Caracterización Física de Materiales usando la Intrusión Porosimetry del Mercury por Micromeritics

Temas Revestidos

Introducción
Teoría y Método de Medición
Dinámica de Fluidos e Hidrostática del Capilar
Cerco de Datos Experimentales
Transductores de la Medición

Introducción

La intrusión del Mercury porosimetry es una solamente de algunas técnicas analíticas que permiso que un analista detecta datos sobre un rango dinámico tan amplio usando un único modelo teórico. ¡El Mercury porosimetry es rutinario aplicado sobre un rango capilar del diámetro a partir de 0,003 µm a 360 órdenes de magnitud del µm- cinco! Esto es equivalente a usar la misma herramienta a la dimensión con exactitud y la precisión el diámetro de un grano de la arena y de la altura de un edificio de 30 historias.

No sólo está aplicable porosimetry del mercurio sobre una amplia gama de tallas del poro, pero también los datos fundamentales que presenta (el volumen de mercurio impuesto en la muestra en función de la presión aplicada) es indicativo de las diversas características del espacio de poro y se utiliza para revelar una variedad de propiedades físicas del material sólido sí mismo.

La información que sigue caídas en tres categorías principales: ) La teoría del instrumento I y su aplicación en la colección de datos, II) información derivaron de datos reducidos, e III) presentación de la información. Un glosario de términos también es incluido.

La Comprensión de cómo un líquido se comporta bajo condiciones específicas proporciona a discernimiento en exactamente cómo un porosímetro del mercurio sonda la superficie de un material y se mueve dentro de la estructura de poro. Esto permite uno entienda mejor qué intrusión del mercurio y datos del estiramiento por presión significan en relación a la muestra bajo prueba y permite que uno entienda los datos fuera de los saltos del modelo teórico. También permite que uno haga una comparación educada entre los datos similares obtenidos usando otras técnicas de medición y los modelos teóricos.

La información contenida adjunto pertenece en general a la técnica general del mercurio porosimetry sin consideración alguna hacia un fabricante o un modelo específico del instrumento. Sin Embargo, la serie de Micromeritics' AutoPore de porosímetros se utiliza como referencia, determinado cuando se requieren los ejemplos y los detalles de la reducción de datos se presentan.

Teoría y Método de Medición

El funcionamiento General de un instrumento analítico no requiere el conocimiento de los fundamentales de la teoría del instrumento. Sin Embargo, una comprensión profundizada del lazo entre la antena y la muestra permite que uno interprete datos fuera de las limitaciones estrictas del modelo teórico sobre el cual se basa la reducción de datos. Aunque esto pudo haber limitado la importancia para las aplicaciones de la calidad cotidiana o de mando de proceso, es de importancia extrema en trabajo de investigación y al desarrollar métodos de análisis para las aplicaciones del mando. Por estas razones, este documento comienza con la información sobre cómo un líquido nonwetting (específicamente, mercurio) reacciona en equilibrio que busca entre las fuerzas internas y externas en el líquido-sólido, el líquido-vapor, y los interfaces del liquidsolid-vapor.

Dinámica de Fluidos e Hidrostática del Capilar

Considere una caída del líquido que descansa sobre una superficie sólida tal y como se muestra en del Cuadro 1. El lado de abajo del líquido está en contacto con la superficie sólida. El resto de la superficie del líquido está en contacto con un poco de otro líquido arriba típicamente, su propio vapor o aire. En esta configuración, hay áreas de líquido-sólido, del líquido-vapor, y de los interfaces del sólido-vapor. También existe un límite del líquido-sólido-vapor descrito por una línea.

Cuadro 1. Cortes transversales de una caída del líquido de la no-adherencia de soldadura que descansa en una superficie sólida. Se muestran Todos Los interfaces.

Hay tensión en cada interfaz. La tensión de cara a cara del liquidvapor es g simbolizadol-v, el g líquido-sólido líquidol-s, y el sólido-vapor G.s- v El líquido-vapor y las tensiones de cara a cara del sólido-vapor también se refieren como tensiones de superficie. La tensión de superficie Tiene dimensiones de la fuerza por longitud de unidad y actúa tangencial al interfaz.

