Fysieke Karakterisering van Materialen die het Binnendringen Porosimetry gebruiken van Mercury door Micromeritics

Besproken Onderwerpen

Inleiding
Theorie en Methode van Meting
Vloeibare Dynamica en Capillaire Hydrostatica
Het Verzamelen van Experimentele Gegevens
De Omvormers van de Meting

Inleiding

Porosimetry het binnendringen van Mercury is één van slechts een paar analytische technieken die een analist toelaat om gegevens over zulk een brede dynamische gamma te verwerven gebruikend één enkel theoretisch model. Porosimetry Mercury wordt uit routine toegepast over een capillaire diameterwaaier van 0.003 µm op 360 grootteordes µm- vijf! Dit is gelijkwaardig aan het gebruiken van het zelfde hulpmiddel aan maatregel met nauwkeurigheid en precisie de diameter van een korrel van zand en de hoogte van een 30 verhaalgebouw.

Niet alleen is het kwik porosimetry toepasselijk over een brede waaier van poriegrootte, maar ook de fundamentele gegevens die het (het volume van kwik heeft geproduceerd binnengedrongen=is= dat in de steekproef als functie van toegepaste druk) zijn indicatief van diverse kenmerken van de porieruimte en worden gebruikt om een verscheidenheid van fysische eigenschappen van het stevige materiaal zelf te openbaren.

De informatie die dalingen in drie belangrijke categorieën volgt: I) instrumententheorie en zijn toepassing in gegevensinzameling, II) informatie die uit verminderde gegevens wordt afgeleid, en III) presentatie van de informatie. Een verklarende woordenlijst van termijnen ook is inbegrepen.

Het Begrip van hoe een vloeistof zich in de specifieke omstandigheden gedraagt verstrekt precies inzicht in hoe een kwikporosimeter de oppervlakte van een materiaal sondeert en zich binnen de poriestructuur beweegt. Dit staat men toe om beter te begrijpen welke van de kwikbinnendringen en uitdrijving gegevens met betrekking tot de steekproef in onderzoek betekenen en staat toe om de gegevens buiten de grenzen van het theoretische model te begrijpen. Het staat ook men toe om een opgeleide vergelijking tussen gelijkaardige verkregen gegevens te maken gebruikend andere metingstechnieken en theoretische modellen.

De hierin bevatte informatie behoort grotendeels tot de algemene techniek van kwik porosimetry ongeacht een specifiek instrumentenfabrikant of een model. Nochtans, wordt de reeks van Micromeritics' AutoPore porosimeters gebruikt als verwijzing, in het bijzonder wanneer de voorbeelden worden vereist en de details van gegevensvermindering worden voorgesteld.

Theorie en Methode van Meting

De Routine verrichting van een analytisch instrument vereist geen kennis van de grondbeginselen van instrumententheorie. Nochtans, staat een diepgaand inzicht in het verband tussen de sonde en de steekproef men toe om gegevens buiten de strikte beperkingen van het theoretische model te interpreteren waarop de gegevensvermindering gebaseerd is. Hoewel dit relevantie voor kwaliteit of procesbeheersingstoepassingen kan beperkt hebben de van dag tot dag, is het van extreem belang in onderzoekswerk en wanneer het ontwikkelen van analysemethodes voor controletoepassingen. Om deze redenen, begint dit document met informatie over hoe een nonwetting vloeistof (specifiek, kwik) in het streven van naar evenwicht tussen interne en externe krachten bij het vloeibaar-vaste lichaam, vloeibaar-damp, en liquidsolid-dampinterfaces reageert.

Vloeibare Dynamica en Capillaire Hydrostatica

Overweeg een daling van vloeistof die op een stevige oppervlakte zoals aangetoond in Figuur 1 rust. De onderkant van de vloeistof is in contact met de stevige oppervlakte. De rest van de oppervlakte van de vloeistof is hierboven typisch in contact met wat andere vloeistof, of zijn eigen damp of lucht. In deze configuratie, zijn er gebieden van vloeibaar-vast lichaam, vloeibaar-damp, en stevig-dampinterfaces. Er bestaat ook een vloeibaar-stevig-dampgrens die door een lijn wordt beschreven.

Figuur 1. Dwarsdoorsnede van een daling die van niet-nat maakt vloeistof op een stevige oppervlakte rust. Alle interfaces worden getoond.

