Körperliche Kennzeichnung von Materialien unter Verwendung Mercury-Eindringens Porosimetry durch Micromeritics

Themen Umfaßt

Einleitung
Theorie und Messungsmethode
Strömungslehre und Kapillarhydrostatik
Montieren von Experimentellen Daten
Maß Wandler

Einleitung

Porosimetry Mercury-Eindringen ist eine nur einiger analytischer Techniken, die einen Analytiker ermöglicht, Daten über solch einen breiten Dynamikwerten unter Verwendung eines einzelnen theoretischen Baumusters zu erwerben. Mercury, das ist porosimetry ist routinemäßig, über einer haarartigen Durchmesserreichweite von 0,003 µm zu 360 µm- fünf Größenordnungen angewandt! Dieses ist mit das gleiche Hilfsmittel mit Maßnahme mit Richtigkeit und Genauigkeit der Durchmesser eines Sandkorns und die Höhe eines 30-stöckigen Gebäudes verwenden gleichwertig.

Ist Nicht nur porosimetry anwendbares des Quecksilbers über einer großen Auswahl von Porengrößen, aber auch die grundlegenden Daten, die sie (das Volumen des Quecksilbers drängen in die Probe als Funktion des Pressdrucks) auf ist hinweisend von den verschiedenen Eigenschaften des Porenplatzes und wird verwendet, um eine Vielzahl von physikalischen Eigenschaften des Vollmaterials selbst aufzudecken vorlegt.

Die Informationen, die Fällen in drei Hauptkategorien folgt: I) berechneten Instrumenttheorie und seine Anwendung in der Datenerfassung, II) Informationen von verringerten Daten und III) Vorlage der Informationen. Ein Glossar von Ausdrücken ist auch enthalten.

Das Verständnis, wie eine Flüssigkeit unter spezifischen Bedingungen sich benimmt, stellt Einblick in genau zur Verfügung, wie ein Quecksilberluftdurchlässigkeitsprüfer die Oberfläche eines Materials prüft und innerhalb der Porenzelle sich bewegt. Dieses lässt ein besser verstehen, welches Quecksilbereindringen und Verdrängungsdaten in Bezug auf die Probe in Versuch bedeuten und lässt ein die Daten außerhalb der Grenzen des theoretischen Baumusters verstehen. Es lässt auch ein gebildetes zwischen den ähnlichen Daten, die unter Verwendung anderer Maßtechniken erhalten werden und den theoretischen Baumustern vergleichen.

Die Informationen, die hierin enthalten werden, betreffen in den meisten Fällen die allgemeine Technik des Quecksilbers porosimetry ohne Rücksicht auf einen spezifischen Instrumenthersteller oder -baumuster. Jedoch wird Reihe Micromeritics' AutoPore Luftdurchlässigkeitsprüfer als Bezug verwendet, besonders wenn Beispiele gefordert werden und Details der Datenreduktion dargestellt werden.

Theorie und Messungsmethode

Routinemäßige Operation eines analytischen Instrumentes benötigt nicht Kenntnisse der Grundlagen der Instrumenttheorie. Jedoch lässt ein ausführliches Verständnis des Verhältnisses zwischen dem Fühler und der Probe ein Daten außerhalb der strengen Beschränkungen des theoretischen Baumusters übersetzen, nach dem Datenreduktion basiert. Obgleich dieses möglicherweise Bedeutung für Alltagsqualität oder prozesskontrollierte Anwendungen begrenzt, ist es von extremer Bedeutung in der Forschungsarbeit und wenn es entwickelt, -Berechnungsmethoden für Steueranwendungen. Aus diesen Gründen fängt dieses Dokument mit Informationen über an, wie eine nonwetting Flüssigkeit (speziell, Quecksilber) in suchendem Gleichgewicht zwischen den internen und externen Kräften am Flüssigkeit-festen reagiert, Flüssigkeitdampf und Liquidsoliddampf Schnittstellen.