El ángulo del contacto de la superficie del líquido-vapor de la superficie del sólido-vapor en una punta en el interfaz del líquido-solidvapor caracteriza la tensión de cara a cara presente entre el sólido, líquido, y el vapor. El Cuadro 2 muestra cinco líquidos de diversas tensiones de superficie que se basan sobre el mismo material superficial. Diversas energías superficiales hacen los líquidos asumir diversos ángulos de contacto en relación con la superficie sólida. Un líquido con la tensión de superficie inferior (energía superficial inferior) que descansa sobre una superficie sólida de una tensión de superficie más alta se extenderá fuera en la superficie que forma un ángulo de contacto menos el de 90°; esto se refiere como adherencia de soldadura. Si la energía superficial del líquido excede el del macizo, el líquido formará un borde y el ángulo del contacto estará entre el 90° y 180°; esto es un líquido de la no-adherencia de soldadura en relación con la superficie.

Cuadro 2. Diversos líquidos que descansan en una superficie sólida. Los diversos ángulos del contacto se ilustran para los líquidos del mojado y de la no-adherencia de soldadura.

En Vista de cualquier punta a lo largo de la línea que describe el interfaz del líquido-sólido-vapor y la indicación de todos los vectores de la fuerza en resultados de esa punta en un diagrama similar a los del Cuadro 3. Estos ejemplos representan una demostración (de arriba a abajo) de la serie del tiempo qué suceso cuando una caída líquida primero se pone en una superficie horizontal hasta que logre equilibrio. Uno puede imaginarse la inicial, caída algo esférica que aplana y que extiende por la superficie antes de estabilizarse. El ángulo de contacto comienza aproximadamente 180°, y el vector de la tensión del líquido-vapor en el interfaz del vapor del liquidsolid- apunta en el ángulo del contacto. Mientras Que el ángulo de contacto disminuye, el componente horizontal del vector de la tensión del líquido-vapor cambia en magnitud y, si el ángulo de contacto disminuye más allá del 90°, el componente horizontal cambia el señal. Cuando ocurre la suma del vector de la tensión del sólido-vapor, de vector líquido-sólido de la tensión, y de componente horizontal del igual cero, equilibrio del vector de la tensión del líquido-vapor y el extenderse cesa.

Cuadro 3. Una gotita del líquido puesta en una superficie sólida asume un ángulo de contacto que equilibre los componentes de fuerza horizontales de los tres vectores de la tensión. Por este ejemplo, è3 es el ángulo ese los resultados en equilibrio.

La superficie del líquido en el interfaz del líquido-vapor asume una curvatura que tiene dos radios, r1 y r2, uno en el avión del x-z, el otro en el avión del y-z, donde está el avión la superficie sólida x-y. Éste es otro efecto de la tensión de superficie. Las moléculas superficiales actúan como una membrana elástico que tira de la superficie en la configuración más pequeña, idealmente una esfera donde r1 = la tensión de superficie2 De r = del R. contrata la superficie y el volumen hasta que la fuerza interna Fi por el área de unidad de la superficie A2 esté en equilibrio con las fuerzas externas en el mismo elemento superficial. Desde la presión, P, es fuerza por unidad de superficie (F/A), equilibrio se puede expresar en términos de presiones internas y externas. De las ecuaciones de Jóvenes y de Laplace para las superficies esféricas, la diferencia en la presión a través de la superficie es

P” - P' = ϒ (1/r+1 1/r)2 = 2ϒ /r (1)

donde está la presión P” sobre la cara cóncava, P' la presión sobre la cara convexa, g la tensión de superficie del líquido-vapor, y, puesto que es una superficie esférica, r1 = R.2

Las tensiones De Cara A Cara también hacen líquidos exhibir capilaridad. Si un extremo de un tubo capilar se fuerza para penetrar la superficie del vapor-líquido de la cara del vapor, un líquido de la adherencia de soldadura entra en espontáneamente el capilar y sube a un nivel encima del interfaz externo del liquidvapor. Un líquido de la no-adherencia de soldadura resiste el entrar en del capilar y de ése un nivel siempre debajo del nivel externo del líquido-vapor. Es decir un líquido nonwetting se debe forzar para entrar en un capilar.

