Caractérisation Matérielle des Matériaux utilisant l'Intrusion Porosimetry de Mercury par Micromeritics

Sujets Couverts

Introduction
Théorie et Méthode de Mesure
Hydrostatique de Dynamique Des Fluides Et de Capillaire
Rassemblement des Données Expérimentales
Transducteurs de Mesure

Introduction

L'intrusion de Mercury porosimetry est l'une de quelques techniques seulement analytiques qui permet à un analyste de saisir des données sur une dynamique si grande utilisant un modèle théorique unique. Mercury porosimetry est par habitude appliqué sur un domaine capillaire de diamètre de 0,003 µm à 360 ordres de grandeur du µm- cinq ! C'est équivalent à utiliser le même outil à la mesure avec l'exactitude et la précision le diamètre d'un grain de sable et à la hauteur d'un bâtiment de 30 histoires.

Est Non seulement applicable porosimetry de mercure au-dessus d'un large éventail de tailles de pore, mais également les données principales qu'il produit (le volume de mercure imposé dans l'échantillon en fonction de la pression appliquée) est indicatif des caractéristiques variées du pore et est utilisé pour indiquer un grand choix de propriétés physiques du matériau solide elle-même.

L'information qui suit des entrer dans trois catégories principales : I) la théorie d'instrument et son application dans la collecte des informations, II) l'information ont dérivé des données réduites, et III) exposé d'information. Un glossaire des termes est également inclus.

La Compréhension comment un liquide se comporte dans des conditions particulières fournit l'analyse dans exact comment un porosimètre de mercure sonde la surface d'un matériau et déménage dans la structure de pore. Ceci permet à un de comprendre mieux quelles intrusion de mercure et données d'extrusion signifient par rapport à l'échantillon au test et permet à on de comprendre les données en dehors de des limites du modèle théorique. Il permet également à on d'effectuer une comparaison instruite entre les données assimilées obtenues utilisant d'autres techniques de mesure et les modèles théoriques.

L'information contenue dans le présent concerne pour la plupart la technique générale du mercure porosimetry sans souci d'un constructeur ou d'un modèle particulier d'instrument. Cependant, suite de Micromeritics la' AutoPore de porosimètres est utilisée comme référence, en particulier quand des exemples sont exigés et des détails de la réduction de données sont présentés.

Théorie et Méthode de Mesure

L'opération Courante d'un instrument analytique n'exige pas la connaissance des principes de la théorie d'instrument. Cependant, une compréhension en profondeur de la relation entre la sonde et l'échantillon permet à on d'interpréter des données en dehors de des limitations strictes du modèle théorique sur lequel la réduction de données est basée. Bien Que ceci ait pu avoir limité la pertinence pour la qualité de jour en jour ou les applications à régulation de processus, il est d'importance extrême dans le travail de recherches et en développant les méthodes d'analyse pour des applications de contrôle. Pour ces raisons, ce document commence par les informations sur la façon dont un liquide nonwetting (particulièrement, mercure) réagit dans l'équilibre recherchant entre les forces internes et externes au liquide-solide, la liquide-vapeur, et les surfaces adjacentes de liquidsolid-vapeur.

Hydrostatique de Dynamique Des Fluides Et de Capillaire

Considérez une goutte de liquide posant sur une surface solide suivant les indications du Schéma 1. Le côté en dessous du liquide est en contact avec la surface solide. Le reste de la surface du liquide est en contact avec un autre liquide ci-dessus type, sa propre vapeur ou air. Dans cette configuration, il y a des zones de liquide-solide, de liquide-vapeur, et des surfaces adjacentes de solide-vapeur. Là existe également une borne de liquide-solide-vapeur décrite par une ligne.

Le Schéma 1. Coupe transversale d'une goutte de liquide de non-mouillage posant sur une surface solide. Toutes Les surfaces adjacentes sont affichées.