Strömungslehre und Kapillarhydrostatik

Betrachten Sie ein Absinken der Flüssigkeit stillstehend auf einer festen Oberfläche wie in Abbildung 1. gezeigt. Die Unterseite der Flüssigkeit ist in Verbindung mit der festen Oberfläche. Der Rest der Oberfläche der Flüssigkeit ist in Verbindung mit etwas anderer Flüssigkeit oben gewöhnlich, entweder sein eigener Dampf oder Luft. In dieser Konfiguration gibt es Bereiche von Flüssigkeit-festem, von Flüssigkeitdampf und von Festdampf Schnittstellen. Existiert auch eine Flüssigkeit-festdampf Grenze, die durch eine Zeile beschrieben wird.

Abbildung 1. Querschnitt eines Absinkens von Nichtnassmachen Flüssigkeit stillstehend auf einer festen Oberfläche. Alle Schnittstellen werden gezeigt.

Es gibt Spannkraft in jeder Schnittstelle. Die liquidvapor Zwischenflächen- Spannkraft ist symbolisierter gl-v, der flüssige Flüssigkeit-feste gl-s und der Festdampf G.s- v Der Flüssigkeitdampf und Festdampf Zwischenflächen- die Spannkräfte auch gekennzeichnet als Oberflächenspannungen. Oberflächenspannung hat Abmessungen der Kraft pro Gerätenlänge und wirkt tangential zur Schnittstelle.

Der Winkel des Kontaktes der Flüssigkeitdampf Oberfläche zur Festdampf Oberfläche an einem Punkt auf der Flüssigkeit-solidvapor Schnittstelle kennzeichnet die Zwischenflächen- Spannkraft, die zwischen das feste vorhanden ist, das flüssig und Dampf. Abbildung 2 zeigt fünf Flüssigkeiten von den verschiedenen Oberflächenspannungen, die auf dem gleichen Oberflächenmaterial stillstehen. Unterschiedliche Oberflächenenergie veranlaßt die Flüssigkeiten, verschiedene Kontaktwinkel im Verhältnis zu der festen Oberfläche anzunehmen. Eine Flüssigkeit mit der niedrigen Oberflächenspannung (niedrige Oberflächenenergie) stillstehend auf einer festen Oberfläche der höheren Oberflächenspannung breitet heraus auf der Oberfläche aus, die einen Kontaktwinkel weniger als 90° bildet; dieses gekennzeichnet als Nassmachen. Wenn die Oberflächenenergie der Flüssigkeit die des Körpers überschreitet, bildet die Flüssigkeit eine Raupe und der Winkel des Kontaktes ist zwischen 90° und 180°; dieses ist eine Nichtnassmachen Flüssigkeit im Verhältnis zu der Oberfläche.

Abbildung 2. Verschiedene Flüssigkeiten, die auf einer festen Oberfläche stillstehen. Die verschiedenen Winkel des Kontaktes werden für Nassmachen und Nichtnassmachenflüssigkeiten dargestellt.

In Betracht irgendeines Punktes nach dem Grundsatz, der die Flüssigkeit-festdampf Schnittstelle und die Anzeige aller Kraftvektoren auf Ergebnissen dieses Punktes in einem Diagramm beschreibt, das denen von Abbildung 3. ähnlich ist. Diese Abbildungen stellen eine (horizontale) Vertretung der Zeitreihenfolge dar, was geschieht, wenn ein flüssiges Absinken zuerst auf eine horizontale Oberfläche gelegt wird, bis es Gleichgewicht erzielt. Man kann sich die Initiale, das ein wenig kugelförmige Absinken vorstellen, welches die Oberfläche vor dem Stabilisieren flachdrückt und ausstreut. Der Kontaktwinkel fängt an ungefähr 180° an, und der Flüssigkeitdampf Spannkraftvektor an der liquidsolid- Dampfschnittstelle zeigt im Winkel des Kontaktes. Während der Kontaktwinkel sich verringert, ändert das horizontale Bauteil des Flüssigkeitdampf Spannkraftvektors in der Größe und, wenn der Kontaktwinkel hinter 90° sich verringert, ändert das horizontale Bauteil Zeichen. Wenn die Summe des Festdampf Spannkraftvektors, des Flüssigkeit-festen Spannkraftvektors und des horizontalen Bauteils des Flüssigkeitdampf Spannkraft-Vektorgleichgestellten null, Gleichgewicht auftritt und das Ausbreiten hört auf.