¿Por Qué un líquido de la no-adherencia de soldadura resiste el asiento en un capilar? Dentro del capilar y a lo largo de la línea que describe el límite vapor-líquido-sólido, el interfaz líquido-sólido asume un ángulo ese los resultados en el equilibrio de fuerzas. Las fuerzas que contribuyen son las de la cohesión entre las moléculas líquidas, y la fuerza de la adherencia entre las moléculas líquidas y las paredes del capilar. El interfaz del líquido-vapor en el capilar (el menisco) es cóncavo para un líquido y un cuerpo de la adherencia de soldadura para un líquido de la no-adherencia de soldadura. En resumen, hay tres parámetros físicos necesarios para describir la intrusión de un líquido en un capilar: a) la tensión de cara a cara (tensión de superficie) del interfaz del líquido-vapor, en lo sucesivo simbolizada simple por g, b) el ángulo de contacto q, y c) la geometría de la línea del contacto en el macizo - límite del líquido-vapor. Para una línea circular del contacto, la geometría es descrita por la banda2, donde está el radio r del círculo o del capilar.

Washburn derivó en 1921 una ecuación que describía el equilibrio de las fuerzas internas y externas en el sistema del líquido-sólido-vapor en términos de estos tres parámetros. Declara sucinto que la presión requerida para forzar un líquido de la no-adherencia de soldadura para entrar en un capilar del corte transversal circular es inverso proporcional al diámetro del capilar y directamente proporcional a la tensión de superficie del líquido y al ángulo del contacto con la superficie sólida. Este principal físico fue incorporado en un instrumento basado, de poro-medición de la intrusión por Ritter y Drake en 1945. El Mercury se utiliza casi exclusivamente como el líquido de la opción para la intrusión porosimetry porque es no-adherencia de soldadura a la mayoría de los materiales sólidos.

La ecuación de Washburn, sobre la cual se basa la reducción de datos, asume que el poro o el capilar es cilíndrico y la apertura es circular en el corte transversal. Como se ha declarado, la fuerza neta tiende a resistir el asiento del mercurio en el poro y esta fuerza es aplicada a lo largo de la línea del contacto del mercurio, del macizo, y del vapor (del mercurio). La línea del contacto tiene una longitud de 2pr y el componente de la fuerza que activa el mercurio de los actos capilares en el cosq de la dirección (véase el Cuadro 4), donde está el ángulo q de contacto líquido-sólido. La magnitud de fuerza que tiende a expulsar el mercurio es

FE = 2 θ del π r ϒ lechuga romana (2)

donde está la tensión de superficie ϒ.

Una presión externa sobre el mercurio se requiere para forzar su asiento en el poro. El lazo entre la fuerza (f) y la presión (p) es P = F/area. El Resolver para la fuerza da

FI = π rP2 (3)

Donde está2 la superficie el π r transversal de la apertura del poro.

Equilibrio de los resultados de la intrusión y de las fuerzas del estiramiento por presión en la ecuación de Washburn

-2 θ de lechuga romana del πr ϒ = πrP2 (3)

o, en términos de diámetro D,

- θ de lechuga romana del πD ϒ = (DP del π2) /4 (4)

El lazo entre la presión aplicada y el poro mínimo de la talla en los cuales el mercurio será forzado para entrar es

D = -4 ϒ lechuga romana θ/P (5)

Para un sistema líquido-sólido dado, el numerador es constante, proporcionando al lazo simple que expresa que la talla del poro en el cual el mercurio impondrá es inverso proporcional a la presión aplicada. Es decir el mercurio bajo presión externa P puede resistir el asiento en los poros más pequeños que D, pero no puede resistir el asiento en poros de las tallas más grandes que la D. Así Pues, para cualquier presión, puede ser resuelto que las tallas del poro se han invadido con mercurio y que no tienen las tallas.