Il y a tension dans chaque surface adjacente. La tension interfaciale de liquidvapor est g symbolisél-v, le g liquide-solide liquidel-s, et la solide-vapeur G.s- v La liquide-vapeur et les tensions interfaciales de solide-vapeur également désigné sous le nom des tensions superficielles. La tension Superficielle a des cotes de la force selon l'unité de longueur et agit tangentiellement à la surface adjacente.

La cornière du contact de la surface de liquide-vapeur avec la surface de solide-vapeur à une remarque sur la surface adjacente de liquide-solidvapor caractérise la tension interfaciale actuelle entre le solide, liquide, et la vapeur. Le Schéma 2 affiche cinq liquides de différentes tensions superficielles posant sur le même matériau extérieur. Les Différentes énergies extérieures font assumer les liquides différentes cornières de contact relativement à la surface solide. Un liquide avec la tension superficielle faible (énergie extérieure faible) posant sur une surface solide d'une tension superficielle plus élevée étendra sur la surface formant une cornière de contact moins de 90° ; ceci désigné sous le nom du mouillage. Si l'énergie extérieure du liquide dépasse cela du solide, le liquide formera un petit programme et la cornière du contact sera entre 90° et 180° ; c'est un liquide de non-mouillage relativement à la surface.

Le Schéma 2. liquides Variés posant sur une surface solide. Les différentes cornières du contact sont illustrées pour des liquides de mouillure et de non-mouillage.

Vu toute remarque suivant la ligne qui décrit la surface adjacente de liquide-solide-vapeur et indiquer tous les vecteurs de force sur des résultats de cette remarque dans un tableau assimilé à ceux du Schéma 3. Ces illustrations représentent une apparence (de haut en bas) de séquence de temps ce qui se produit quand une goutte liquide d'abord est mise sur une surface horizontale jusqu'à ce qu'elle réalise l'équilibre. On peut imaginer l'initiale, goutte quelque peu sphérique aplatissant et répartissant la surface avant de stabiliser. La cornière de contact commence à environ 180°, et le vecteur de tension de liquide-vapeur à la surface adjacente de vapeur de liquidsolid- se dirige à la cornière du contact. Pendant Que la cornière de contact diminue, le composant horizontal du vecteur de tension de liquide-vapeur change dans la grandeur et, si la cornière de contact diminue au delà de 90°, les modifications de composant horizontal signent. Quand le montant du vecteur de tension de solide-vapeur, du vecteur liquide-solide de tension, et du composant horizontal de l'égal zéro, équilibre de vecteur de tension de liquide-vapeur se produit et la propagation cesse.

Le Schéma 3. Une gouttelette de liquide mise sur une surface solide assume une cornière de contact qui équilibre les composants de force horizontaux des trois vecteurs de tension. Pour cet exemple, è3 est la cornière cette des résultats dans l'équilibre.

La surface du liquide à la surface adjacente de liquide-vapeur assume une lordose ayant deux radius, r1 et r2, un dans le plan de x-z, l'autre dans le plan de y-z, où la surface solide est le plan de x/y. C'est un autre effet de la tension superficielle. Les molécules extérieures agissent comme une membrane élastique tirant la surface dans la plus petite configuration, idéalement une sphère où r1 = tension2 Superficielle de r = de R. contracte la surface et le volume jusqu'à ce que la force interne Fi selon l'unité de superficie de la surface A2 soit dans l'équilibre avec les forces externes sur le même élément extérieur. Depuis la pression, P, est force par unité de surface (F/A), équilibre peut être exprimé en termes de pressions internes et externes. Des équations des Jeunes et du Laplace pour les surfaces sphériques, la différence dans la pression en travers de la surface est

P » - P' = ϒ (1/r+1 1/r)2 = 2ϒ /r (1)

là où P » est la pression du côté concave, P' la pression du côté convexe, g la tension superficielle de liquide-vapeur, et, puisque c'est une surface sphérique, r1 = R.2

Les tensions Interfaciales font également montrer des liquides la capillarité. Si une extrémité d'un tube capillaire est forcée pour pénétrer la surface de vapeur-liquide du côté de vapeur, un liquide de mouillage entre dans spontanément le capillaire et les augmentations à un niveau au-dessus du liquidvapor externe relient. Un liquide de non-mouillage résiste entrer dans le capillaire et cela un niveau toujours ci-dessous le niveau externe de liquide-vapeur. En d'autres termes, un liquide nonwetting doit être forcé pour entrer dans un capillaire.