Abbildung 3. Ein Tröpfchen der Flüssigkeit gelegt auf eine feste Oberfläche nimmt einen Kontaktwinkel an, der die horizontalen Kraftbauteile der drei Spannkraftvektoren ausgleicht. Für dieses Beispiel ist è3 der dieser Winkel Ergebnisse im Gleichgewicht.

Die Oberfläche der Flüssigkeit an der Flüssigkeitdampf Schnittstelle nimmt eine Biegung an, die zwei Radien, r und1 r,2 eins im x-z Flugzeug, das andere im y-z Flugzeug hat, in dem die feste Oberfläche das x-yflugzeug ist. Dieses ist ein anderer Effekt der Oberflächenspannung. Die Oberflächenmoleküle wirken wie eine elastische Membran, welche die Oberfläche in die kleinste Konfiguration, ideal eine Kugel zieht, in der r1 =2 Oberflächenspannung r = R. die Oberfläche und das Volumen schmälert, bis die interne Kraft Fi pro Gerätenbereich Oberfläche A2 im Gleichgewicht mit den externen Kräften auf dem gleichen Oberflächenelement ist. Seit Druck ist P, Kraft pro Flächeneinheit (F/A), Gleichgewicht kann im Hinblick auf internes und Druck von Außen ausgedrückt werden. Von den Gleichungen von Jungen und von Laplace für kugelförmige Oberflächen, ist der Unterschied bezüglich des Drucks über der Oberfläche

P“ - P' = ϒ (1/r+1 1/r)2 = 2ϒ /r (1)

wo P“ der Druck auf der konkaven Seite, P' der Druck auf der konvexen Seite, g die Flüssigkeitdampf Oberflächenspannung und ist, da es eine kugelförmige Oberfläche ist, r1 = R.2

Zwischenflächen- Spannkräfte veranlassen auch Flüssigkeiten, Kapillarität auszustellen. Wenn ein Ende eines Kapillarrohrs erzwungen wird, um die Dampfflüssigkeit Oberfläche von der Dampfseite einzudringen, kommt eine Nassmachenflüssigkeit spontan die Kapillare und steigt auf einer Stufe über der externen liquidvapor Schnittstelle. Eine Nichtnassmachen Flüssigkeit widersteht, die Kapillare und die eine Stufe unterhalb der externen Flüssigkeitdampf Stufe immer zu kommen. Das heißt, muss eine nonwetting Flüssigkeit erzwungen werden, um eine Kapillare zu betreten.

Warum widersteht eine Nichtnassmachen Flüssigkeit Eintrag in eine Kapillare? Innerhalb der Kapillare und nach dem Grundsatz, der die Dampf-Flüssigkeit-feste Grenze beschreibt, nimmt die Flüssigkeit-feste Schnittstelle einen diesen Winkel Ergebnisse im Gleichgewicht von Kräften an. Die beitragenden Kräfte sind die des Zusammenhalts zwischen den flüssigen Molekülen und die Kraft des Beitrittes zwischen den flüssigen Molekülen und den Wänden der Kapillare. Die Flüssigkeitdampf Schnittstelle in der Kapillare (der Meniskus) ist für eine Nassmachenflüssigkeit und -konvexen Körper für eine Nichtnassmachen Flüssigkeit konkav. Zusammenfassend gibt es drei körperliche Parameter, die benötigt werden, um das Eindringen einer Flüssigkeit in eine Kapillare zu beschreiben: A) die Zwischenflächen- Spannkraft (Oberflächenspannung) der Flüssigkeitdampf Schnittstelle, nachher einfach symbolisiert durch g, B) der Kontaktwinkel q und c) die Geometrie der Zeile des Kontaktes am Körper - Flüssigkeitdampf Grenze. Für eine Kreiszeile des Kontaktes, wird die Geometrie durch Fotorezeptor beschrieben2, in dem r der Radius des Kreises oder der Kapillare ist.