Cuadro 4. acción Capilar de un líquido de la adherencia de soldadura y de la no-adherencia de soldadura en relación con las paredes de un capilar. El g indica la dirección del vector de la tensión de cara a cara (fuerza).

Cerco de Datos Experimentales

Una prueba porosimetry de la intrusión típica del mercurio implica el colocar de una muestra en un contenedor, evacuando el contenedor para quitar los gases y los vapores (generalmente agua) del contaminante y, mientras que todavía está evacuada, permitiendo que el mercurio llene el contenedor. Esto crea un ambiente que consiste en un macizo, un líquido de la no-adherencia de soldadura (mercurio), y el vapor de mercurio. Después, la presión se aumenta hacia ambiente mientras que el volumen de aperturas más grandes que entran del mercurio en el bulto de la muestra se vigila. Cuando la presión ha vuelto a ambiente, los poros de diámetros hacia abajo a cerca de 12 milímetros se han llenado. El contenedor de muestra entonces se coloca en un recipiente del reactor para el resto de la prueba. Una presión máxima de cerca de 60.000 psia (MPa 414) es típica para los instrumentos comerciales y esta presión forzará el mercurio en poros hacia abajo a cerca de 0,003 micrómetros en diámetro. El volumen de mercurio que imponga en la muestra debido a un aumento en la presión de Pi a Pi+1 es igual al volumen de los poros en la gama de tallas asociada ri a ri+1, tallas que son determinadas por valores de la presión que substituyen en la ecuación de Washburn, Eq. 5.

La medición del volumen de mercurio que se traslada a la muestra se puede lograr de diversas maneras. Un método común que proporciona a alta sensibilidad es asociar un tubo capilar a la copa de la muestra y permite que el tubo capilar sea el depósito para el mercurio durante el experimento. Solamente un pequeño volumen de mercurio se requiere para producir una cadena larga del `' del mercurio en un pequeño capilar. Cuando la presión externa cambia, la variación en la longitud de la olumna del mercurio en el capilar indica el volumen que pasa en o de la copa de la muestra. Por ejemplo, un capilar del radio de 1 milímetro requiere solamente 0,03 cm3 de mercurio producir una olumna del mercurio 1 milímetro de largo. Por Lo Tanto, la resolución del volumen de 0,003 cm3 se podía obtener fácilmente visualmente de una escala grabada el ácido en el vástago capilar. Sin Embargo, los medios electrónicos de detectar la subida y la caída del mercurio dentro del capilar son mucho más sensibles, proporcionando incluso a mayor sensibilidad del volumen hacia abajo menos que un microlitro. La medición de una serie de presiones aplicadas y de los volúmenes acumulativos de mercurio impuestos en cada presión comprende el conjunto de las informaciones en bruto. Un gráfico de estos datos se llama la curva de la intrusión. Cuando se reduce la presión, el mercurio sale de los poros, o saca. Este proceso también se vigila y se traza y es la curva del estiramiento por presión. Según la dimensión de una variable de los poros y de otros fenómenos físicos, la curva del estiramiento por presión no sigue generalmente lo mismo camino trazado que la curva de la intrusión. Por Lo Tanto, la curva de la intrusión y la curva del estiramiento por presión contienen diversa información sobre la red del poro.

Cuándo cerco el punto de referencias es una consideración importante al medir características de la intrusión y del estiramiento por presión. Puesto Que el proceso de la intrusión implica el trasladarse de una masa del mercurio a un espacio de poro lindado, el proceso no es instantáneo según lo ejemplificado por la ley de Hagen Poiseuille

Q = V/t = (4πr/8 η) (ΔP/l) (6)

donde Q = flujo del líquido, del V el volumen de líquido, del tiempo de t, del r el radio capilar, del η la viscosidad líquida y del ΔP/l la caída de presión por la longitud de unidad del capilar.