Pourquoi est-ce qu'un liquide de non-mouillage résiste à l'entrée dans un capillaire ? À L'intérieur du capillaire et suivant la ligne décrivant la borne vapeur-liquide-solide, la surface adjacente liquide-solide assume une cornière cette des résultats dans l'équilibre des forces. Les forces contribuantes sont ceux de la cohésion entre les molécules liquides, et la force de l'adhérence entre les molécules liquides et les parois du capillaire. La surface adjacente de liquide-vapeur dans le capillaire (le ménisque) est concave pour un liquide et un corps convexe de mouillage pour un liquide de non-mouillage. En résumé, il y a trois paramètres matériels requis pour décrire l'intrusion d'un liquide dans un capillaire : a) la tension interfaciale (tension superficielle) de la surface adjacente de liquide-vapeur, ultérieurement symbolisée simplement par g, b) la cornière de contact q, et c) la géométrie de la ligne du contact au solide - borne de liquide-vapeur. Pour une ligne circulaire de contact, la géométrie est décrite par le P.R.2, où r est le radius du cercle ou du capillaire.

Washburn a en 1921 dérivé une équation décrivant l'équilibre des forces internes et externes sur le système de liquide-solide-vapeur en termes de ces trois paramètres. Il indique avec concision que la pression exigée pour forcer un liquide de non-mouillage pour entrer dans un capillaire de coupe transversale circulaire est inversement proportionnelle au diamètre du capillaire et directement proportionnel à la tension superficielle du liquide et à la cornière du contact avec la surface solide. Ce mandant matériel a été comporté à un instrument basé et pore-mesurant d'intrusion par Ritter et à Drake en 1945. Mercury est utilisé presque exclusivement comme liquide de choix pour l'intrusion porosimetry parce que c'est non-mouillage à la plupart des matériaux solides.

L'équation de Washburn, sur laquelle la réduction de données est basée, suppose que le pore ou le capillaire est cylindrique et l'ouverture est circulaire dans la coupe transversale. Comme a été indiqué, la force nette tend à résister à l'entrée du mercure dans le pore et cette force est appliquée suivant la ligne du contact du mercure, du solide, et de la vapeur (de mercure). La ligne du contact a une longueur de 2pr et le composant de la force poussant le mercure hors des actes capillaires dans le cosq de sens (voir le Schéma 4), où q est la cornière de contact liquide-solide. L'importance de force tendant à expulser le mercure est

FE = 2 θ du π r ϒ cos (2)

là où ϒ est la tension superficielle.

Une pression externe sur le mercure est exigée pour forcer son entrée dans le pore. La relation entre la force (f) et la pression (p) est P = F/area. Résoudre la force donne

FI = π RP2 (3)

Là Où le π r2 est la section transversale de l'ouverture de pore.

Équilibrage des résultats d'intrusion et de forces d'extrusion dans l'équation de Washburn

-2 θ de cos de πr ϒ = πrP2 (3)

ou, en termes de diamètre D,

- θ de cos de πD ϒ = (DP de π2) /4 (4)

La relation entre la pression appliquée et le pore minimum de taille dans lesquels le mercure sera forcé pour entrer est

D = -4 ϒ cos θ/P (5)

Pour un système liquide-solide donné, le numérateur est constante, fournissant la relation simple exprimant que la taille du pore dans lequel le mercure s'imposera est inversement proportionnelle à la pression appliquée. En d'autres termes, le mercure sous la pression externe P peut résister à l'entrée dans des pores plus petits que D, mais ne peut pas résister à l'entrée dans des pores des tailles plus grandes que le D. Ainsi, pour n'importe quelle pression, il peut être déterminé que des tailles de pore ont été envahi avec le mercure et que les tailles n'ont pas.