Er is spanning in elke interface. De liquidvaporspanning wordt tussen twee raakvlakken gesymboliseerd gl-v, het vloeibare vloeibaar-vaste lichaam gl-s, en de stevig-damp g.s- v De vloeibaar-damp en stevig-dampspanningen worden tussen twee raakvlakken ook bedoeld als oppervlaktespanningen. De spanning van de Oppervlakte heeft afmetingen van kracht per eenheidslengte en handelt oppervlakkig aan de interface.

De hoek van contact van de vloeibaar-dampoppervlakte aan de stevig-dampoppervlakte op een punt op de vloeibaar-solidvaporinterface kenmerkt de spanning tussen twee raakvlakken huidig tussen het vaste lichaam, de vloeistof, en de damp. Figuur 2 toont vijf vloeistoffen van verschillende oppervlaktespanningen die op het zelfde oppervlaktemateriaal rusten. De Verschillende oppervlakte-energie veroorzaakt de vloeistoffen om verschillende contacthoeken met betrekking tot de stevige oppervlakte te veronderstellen. Een vloeistof met lage oppervlaktespanning die (lage oppervlakte-energie) op een stevige oppervlakte van hogere oppervlaktespanning zal rust uit op de oppervlakte uitspreiden die een contacthoek vormt minder dan 90°; dit wordt doorverwezen naar zoals nat makend. Als de oppervlakte-energie van de vloeistof dat van het vaste lichaam overschrijdt, zal de vloeistof een parel vormen en de hoek van contact zal tussen 90° en 180° zijn; dit is een niet-nat maakt vloeistof met betrekking tot de oppervlakte.

Figuur 2. Diverse vloeistoffen die op een stevige oppervlakte rusten. De verschillende hoeken van contact zijn geïllustreerd voor het nat maken van en niet-nat maakt vloeistoffen.

Het Overwegen van om het even welk punt volgens de lijn die de vloeibaar-stevig-dampinterface en het wijzen van op alle krachtvectoren op dat punt beschrijft resulteert in een diagram gelijkend op die van Figuur 3. Deze illustraties vertegenwoordigen een (volledige die) tijdopeenvolging wat toont gebeurt wanneer een vloeibare daling eerst op een horizontale oppervlakte wordt geplaatst tot het evenwicht bereikt. Men kan de aanvankelijke, enigszins sferische daling veronderstellen die en over de oppervlakte voorafgaand aan het stabiliseren afvlakt uitspreidt. De contacthoek begint bij ongeveer 180°, en de vector van de vloeibaar-dampspanning op de de interfacepunten van de liquidsolid-damp bij de hoek van contact. Aangezien de contacthoek vermindert, de horizontale component van de vectorveranderingen van de vloeibaar-dampspanning in omvang en, als de contacthoek voorbij 90°, het horizontale teken van componentenveranderingen vermindert. Wanneer de som van de vector, vloeibaar-stevige de spanningsvector van de stevig-dampspanning, en horizontale component van vectorgelijke nul, evenwicht van de vloeibaar-dampspanning voorkomt en het uitspreiden houdt op.

Figuur 3. Een druppeltje van vloeistof dat op een stevige oppervlakte wordt geplaatst veronderstelt een contacthoek die de horizontale krachtcomponenten van de drie spanningsvectoren in evenwicht brengt. Dit bijvoorbeeld, is è3 de hoek die in evenwicht resulteert.

De oppervlakte van de vloeistof bij de vloeibaar-dampinterface veronderstelt een kromming die twee stralen, r en1 r, in het x-z vliegtuig, andere in het vliegtuig y-z heeft, waar de stevige oppervlakte het x-y vliegtuig is. Dit is een ander effect van oppervlaktespanning. De oppervlaktemolecules handelen als een elastisch membraan dat de oppervlakte trekt in de kleinste configuratie, ideaal gezien een gebied waar r1 = r2 = de spanning van de r.Oppervlakte de oppervlakte en het volume aangaat tot de interne kracht Fi per eenheidsgebied van oppervlakte A2 in evenwicht met de externe krachten op het zelfde oppervlakteelement is. Sinds druk, is P, kracht per eenheidsgebied (F/A), kan het evenwicht in termen van interne en externe druk worden uitgedrukt. Van de vergelijkingen van Jongelui en Laplace voor sferische oppervlakten, is het verschil in druk over de oppervlakte

P“ - P' = ϒ (1/r1 + 1/r2) = 2ϒ /r (1)

waar P“ de druk aan de concave kant, P de' druk aan de convexe kant, g de spanning van de vloeibaar-dampoppervlakte, en is, aangezien het een sferische oppervlakte is, r1 = r.2