Washburn berechnete im Jahre 1921 eine Gleichung, die das Gleichgewicht der internen und externen Kräfte auf der Flüssigkeit-festdampf Anlage im Hinblick auf diese drei Parameter beschreibt. Es gibt kurz an, dass der Druck, der benötigt wird, um eine Nichtnassmachen Flüssigkeit zu erzwingen, um eine Kapillare des Kreisquerschnitts zu kommen, umgekehrt zum Durchmesser der Kapillare und direkt proportional zur Oberflächenspannung der Flüssigkeit und zum Winkel des Kontaktes mit der festen Oberfläche proportional ist. Dieses körperliche Kapital wurde in ein basiertes, Pore-messendes Instrument des Eindringens durch Ritter u. in Drake im Jahre 1945 enthalten. Mercury wird fast ausschließlich als die Flüssigkeit der Wahl für das porosimetry Eindringen verwendet, weil es Nichtnassmachen zu den meisten Vollmaterialien ist.

Washburns Gleichung, nach der Datenreduktion basiert, nimmt, dass die Pore oder die Kapillare zylinderförmig ist und die Öffnung ist Kreis im Querschnitt an. Wie angegeben worden ist, neigt die Nettokraft, Eintrag des Quecksilbers in die Pore zu widerstehen und diese Kraft ist das nach Kontakt des Quecksilbers, des Körpers und (des Quecksilber) Dampfes angewandt. Die Zeile des Kontaktes hat eine Länge von 2pr und das Bauteil der Kraft das Quecksilber aus den haarartigen Taten heraus drückend im Richtung cosq (siehe Abbildung 4), wo q der Flüssigkeit-feste Kontaktwinkel ist. Die Größe der Kraft neigend, das Quecksilber wegzutreiben ist

FE = 2 π r ϒ Lattich θ (2)

wo ϒ die Oberflächenspannung ist.

Ein Druck von Außen auf dem Quecksilber wird gefordert, um seinen Eintrag in die Pore zu erzwingen. Das Verhältnis zwischen Kraft (f) und Druck (P) ist P = F/area. Das Lösen für Kraft gibt

FI = π RP2 (3)

Wo π r2 die Querschnittsfläche der Porenöffnung ist.

Ausgleichen der Eindringen- und Verdrängungskraftergebnisse in der Washburn-Gleichung

-2 πr ϒ Lattich-θ = πrP2 (3)

oder, im Hinblick auf Durchmesser D,

- πD ϒ Lattich-θ = (π DP2) /4 (4)

Das Verhältnis zwischen Pressdruck und der minimalen Größenpore, an denen Quecksilber erzwungen wird, um teilzunehmen, ist

D = -4 ϒ Lattich θ/P (5)

Für eine gegebene Flüssigkeit-feste Anlage ist der Zähler die Konstante und stellt das einfache ausdrückende Verhältnis bereit, dass die Größe der Pore, in die Quecksilber sich aufdrängen, umgekehrt zum Pressdruck proportional ist. Das heißt, kann Quecksilber unter Druck von Außen P Eintrag in die Poren widerstehen, die kleiner als D sind, aber kann Eintrag nicht in Poren von den Größen widerstehen, die größer als D. sind. So für jeden möglichen Druck, kann es entschlossen sein, das Porengrößen mit Quecksilber eingedrungen worden sind und das Größen nicht haben.

Abbildung 4. Haarartiger Vorgang von einer Nassmachen- und Nichtnassmachenflüssigkeit im Verhältnis zu den Wänden einer Kapillare. Der g zeigt die Richtung des Vektors der Zwischenflächen- Spannkraft (Kraft) an.

Montieren von Experimentellen Daten

Eine porosimetry Prüfung des typischen Quecksilbereindringens bezieht mit ein, eine Probe in ein Behältnis zu legen, evakuiert das Behältnis, um Verschmutzergase und Dämpfe (normalerweise Wasser) zu löschen und, während sie noch evakuiert wird, lässt Quecksilber das Behältnis füllen. Dieses erstellt eine Umgebung, die einem Körper, einer Nichtnassmachen Flüssigkeit (Quecksilber) besteht und aus Quecksilberdampf. Als Nächstes wird Druck in Richtung zu umgebendem erhöht, während das Volumen von hereinkommenden größeren Öffnungen des Quecksilbers in der Beispielmasse geüberwacht wird. Wenn Druck zu umgebendem zurückgegangen hat, sind Poren von Durchmessern unten zu ungefähr 12 mm gefüllt worden. Das Probengefäß wird dann in einen Druckbehälter für den Rest der Prüfung gelegt. Ein maximaler Druck von ungefähr 60.000 psia (MPa 414) ist für Kreditpapiere der Privatwirtschaft und diesen Druck erzwingt Quecksilber in Poren unten zu ungefähr 0,003 Mikrometern im Durchmesser typisch. Das Volumen des Quecksilbers, das in die Probe wegen eines Druckanstiegs von P bisi P sich aufdrängen, i+1 ist dem Volumen der Poren in der verbundenen Größenreichweite r bisi r,i+1 die Größen gleich, die durch ersetzende Druckwerte in Washburns Gleichung, Eq bestimmt werden. 5.