Sin Embargo, de largo y el poro tortuoso canaliza resultado en valores más pequeños de Q, por lo tanto requiriendo más hora de llenar el mismo volumen que sea la caja para los sistemas del poro que tienen valores más altos de Q. Para obtener datos altamente resueltos y altamente exactos, el proceso de la intrusión se debe permitir equilibrar antes de cambiar la presión y de sondar la clase más pequeña siguiente del poro. Expresó otra manera, colección de datos de alta resolución, determinado en la pequeña gama de tallas del poro, requiere un paso de progresión de la presión, es decir, la presión se aumenta a la presión siguiente, después se lleva a cabo hasta que el flujo cese. Modo de Exploración, en el cual la presión se cambia continuamente, se emplea mejor para los poros muy grandes o para revisar propósitos.

Transductores de la Medición

De la discusión antedicha, está sin obstrucción que las dimensiones de un porosímetro del mercurio aplicaron solamente la presión y el volumen de mercurio impuesto en o sacaron del bulto de la muestra. Las mediciones de la Presión son obtenidas por los transductores de presión que producen una señal eléctrica (corriente o voltaje) que es proporcional a la amplitud de la presión aplicada al sensor. Esta señal eléctrica analogica es convertida en el código digital para tramitar por el ordenador de la supervisión.

El transductor que detecta el volumen del mercurio es integrado en el ensamblaje del casquillo de la muestra según lo ejemplificado previamente y mostrado en el Cuadro 5.

Se ha utilizado el Cuadro 5. Cortes transversales de un penetrómetro en el cual la presión ha forzado un poco de mercurio en los poros de la muestra y el cerca de 50% de la capacidad del vástago.

La copa de la muestra tiene un vástago capilar asociado y servicios de este capilar como el depósito del mercurio durante análisis y como elemento del transductor del volumen del mercurio. Antes del principio de cada análisis, la copa y el capilar de la muestra se llenan de mercurio. Después de llenar, la fuente principal del mercurio se quita que deja solamente el mercurio en el vástago de la copa y del capilar de la muestra, la combinación que es referida como el penetrómetro. La Presión es aplicada al mercurio en el capilar por un gas (aire) o un líquido (aceite). La presión se transmite del extremo lejano del capilar al mercurio que rodea la muestra en la copa de la muestra.

El vástago capilar se construye del cristal (un aislador eléctrico), se llena del mercurio (un conductor eléctrico), y la superficie exterior del vástago capilar se chapa con el metal (un conductor eléctrico). La combinación de dos conductores eléctricos concéntricos separados por un aislador produce un condensador coaxial. El valor de la capacitancia es una función de las áreas de los conductores, de la constante dieléctrica del aislador, y de otros parámetros físicos. En el caso de este condensador determinado, la única variable es el área del conductor interior pues el mercurio sale del capilar y entra en los claros y los poros de la muestra, o mientras que se mueve nuevamente dentro del capilar cuando se reduce la presión. Esto es mecánicamente análogo a un termómetro de mercurio en este caso el mercurio se mueve dentro y fuera de un capilar calibrado desde un bulbo grande en un extremo. Un pequeño volumen de mercurio que entra en o que sale de un pequeño capilar hace la longitud (y el área) de la olumna del mercurio cambiar importante, así proporcionando a sensibilidad y a la resolución de volumen-medición. En el caso del termómetro, el cambio en volumen es proporcional al cambio en temperatura por el coeficiente de extensión volumétrica del mercurio.

El valor de la capacitancia del vástago es vigilado por un detector de la capacitancia que, similar a la electrónica del transductor de presión, produzca una señal eléctrica que sea proporcional a la capacitancia. Las mediciones de la Capacitancia son transformadas en mediciones del volumen por el conocimiento del diámetro del capilar de la precisión y de la ecuación que regulan los condensadores coaxiales.

Fuente: Micromeritics Instrument Corporation.

Para más información sobre esta fuente visite por favor Micromeritics Instrument Corporation.

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

Last Update: 10. September 2013 12:21

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