De spanningen Tussen Twee Raakvlakken veroorzaken ook vloeistoffen om capillariteit tentoon te stellen. Als één eind van een haarvat wordt gedwongen om de damp-vloeibare oppervlakte van de dampkant te doordringen, gaat een nat makende vloeistof spontaan het haarvat in en neemt op een niveau boven de externe liquidvaporinterface toe. Een niet-nat maakt vloeistof verzet zich tegen het ingaan van het haarvat en dat een niveau altijd onder het externe vloeibaar-dampniveau. Met andere woorden, moet een nonwetting vloeistof worden gedwongen om een haarvat in te gaan.

Waarom verzet een niet-nat maakt vloeistof zich tegen ingang in een haarvat? Binnen het haarvat en volgens de lijn die de damp-vloeibaar-stevige grens beschrijft, veronderstelt de vloeibaar-stevige interface een hoek die in evenwicht van krachten resulteert. De bijdragende krachten zijn die van samenhang tussen de vloeibare molecules, en de kracht van adhesie tussen de vloeibare molecules en de muren van het haarvat. De vloeibaar-dampinterface in het haarvat (de meniscus) is concaaf en convex voor een nat makende vloeistof voor een niet-nat maakt vloeistof. Samengevat, er drie fysieke parameters nodig zijn om het binnendringen van een vloeistof in een haarvat te beschrijven: a) de spanning tussen twee raakvlakken (oppervlaktespanning) van de vloeibaar-dampinterface, die hierna eenvoudig door g, B) de contacthoek q, en c) de meetkunde van de lijn van contact bij het vaste lichaam wordt gesymboliseerd - vloeibaar-dampgrens. Voor een cirkellijn van contact, wordt de meetkunde beschreven door PR2, waar r de straal van de cirkel of het haarvat is.

Washburn in 1921 leidde een vergelijking af beschrijvend het evenwicht van de interne en externe krachten op het vloeibaar-stevig-dampsysteem in termen van deze drie parameters. Het verklaart beknopt dat de druk die wordt vereist om een niet-nat maakt vloeistof te dwingen om een haarvat van cirkeldwarsdoorsnede in te gaan omgekeerd evenredig aan de diameter van capillair en direct evenredig aan de oppervlaktespanning van de vloeistof en de hoek van contact met de stevige oppervlakte is. Dit fysieke hoofd werd in een binnendringen opgenomen dat, porie-metend instrument door Ritter wordt gebaseerd & Drake in 1945. Mercury wordt gebruikt bijna uitsluitend als vloeistof van keus voor porosimetry binnendringen omdat het aan de meeste stevige materialen niet-nat maakt.

De vergelijking van Washburn, waarop de gegevensvermindering gebaseerd is, veronderstelt dat de porie of het haarvat cilindrisch zijn en openen is cirkel in dwarsdoorsnede. Zoals is verklaard, neigt de netto kracht om zich tegen ingang te verzetten van het kwik in de porie en deze kracht wordt toegepast volgens de lijn van contact van het kwik, het vaste lichaam, en (kwik) de damp. De lijn van contact heeft een lengte van 2pr en de component die van kracht het kwik duwt uit de capillaire handelingen in de richting cosq (zie Figuur 4), waar q de vloeibaar-stevige contacthoek is. De omvang die van kracht het kwik neigt te verdrijven is

FE = 2 π r ϒ cos. θ (2)

waar ϒ de oppervlaktespanning is.

Een externe druk op het kwik wordt vereist om zijn ingang in de porie te dwingen. Het verband tussen kracht (f) en druk (p) is P = F/area. Het Oplossen voor kracht geeft

FI = π rP2 (3)

Waar π r2 het gebied in dwarsdoorsnede van porie het openen is.

Het In Evenwicht Brengen van de binnendringen en uitdrijvingskrachtenresultaten in de vergelijking Washburn

-2 πr ϒcos. θ = πrP2 (3)

of, in termen van diameter D,

- πD ϒ cos. θ = (DP π2) /4 (4)

Het verband tussen toegepaste druk en de minimumgrootteporie waarin het kwik zal worden gedwongen om binnen te gaan is

D = -4 ϒ cos. θ/P (5)

Voor een bepaald vloeibaar-stevig systeem, is de teller constant, verstrekkend de eenvoudige verhouding uitdrukkend dat de grootte van de porie waarin het kwik zal binnendringen omgekeerd evenredig aan de toegepaste druk is. Met andere woorden, kan zich het kwik onder externe druk P tegen ingang in poriën verzetten kleiner dan D, maar kan zich tegen geen ingang in poriën van grootte verzetten groter dan D. Zo, voor om het even welke druk, kan het worden bepaald die de poriegrootte met kwik is binnengevallen en geen die de grootte heeft.