Le Schéma 4. action Capillaire d'un liquide de mouillage et de non-mouillage relativement aux parois d'un capillaire. Le g indique le sens du vecteur de tension interfaciale (force).

Rassemblement des Données Expérimentales

Un test porosimetry d'intrusion typique de mercure concerne mettre un échantillon dans un récipient, évacuant le récipient pour retirer des gaz de contaminant et des vapeurs (habituellement l'eau) et, tandis que toujours évacué, permettant au mercure de remplir récipient. Ceci produit un environnement se composant d'un solide, d'un liquide de non-mouillage (mercure), et de la vapeur de mercure. Ensuite, de la pression est augmentée vers ambiant tandis que le volume ouvertures entrantes de mercure de plus grandes dans le volume témoin est surveillé. Quand la pression est revenue à ambiant, des pores des diamètres vers le bas à environ 12 millimètres ont été remplis. Le récipient témoin est alors mis dans un récipient à pression pour le reste du test. Une pression maximum d'environ 60.000 lb/p0 carré a. (Avion de patrouille maritime 414) est particulière pour les instruments commerciaux et cette pression forcera le mercure dans des pores vers le bas à environ 0,003 micromètres de diamètre. Le volume de mercure qui s'impose dans l'échantillon dû à une augmentation de pression de Pi de Pi+1 est égal au volume des pores dans la classe de grandeur associée ri à ri+1, tailles déterminé par des valeurs de substitution de pression dans l'équation de Washburn, Eq. 5.

La mesure du volume de mercure entrant dans l'échantillon peut être accomplie dans voies variées. Une méthode classique qui fournit la sensibilité élevée est de fixer un tube capillaire dans la cuvette témoin et permettent au tube capillaire d'être le réservoir pour le mercure pendant l'expérience. Seulement un petit volume de mercure est exigé pour produire une longue chaîne de caractères de `' de mercure dans un petit capillaire. Quand la pression externe change, la variation de la longueur du fléau de mercure dans le capillaire indique le volume réussissant dans ou hors de la cuvette témoin. Par exemple, un capillaire de radius de 1 millimètre exige de seulement 0,03 cm3 de mercure de produire un fléau de mercure 1 millimètre de longueur. Par Conséquent, la définition de volume de 0,003 cm3 facilement a pu être obtenue visuellement à partir d'une échelle corrodée sur la cheminée capillaire. Cependant, les moyens électroniques de trouver l'augmentation et la chute du mercure dans le capillaire sont beaucoup plus sensibles, fournissant encore une sensibilité plus grande de volume vers le bas moins qu'un microlitre. La mesure d'une suite de pressions appliquées et des volumes cumulatifs de mercure imposés à chaque pression comporte le positionnement de données brutes. Un traçage de ces données est appelé la courbure d'intrusion. Quand la pression est réduite, le mercure laisse les pores, ou refoule. Ce procédé est surveillé et également tracé et est la courbure d'extrusion. Selon la forme des pores et d'autres phénomènes matériels, la courbure d'extrusion habituellement ne suit pas la même chose chemin tracé que la courbure d'intrusion. Par Conséquent, la courbure d'intrusion et la courbure d'extrusion contiennent des informations différentes sur le réseau de pore.

Quand rassembler le point d'informations est une considération importante en mesurant des caractéristiques d'intrusion et d'extrusion. Puisque le procédé d'intrusion concerne entrer une masse de mercure dans un pore logé, le procédé n'est pas instantané comme exemplifié par la loi de Hagen Poiseuille

Q = V/t = (4πr/8 η) (ΔP/l) (6)

là où Q = flux du liquide, du V le volume de liquide, du temps de t, du r le radius capillaire, du η la viscosité liquide et du ΔP/l la chute de pression selon l'unité de longueur du capillaire.