Das Maß des Volumens des Quecksilbers bewegend in die Probe wird auf verschiedene Arten durchgeführt möglicherweise. Eine geläufige Methode, die hohe Empfindlichkeit ist, ein Kapillarrohr zum Beispielcup zu befestigen liefert und lassen das Kapillarrohr der Hydrauliktank für Quecksilber während des Experimentes sein. Nur ein Bändchen Quecksilber wird gefordert, um eine lange ` Zeichenkette' des Quecksilbers in einer kleinen Kapillare zu produzieren. Wenn Druck von Außen ändert, zeigt die Veränderung der Länge der Quecksilbersäule in der Kapillare das Volumen an, das oder aus in das Beispielcup heraus passiert. Zum Beispiel benötigt eine Kapillare von 1 mm-Radius nur 0,03 cm3 Quecksilber, eine Quecksilbersäule 1 mm in der Länge zu produzieren. Deshalb konnte Volumenauflösung von 0,0033 cm von einer Schuppe leicht sichtlich erreicht werden, die auf dem haarartigen Stamm geätzt wurde. Jedoch sind elektronische Mittelwerte des Entdeckens des Anstiegs und des Falles des Quecksilbers innerhalb der Kapillare viel empfindlicher und unten stellen sogar größere Volumenempfindlichkeit weniger als ein Mikroliter zur Verfügung. Das Maß einer Reihe Pressdrücke und der kumulativen Volumen des Quecksilbers aufdrängen mit jedem Druck enthält die rohe Datei. Ein Plan dieser Daten wird die Eindringenkurve genannt. Wenn Druck verringert wird, verlässt Quecksilber die Poren oder verdrängt. Dieser Prozess auch wird und ist die Verdrängungskurve geüberwacht und grafisch dargestellt. Entsprechend der Form der Poren und anderer körperlicher Phänomene, folgt die Verdrängungskurve normalerweise den selben grafischer Pfad nicht wie die Eindringenkurve. Deshalb enthalten die Eindringenkurve und die Verdrängungskurve unterschiedliche Informationen über das Porennetz.

Wann man den Datenpunkt ist eine wichtige Überlegung montiert, wenn es Eindringen- und Verdrängungseigenschaften misst. Da der Eindringenprozeß miteinbezieht, eine Masse des Quecksilbers in einen begrenzten Porenplatz zu verschieben, ist der Prozess nicht blitzschnell, wie durch das Gesetz Hagens Poiseuille illustriert

Q = V/t = (4πr/8 η) (ΔP/l) (6)

wo Q = Fluss der Flüssigkeit, des V das Volumen der Flüssigkeit, der t-Zeit, des r der haarartige Radius, des η die flüssige Viskosität und des ΔP/l der Druckabfall pro Gerätenlänge der Kapillare.

Jedoch lang und gewundene Pore kanalisiert Ergebnis in kleineren Q-Werten und deshalb benötigt mehr Zeit, das gleiche Volumen zu füllen, wie der Kasten für die Porenanlagen seien Sie, die höhere Q-Werte haben. Um die in hohem Grade entschlossenen und in hohem Grade genauen Daten zu erhalten, muss der Eindringenprozeß abgleichen lassen werden bevor man Druck ändert und die folgende kleinere Porenklasse prüft. Drückte eine andere Methode, hochauflösende Datenerfassung, besonders in der kleinen Porengrößenreichweite aus, benötigt einen Druckschritt, wird d.h. Druck zum folgenden Druck angehoben, dann angehalten, bis Fluss aufhört. Scannenmodus, in dem Druck fortwährend geändert wird, gut für sehr große Poren oder für das Mit filter versehen von Zwecken eingesetzt wird.