Figuur 4. Capillaire actie van een nat makende en niet-nat maakt vloeistof met betrekking tot de muren van een haarvat. G wijst op de richting van de spannings (kracht) vector tussen twee raakvlakken.

Het Verzamelen van Experimentele Gegevens

Een typische porosimetry test van het kwikbinnendringen impliceert het plaatsen van een steekproef in een container die, die de container evacueert om verontreinigende stofgassen en dampen (gewoonlijk water) te verwijderen en, terwijl nog geëvacueerd, kwik toestaat om de container te vullen. Dit leidt tot een milieu dat uit een vast lichaam, een niet-nat maakt vloeistof (kwik) bestaat, en kwikdamp. Daarna, wordt de druk verhoogd naar omringend terwijl het volume dat van kwik grotere openingen in de steekproefmassa ingaat wordt gecontroleerd. Wanneer de druk aan omringend is teruggekeerd, zijn de poriën van diameters neer aan ongeveer 12 mm gevuld. De steekproefcontainer wordt dan geplaatst in een drukvat voor de rest van de test. Een maximumdruk van ongeveer 60.000 psia (MPa 414) is typisch voor commerciële instrumenten en deze druk zal neer kwik in poriën aan ongeveer 0.003 micrometers in diameter dwingen. Het volume van kwik dat in de steekproef toe te schrijven aan een verhoging van druk van P aani P binnendringti+1 is gelijk aan het volume van de poriën in de bijbehorende groottewaaier ri aan ri+1, grootte die door drukwaarden in de vergelijking van Washburn, Eq worden bepaald te substitueren. 5.

De meting van het volume dat van kwik zich in de steekproef beweegt kan op diverse manieren worden verwezenlijkt. Een gemeenschappelijke methode die hoge gevoeligheid verstrekt is een haarvat vast te maken aan de steekproefkop en het haarvat toe te staan om het reservoir voor kwik te zijn tijdens het experiment. Slechts wordt een klein volume van kwik vereist om een lang koord `' van kwik in een klein haarvat te produceren. Wanneer de externe druk verandert, wijst de variatie in de lengte van de kwikkolom in het haarvat op het volume dat in of uit de steekproefkop overgaat. Bijvoorbeeld, vereist een haarvat van 1 mmstraal slechts 0.03 cm3 kwik om een van kwik 1 kolom mm in lengte te produceren. Daarom zou de volumeresolutie van 0.003 cm3 gemakkelijk visueel uit een schaal kunnen worden verkregen die op de capillaire stam wordt geëtst. Nochtans, zijn de elektronische middelen om de stijging en de val te ontdekken van kwik binnen het haarvat gevoeliger, neer verstrekkend nog grotere volumegevoeligheid voor een minder dan microliter. De meting van een reeks toegepaste druk en de cumulatieve volumes van kwik dat bij elke druk is binnengedrongen bestaat uit de ruwe gegevensreeks. Een perceel van deze gegevens wordt genoemd de binnendringenkromme. Wanneer de druk wordt verminderd, verlaat het kwik de poriën, of drijft uit. Dit proces wordt ook gecontroleerd en in kaart gebracht en is de uitdrijvingskromme. Volgens de vorm van de poriën en andere fysieke fenomenen, volgt de uitdrijvingskromme gewoonlijk niet de zelfde in kaart gebrachte weg zoals de binnendringenkromme. Daarom bevatten de binnendringenkromme en de uitdrijvingskromme verschillende informatie over het porienetwerk.

Wanneer om het gegevenspunt te verzamelen is een belangrijke overweging wanneer het meten van binnendringen en uitdrijvingskenmerken. Aangezien het binnendringenproces het bewegen van een massa van kwik in een beperkte porieruimte impliceert, is het proces niet onmiddellijk zoals die door de wet van Hagen een voorbeeldfunctie wordt vervuld Poiseuille

Q = V/t = (4πr/8 η) (ΔP/l) (6)

waar Q = stroom van de vloeistof, V het volume van vloeistof, ttijd, r de capillaire straal, η de vloeibare viscositeit en ΔP/l de drukdaling per eenheidslengte van haarvat.

