由于分壓范圍低、不能測試真正的脫附等溫線等限制,不適合做孔徑分析。

優點是:適合比表面及孔徑分析,尤其對中大比表面和孔隙發達的樣品分辨率、準確度高,適合催化劑、分子篩等多孔、比表面較大樣品的比表面及孔徑分布分析測試。 
缺點是:由于定量依賴于氣體狀態方程,故對于蒸汽吸附的定量準確度低,不適合做蒸汽吸附。

測試范圍

分壓:5%~95%, 
對應孔徑范圍1.29-50nm,
比表面0.01m2/g以上

分壓:0.0001% ~ 99.6%,
對應孔徑范圍0.35-500nm, 
比表面0.01m2/g以上

測試耗時

參比法比表面,15min/3個樣品; 
單點BET比表面20-30min/4個樣品; 
5點BET比表面約120min/4個樣品。

單個分壓點約3-10min; 
5點BET比表面約20-40min; 
40個吸附脫附點約3-10小時。

等溫線類型

吸附等溫線

吸附等溫線、脫附等溫線

是否需要抽真空

通用性

動態法僅國內采用, 
國外基本不用

靜態容量法國際通用

平衡模式

流動態的相對平衡

一定體積內的靜態平衡

 

 

三、比表面積測試相關儀器簡介
1、動態法比表面積儀測試比表面積精度影響因素

 

 

測試比表面積精度和靈敏度主要取決于信噪比,因此,提高測試精度和靈敏度主要措施包括增加信號強度,消除外界干擾。

(1)增加信號強度

其方法一般有增加稱樣量、增加檢測器電流,但增加檢測器電流一般噪聲也會同時增大,所以檢測器電流會有個最佳范圍。

 

(2)消除外界干擾

儀器自身的誤差來源主要有:檢測器溫漂,信號銳度。儀器可以通過增加一些裝置來消除誤差,例如增加檢測器恒溫裝置來抑制溫漂,增加風熱助脫裝置提高信號銳度。

 

所以對于小比表面樣品,對具有風熱助脫、檢測器恒溫、低溫冷阱的高精度動態法儀器,其靈敏度和分辨率的優勢就體現出來了;但對中大比表面樣品,由于信號強,普通動態法比表面積儀和靜態法比表面積儀都可以保證精度。這點就像萬分之一分析天平和千分之一天平的區別。

 

 

2、靜態法比表面積儀測試小比表面積樣品精度分析

 

對于小比表面積樣品,如電池材料、有機材料、生物材料、金屬粉體、磨料等空隙度微小的材料,由于吸附量微小,靜態法測試的結果較含有風熱助脫裝置和檢測器恒溫裝置的高精度動態法儀器誤差大。

 

靜態法為什么在小比表面樣品測試方面精度難以保證

 

 

原因如下:

 

  1. 以比表面積1m2/g的樣品為例,該樣品0.5g對氮氣的吸附量在BET分壓范圍內在標況下約0.1ml,在測試過程中的吸附環境液氮溫度下的體積約0.03ml;

  2. 樣品管裝樣部分的剩余體積(也就是背景體積)約在3-5ml左右,要在3-5ml的樣品管體積中準確定量出0.03ml的總吸附量且保證精度達到3%以內,可以算出要求壓力傳感器的精度要達到0.03%以上;

  3. 但目前進口最好的壓力傳感器的精度只有0.1%,而且通常比表面及孔徑分析儀用的壓力傳感器精度為0.15%,也就是說目前最高精度的壓力傳感器,即使溫度場理想測定,液氮面理想恒定,環境溫度理想準確條件下,對吸附量確定量的不確定度也只能達到0.003ml,即不確定度達到10%;

  4. 若對于比表面再小或堆積密度小也就是裝樣量也難以很大的樣品,其準確度就可想而知了。但對于中大比表面樣品,一般吸附量不會那么微小,靜態法的精度很容易保證在2%,甚至1%以內便不是問題

 

 

所 以:

 

  1. 在小比表面樣品的測試方面,靜態法儀器測試的誤差相對高精度的動態法儀器的誤差大;

  2. 靜態法只能通過增加裝樣量來降低誤差,常見的是靜態一般都會為小比表面積樣品配備大容量樣品管,但由于背景體積(吸附腔體積)也隨之增大,所以準確度提高也是有限的;

  3. 這點是采用靜態法儀器測試比表面積應考慮的因素。

 

 

四、比表面積應用領域 

 

 

 

1、化工:吸附劑,粘合劑,油漆與涂料,石油化工

比表面積、總孔體積和孔徑分布對于工業吸附劑的質量控制和分離工藝的發展非常重要,它們影響吸附劑的選擇性顏料或填料的比表面積影響油漆和涂料的光澤度、紋理、顏色、顏色飽和度、亮度、固含量及成膜附著力。(孔隙度能控制油漆和涂料的應用性能,例如流動性、干燥性或凝固時間及膜厚)。

 

 

 

2、催化劑:石化、化工、醫藥、食品、農業、精細化工等領域

比表面積是表征催化劑性能的重要參數。一般來講,催化劑表面積越大,反應物和催化劑的接觸位越多,傳質也更加順暢,所以活性會大一些。含的活性中心越多,因而催化劑活性越高。催化劑的效能與比表面積關系密切,一定效能需要一定范圍的比表面要求(如Co/CZ催化劑,其比表面積越大,越有助于催化劑和碳煙的接觸)。

 

 

 

3、磁性材料:四氧化三鐵、鐵氧體等磁性粉末材料

以Fe3O4磁粉為例。通過對磁粒表面的改性,可以獲得具有比表面積大、對油滴有較強吸附親和性能的磁性材料,從而提高除油效果。鐵氧體等磁性粉末的比表面積大小也和磁性材料的強度、耐磨性有很大關系。

 

 

 

4、電池行業:鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、石墨、三元材料

隔膜等電極材料電池材料的比表面積和孔隙率是特別重要的,比表面積對漿料的配制、極片的涂布影響較大,對電池首次庫侖效率和循環性能有較大影響,孔隙率大小對高倍率充放電也有重要影響,最終影響到電池的循環壽命(如石墨比表面積太大,造成首次容量損失過多,降低使用壽命。而且加的粘結劑會比較多,造成內阻增加)。

 

 

 

5、納米陶瓷粉體:氧化鋁、氧化鋯、氧化釔、氮化硅、碳化硅等

比表面積和孔隙度影響陶胚的加工和燒結固化與成品的強度、質感、外觀以及密度。釉料以及玻璃原料的比表面積影響皺縮、裂紋、表面分布的不均勻性。

 

如納米陶瓷粉體的比表面和孔隙度影響陶胚的加工和燒結固化與成品的強度、質感、外觀以及密度。釉料以及玻璃原料的比表面積影響皺縮、裂紋、表面分布的不均勻性。

 

 

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來源:粉體圈

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