Maß Wandler

Von der oben genannten Diskussion ist es klar, dass ein Pressdruck der Quecksilberluftdurchlässigkeitsprüfer-Maßnahmen nur und das Volumen des Quecksilbers in sich aufdrängen oder von der Beispielmasse verdrängten. Druckmessungen werden durch Druckmessgeräte erhalten, die ein elektrisches Signal produzieren (Strom oder Spannung) dass zur Amplitude des Drucks proportional ist, der auf den Fühler zugetroffen wird. Dieses analoge elektrische Signal wird in digitalen Code für das Aufbereiten durch den Überwachungscomputer konvertiert.

Der Wandler, der Quecksilbervolumen entdeckt, ist in die Beispielhalterungseinheit integriert, wie vorher illustriert und in Abbildung 5. gezeigt.

Abbildung 5. Querschnitt eines Penetrationsmessers, in dem Druck etwas Quecksilber in die Poren der Probe erzwungen hat und ungefähr 50% der Stammkapazität ist verwendet worden.

Das Beispielcup hat einen haarartigen befestigten Stamm und diese Kapillaraufschläge als der Quecksilberhydrauliktank während der Analyse und als Element des Quecksilbervolumenwandlers. Vor dem Anfang jeder Analyse, werden das Beispielcup und -kapillare mit Quecksilber gefüllt. Nachdem man gefüllt hat wird die Hauptquelle des Quecksilbers nur das Quecksilber in den Beispielcup- und -kapillarstamm, die Kombination lassend gelöscht, die als der Penetrationsmesser gekennzeichnet ist. Druck wird am Quecksilber in der Kapillare entweder durch ein Gas (Luft) oder eine Flüssigkeit (Schmieröl) angewendet. Der Druck wird vom Fern der Kapillare dem Quecksilber übermittelt, welches die Probe im Beispielcup umgibt.

Der haarartige Stamm wird aus Glas (ein elektrischer Isolator), wird gefüllt mit Quecksilber (ein elektrischer Leiter) konstruiert, und die Außenseite des haarartigen Stammes wird mit Metall überzogen (ein elektrischer Leiter). Die Kombination von zwei konzentrischen elektrischen Leitern, die durch einen Isolator getrennt werden, produziert einen Koaxialkondensator. Der Wert der Kapazitanz ist eine Funktion der Bereiche der Leiter, der Dielektrizitätskonstante des Isolators und anderer körperlicher Parameter. Im Falle dieses bestimmten Kondensators ist die einzige Variable der Bereich des Innenleiters, da Quecksilber die Kapillare verlässt und die Beispiellücken und -poren kommt, oder während es zurück in die Kapillare sich bewegt, wenn Druck verringert wird. Dieses ist einem Quecksilberthermometer mechanisch analog, in diesem Fall Quecksilber in und aus einer kalibrierten Kapillare von einer großen Küvette bei einem Ende sich bewegt. Ein Bändchen Quecksilber eine kleine Kapillare kommend oder verlassend veranlaßt die Länge (und Bereich) der Quecksilbersäule, beträchtlich zu ändern und so stellt Volumen-messende Empfindlichkeit und Auflösung zur Verfügung. Im Falle des Thermometers ist die Änderung im Volumen zur Änderung in der Temperatur durch den Koeffizienten der volumetrischen Reihenentwicklung des Quecksilbers proportional.

Der Kapazitanzwert des Stammes wird durch einen Kapazitanzdetektor geüberwacht der, ähnlich der Druckmessgerätelektronik, ein elektrisches Signal produziert, das zur Kapazitanz proportional ist. Kapazitanzmaße werden in Volumenmaße durch Kenntnisse des Durchmessers der Präzisionskapillare und der Gleichung umgewandelt, die Koaxialkondensatoren regeln.

Quelle: Micromeritics Instrument Corporation.

Zu mehr Information über diese Quelle besuchen Sie bitte Micromeritics Instrument Corporation.

Date Added: Jul 13, 2010 | Updated: Sep 10, 2013

Last Update: 10. September 2013 12:19

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