Cependant, longtemps et le pore tortueux chemine le résultat en plus petites valeurs de Q, pour cette raison ayant besoin de plus d'heure de remplir même volume que soyez la caisse pour des systèmes de pore ayant des valeurs plus élevées de Q. Pour obtenir des données hautement resolved et hautement précises, on doit permettre au le procédé d'intrusion d'équilibrer avant de changer la pression et sonder la prochaine classe plus de petite taille de pore. A Exprimé une autre voie, collecte des informations à haute résolution, en particulier en petite classe de grandeur de pore, exige une phase de pression, c.-à-d., de la pression est augmentée à la prochaine pression, puis retenue jusqu'à ce que le flux cesse. Mode de Lecture, en lequel de la pression est soutenu changée, mieux est utilisée pour les pores très grands ou pour examiner des buts.

Transducteurs de Mesure

De la discussion ci-dessus, il est clair que les mesures d'un porosimètre de mercure aient seulement appliqué la pression et le volume de mercure imposé dans ou ont refoulé du volume témoin. Des mesures de Pression sont obtenues par les transducteurs de pression qui produisent un signe électrique (courant ou tension) qu'est proportionnel à l'amplitude de la pression appliquée au senseur. Ce signe électrique analogique est converti en code numérique pour traiter par l'ordinateur de surveillance.

Le transducteur qui trouve le volume de mercure est intégré dans l'assemblage de support témoin comme précédemment exemplifié et représenté sur le Schéma 5.

Le Schéma 5. Coupes transversales d'un pénétromètre en lequel la pression a forcé du mercure dans les pores de l'échantillon et environ de 50% de la capacité de cheminée a été utilisé.

La cuvette témoin a une cheminée capillaire fixée et des services de ce capillaire comme réservoir de mercure pendant l'analyse et comme élément du transducteur de volume de mercure. Avant le début de chaque analyse, la cuvette et le capillaire témoin sont remplis de mercure. Après avoir rempli, la source principale du mercure est retirée laissant seulement le mercure dans la cheminée de cuvette et de capillaire témoin, la combinaison désigné sous le nom du pénétromètre. De la Pression est appliquée au mercure dans le capillaire par un gaz (air) ou un liquide (pétrole). La pression est transmise de l'extrémité du capillaire au mercure entourant l'échantillon dans la cuvette témoin.

La cheminée capillaire est construite avec de la glace (un isolant électrique), est remplie de mercure (un conducteur électrique), et la surface externe de la cheminée capillaire est plaquée avec le métal (un conducteur électrique). La combinaison de deux conducteurs électriques concentriques séparés par un isolant produit un condensateur coaxial. La valeur de la capacité est un fonctionnement des zones des conducteurs, de la constante diélectrique de l'isolant, et d'autres paramètres matériels. Dans le cas de ce condensateur particulier, la seule variable est la zone du conducteur intérieur car le mercure part du capillaire et entre dans les vides et les pores témoin, ou pendant qu'il déménage de nouveau dans le capillaire quand la pression est réduite. C'est mécaniquement analogue à un thermomètre à mercure dans ce cas le mercure déménage dans et hors d'un capillaire étalonné d'un grand bulbe rachidien à une extrémité. Un petit volume de mercure entrant dans ou partant d'un petit capillaire fait changer la longueur (et la zone) du fléau de mercure de manière significative, de ce fait fournissant la sensibilité et la définition de volume-mesure. Dans le cas du thermomètre, le changement du volume est proportionnel au changement de la température par le coefficient d'extension volumétrique de mercure.

La valeur de capacité de la cheminée est surveillée par un détecteur de capacité qui, assimilé à l'électronique de transducteur de pression, produit un signe électrique qui est proportionnel à la capacité. Les mesures de Capacité sont transformées dans des mesures de volume par la connaissance du diamètre du capillaire de précision et de l'équation régissant les condensateurs coaxiaux.

Source : Micromeritics Instrument Corporation.

Pour plus d'informations sur cette source rendez visite s'il vous plaît à Micromeritics Instrument Corporation.

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

Last Update: 10. September 2013 12:19

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