Nochtans, lang en de slingerend poriekanalen resulteren in de kleinere waarden van Q, daarom vereisend meer tijd om het zelfde volume te vullen zoals het geval voor poriesystemen die de hogere waarden van Q hebben zou zijn. Om hoogst vastbesloten en hoogst nauwkeurige gegevens te verkrijgen, moet het binnendringenproces worden toegestaan in evenwicht brengen alvorens druk te veranderen en sonderend de volgende klein-gerangschikte porieklasse. Drukte een andere manier, high-resolution gegevensinzameling, in het bijzonder in de kleine waaier van de poriegrootte uit, vereist een drukstap, d.w.z., druk wordt opgeheven aan de volgende druk, dan hield tot de stroom ophoudt. De wijze van het Aftasten, waarin de druk voortdurend wordt veranderd, is het best aangewend voor zeer grote poriën of voor onderzoeksdoeleinden.

De Omvormers van de Meting

Van de bovengenoemde bespreking die, is het duidelijk dat een kwikporosimeter toepaste slechts druk en het volume van kwik meet in is of van de steekproefmassa wordt uitgedreven binnengedrongen die. De metingen van de Druk worden verkregen door drukomvormers die een elektrodiesignaal (stroom of voltage) veroorzaken dat aan de omvang van de druk op de sensor wordt toegepast evenredig is. Dit analoge elektrosignaal wordt omgezet in digitale code voor verwerking door de controlecomputer.

De omvormer die kwikvolume ontdekt is geïntegreerd in de assemblage van de steekproefhouder zoals die eerder en getoond in Figuur 5 een voorbeeldfunctie wordt vervuld.

Figuur 5. De Dwarsdoorsnede van een penetrometer waarin de druk wat kwik in de poriën van de steekproef heeft gedwongen is en ongeveer 50% van de stamcapaciteit gebruikt.

De steekproefkop heeft een capillaire stam in bijlage en dit haarvat dient zowel als kwikreservoir tijdens analyse als als element van de omvormer van het kwikvolume. Voorafgaand aan het begin van elke analyse, worden de het steekproefkop en haarvat gevuld met kwik. Na het vullen, wordt de belangrijkste bron van kwik verwijderd verlatend slechts het kwik in de steekproefkop en de capillaire stam, de combinatie die als penetrometer worden bedoeld. De Druk wordt toegepast op het kwik in het haarvat of door een gas (lucht) of een vloeistof (olie). De druk wordt van het verre eind van het haarvat aan het kwik overgebracht die de steekproef in de steekproefkop omringen.

De capillaire stam wordt geconstrueerd van glas (een elektroisolatie), wordt gevuld met kwik (een elektroleider), en de buitenoppervlakte van de capillaire stam is geplateerd met metaal (een elektroleider). De combinatie van twee concentrische elektrodieleiders door een isolatie worden gescheiden produceert een coaxiale condensator. De waarde van de capacitieve weerstand is een functie van de gebieden van de leiders, de diëlektrische constante van de isolatie, en andere fysieke parameters. In het geval van deze bepaalde condensator, is de enige variabele het gebied van de binnenlandse leider aangezien het kwik het haarvat verlaat en de de steekproefleegten en poriën ingaat, of aangezien het zich terug in het haarvat beweegt wanneer de druk wordt verminderd. Dit is mechanisch analoog aan een kwikthermometer waarbij het kwik zich aan de ene kant in en uit een gekalibreerd haarvat van een grote bol beweegt. Een klein volume die van kwik of een klein haarvat ingaan verlaten veroorzaakt de lengte (en gebied) beduidend van de kwikkolom aan verandering, zo verstrekkend volume-metend gevoeligheid en resolutie. In het geval van de thermometer, is de verandering in volume evenredig aan de verandering in temperatuur door de coëfficiënt van volumetrische uitbreiding van kwik.

De capacitieve weerstandswaarde van de stam wordt gecontroleerd door een capacitieve weerstandsdetector die, gelijkend op de elektronika van de drukomvormer, een elektrosignaal veroorzaakt dat aan capacitieve weerstand evenredig is. De metingen van de Capacitieve Weerstand worden in volumemetingen door kennis van de diameter van het precisiehaarvat omgezet en de vergelijking die coaxiale condensatoren regeren.

Bron: Het Bedrijf van het Instrument van Micromeritics.

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve het Bedrijf van het Instrument Micromeritics.

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

Last Update: 10. September 2013 12:19

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit