Удельная поверхность и пористость. Методы определения удельной поверхности Определение удельной поверхности

Наиболее широко используемые методы определения удельной поверхности порошкообразных материалов основаны на оценке их воздухопроницаемости или адсорбционной способности по отношению к различным газам.

Метод воздухопроницаемости основан на эффекте фильтрации воздуха через слой порошка определенной толщины при атмосферном давлении. Для определения удельной поверхности по этому методу используют приборы различной конструкции, например ПСХ-2. Принципиальная схема прибора ПСХ-2 приведена на рис. 5. Расположенную в кювете 1 перфорированную перегородку покрывают кружком фильтровальной бумаги и кювету заполняют навеской испытываемого порошка, отвешенной на технических весах с точностью до 0,01 г. Покрывают порошок вторым кружком фильтровальной бумаги и уплотняют его плунжером 2. Толщину уплотненного слоя порошка измеряют с помощью нониусной планки, укрепленной на выступающей цилиндрической части плунжера, и миллиметровой шкалы, нанесенной на внешнюю поверхность кюветы. Удаляют плунжер, открывают кран 4 и с помощью резиновой груши 5 под слоем испытываемого материала создают разрежение, достаточное для подъема окрашенной воды, заполняющей манометр 3, в верхнюю расширенную часть манометра. Затем закрывают кран 4 и по секундомеру определяют время прохождения мениска жидкости между контрольными рисками 1–2 или 3–4 на трубке манометра. Проводят не менее трех параллельных измерений и для последующих расчетов используют среднее значение времени прохождения мениска жидкости между соответствующей парой рисок: «верхней» (1–2) или «нижней» (3–4).

При испытании тонкозернистых материалов мениск жидкости опускается в трубке манометра очень медленно, и для сокращения продолжительности измерений используют верхнюю пару рисок. При испытании грубозернистых материалов жидкость в манометре вначале опускается настолько быстро, что бывает трудно точно измерить время прохождения ее мениска между верхними рисками; в этом случае используют нижнюю пару рисок.

Навеску испытываемого порошка g, г, определяют по формуле

где ρ – плотность испытываемого материала, г/см 3 .

Удельную поверхность S , см 2 /г, рассчитывают по формуле

где K – постоянная прибора (значения K для нижней и верхней пар рисок приводятся в паспорте прибора); М – коэффициент, зависящий от толщины слоя испытываемого материала L и температуры воздуха при измерении (значения М справочные данные); τ – время, в течение которого мениск жидкости опускается между соответствующими рисками; g – навеска испытываемого порошка, г.

Достоинство метода воздухопроницаемости – простота используемых приборов и малая продолжительность испытания, что делает его особенно удобным, например, для оперативного контроля процесса тонкого измельчения. Однако значения удельной поверхности, измеренной этим методом, существенно зависят от степени уплотнения испытываемых порошков, что практически исключает возможность его использования для определения удельной поверхности высокодисперсных порошков, которые часто гигроскопичны и весьма склонны к агрегированию частиц. На практике метод воздухопроницаемости обычно используют для исследования порошкообразных материалов, удельная поверхность которых не превышает 5000–7000 см 2 /г (0,5–0,7 м 2 /г).

Адсорбционные методы используют для исследования высокодисперсных порошков с удельной поверхностью от 0,5 до 1000 м 2 /г. Если твердое тело, например уголь, помещают в замкнутое пространство, заполненное газом или паром при определенном давлении, твердое тело начинает адсорбировать газ и масса его возрастает, а давление газа уменьшается. Спустя некоторое время давление становится постоянным, и масса тела перестает увеличиваться. Основываясь на законах идеальных газов, если известны объемы сосуда и твердого тела, можно, исходя из снижения давления, рассчитать количества газа (или пара), необходимого для образования на поверхности частиц материала насыщенного адсорбционного мономолекулярного слоя A м . По величине А м и по площади, занимаемой в таком слое одной молекулой адсорбционного газа, можно рассчитать удельную поверхность исследуемого материала.

Величину А м в молях рассчитывают по уравнению изотермы адсорбции С. Брунауэра, П. X. Эммета и Е. Теллера (уравнение БЭТ), имеющему в линейной форме вид

где А м – количество газа, адсорбированного при равновесном давлении Р, моли; P s – давление насыщенных паров газа при температуре опыта; С – энергетическая константа.

Уравнение БЭТ справедливо в диапазоне значений P/P s от 0,05 до 0,35.

В координатах «Р/А (P s –Р) – P/P s » изотерма адсорбции согласно приведенной формуле изображается прямой линией, тангенс угла наклона которой равен (С–1)/(А м ∙С) ,а отрезок, отсекаемый на оси ординат равен 1/(А м ∙С). Определив значение А м при различных значениях P , получают данные, необходимые для построения изотермы адсорбции и, соответственно, для определения величины А м.

Измерения проводят с помощью приборов, в которых чаще всего используют адсорбцию азота при температуре его кипения (78 К). Навеска образца берется в зависимости от предполагаемой удельной поверхности и варьируется в пределах от 0,03 до 0,15 г. Чем больше поверхность, тем меньше навеска. Перед измерением изотермы адсорбции с поверхности адсорбента удаляют все ранее физически адсорбированные вещества. Это достигается наилучшим образом откачкой в высоком вакууме. Для полного удаления физически адсорбированных веществ из наиболее узких пор (микропористых адсорбентов) необходимо откачку проводить при температурах 350–400 о С.

Измерения удельной поверхности проводятся при подаче газообразного азота при температуре жидкого азота. Удельная поверхность образца рассчитывается исходя из данных массы навески, объема измерительной ячейки с образцом и без него, количества адсорбированного образцом газа.

Результаты, полученные адсорбционным методом, дают наиболее полное представление об истинном значении удельной поверхности исследуемых материалов, поскольку они (в отличие от результатов, полученных, например, методом воздухопроницаемости) фиксируют не только «внешнюю» поверхность частиц, но и поверхность, образуемую внутренней пористостью частиц. Очевидно, что сравнение значений удельной поверхности материалов можно проводить лишь тогда, когда они измерены одним и тем же методом.

Величина удельной поверхности наиболее надежно измеряется широко распространенным методом адсорбции азота или других"газов и паров. Однако для методов, предусматривающих адсорбцию каких-либо специфических ионов или молекул из раствора (водного либо органического), требуется более простое оборудование, и, как подтверждается, они оказываются более удобными, в особенности для текущей работы.

Во всех случаях использования адсорбционных методов ключевым представляется следующий вопрос: разделены ли первичные кремнеземные частицы между собой настолько, чтобы поры между ними оказывались доступными для адсорбированных ионов или молекул и чтобы поверхность кремнезема могла покрываться по крайней мере единичным слоем адсорбированного вещества? Наблюдались многочисленные примеры, когда в микропористых силикагелях молекулы воды или ионы ОН - оказывались способными проникать внутрь пор, а молекулы азота или какие-либо другие большие по размеру молекулы не могли в них входить. Принимается, что в твердых адсорбентах, для которых измеряется удельная поверхность, поры имеют такой размер, при котором определяемая порами величина поверхности оказывается в основном доступной для данного адсорбируемого вещества.

Другие свойства твердого тела, являющиеся функцией удельной поверхности, также могут быть измерены, но, однако, соответствующие методы не нашли широкого применения. В обзоре Молла , включающем сведения, взятые приблизительно из 150 литературных ссылок, были рассмотрены различные способы измерения удельной поверхности, разработанные до 1954 г., для всех типов твердых адсорбентов. Джой в своем обзоре перечислил методы с применением адсорбции азота, которые были развиты к 1953 г. В 1969 г. проходил симпозиум по общим проблемам определения удельных поверхностей, на котором особенное внимание уделялось аспектам адсорбционного-метода БЭТ.

Адсорбция газов и паров. Этой теме посвящено большое число обзорных работ, кроме того, она являлась основным вопросом, который рассматривался на многочисленных симпозиумах .

Были выбраны стандартные вещества для измерения удельной поверхности. Одним из таких адсорбентов является гидро - ксилированный кремнеземный порошок, не имеющий пор, «Fransil EF» с удельной поверхностью 38,7 м2/г. Впоследствии в качестве подходящих стандартов для проведения исследовательских работ такого рода в лабораториях всего мира было решено использовать два типа углеродной газовой сажи и два типа кремнеземных порошков. Два последних имеют обозначения ТК-800 (удельная поверхность 165,8 + 2,1 м2/г) и Gasil I (286,2 ±3,5 м2/г) .

Уже давно появилась необходимость установить величину площадки, занимаемой одной молекулой азота при адсорбционных измерениях на непористой поверхности адсорбента с точно геометрически определенной площадью. Были использованы однородные образцы кристаллов и стеклянных шариков, измеренные под микроскопом. Типичным примером может служить работа Дида и Тернера , которые применили однородные по размеру стеклянные волокна марки Е с точно измеренным диаметром. Были получены следующие значения площадок, занимаемых отдельной адсорбированной молекулой при температуре 77,4 К: для азота 16,2 А2, для аргона 13,8 А2, для криптона 20,2 А2. Аналогичные значения были установлены еще раньше другими методами. Макклеллан и Харнсбер - гер рекомендовали следующие значения: для азота (при - 195°С) 16,2 А2, для аргона (при -195 и -183°С) 13,8 А2, для криптона (при -195°С) 20,2 А2, для бензола (при 20°С) 43,0 А2 и для н-бутана (при 0°С) 44,4 А2.

Азот - наиболее широко распространенный адсорбат, применяемый для определения удельной поверхности по низкотемпературной адсорбции при -196°С. Аргон и криптон при наличии аналогичных измерительных установок также могут успешно использоваться, поскольку известны соответствующие значения площадок для этих атомов . Как было показано в работе Везина и Берубе , преимуществом криптона оказывается его способность проникать в меньшие по размеру поры.

Брокхофф представил общий обзор по адсорбции азота на твердых адсорбентах и включил в него различные способы объяснения получаемых данных на примерах широкого набора пористых твердых тел.

В методе БЭТ Брунауэра, Эмметта, Теллера для расчета значения удельной поверхности на основании полученной изотермы адсорбции используется главным образом азот в качестве адсорбата при температуре измерения -196°С. Иннес разработал быстрый автоматический способ для получения и измерения изотерм адсорбции. Липпенс и Херманс описали соответствующую аппаратуру более подробно. Кроме того, было разработано коммерческое оборудование, основанное на использовании статического равновесного метода. Такое оборудование не нуждается в предварительной градуировке и автоматически выдает значения удельной поверхности в виде цифровых данных (например, прибор фирмы Micromeritics, Inc.).

Несмотря на то что было предложено большое число уравнений, описывающих изотерму адсорбции, уравнение БЭТ сохраняет свою практическую пользу уже в течение многих лет. Разработанные впоследствии способы оказываются полезными для некоторых определенных ситуаций, но тем не менее уравнение БЭТ все еще широко используется. Уравнение БЭТ записывается в виде

Va - количество адсорбированного пара при равновесном давлении р; моль адсорбата на 1 г адсорбента; vm - емкость монослоя на поверхности, т. е. число молей пара в расчете на 1 г адсорбента, требуемое для покрытия всей поверхности плотным монослоем адсорбированных молекул;

Ро- давление насыщенного пара при выбранной хемпе - ратуре;

С - константа.

Если построить график зависимости величины p/v(po - р), откладываемой по оси ординат, от относительного давления р/ро, нанесенного на ось абсцисс, то получается прямая линия, имеющая наклон (с-1)/vmc и отсекающая отрезок на оси ординат, равный \)vmc. Константа с является функцией теплоты адсорбции и зависит от химической природы поверхности.

Зная величину vm, рассчитываемую из известных экспери-. ментальных данных при использовании уравнения (1), можно определить удельную поверхность как:

5бэТ = VmO-mN Ю-20

Где 5бэт - удельная поверхность, определяемая методом БЭТ, м2/г; ат - площадка, занимаемая отдельной адсорбированной молекулой на поверхности, А2; N - число Авогадро, равное 6-Ю23.

Значение ат для азота может несколько меняться в зависимости от вида поверхности, но обычно оно принимается равным ~ 16,3 А2 для окисленных поверхностей.

Для того чтобы иметь возможность сравнивать различные твердые кремнеземные адсорбенты, удобно использовать так называемое приведенное значение vs, которое определяется как vs = v/vo,4, где i>o;4 - объем адсорбированного пара при р/ро = = 0,4. Каррутерс и др. провели сравнение адсорбции азота на четырех типах кремнеземных порошков; графическая зависимость v/vm как функция от vs (где vm - значение емкости монослоя, определяемое из уравнения БЭТ) является прямо пропорциональной.

Метод БЭТ дает возможность* получать одни и те же результаты независимо от того, гидроксилирована или дегидро - ксилирована поверхность кремнезема. Так, в работе Красиль - никова и др. при измерении удельной поверхности на 19 образцах кремнезема, различающихся в значительной степени по стадиям дегидратации поверхности, оказалось, что эффект дегидратации не влиял практически на измеряемую величину удельной поверхности и не превышал 5%. Ловен и Броудж показали, что, по мере того как исходный кремнеземный порошок с полностью гидроксилированной поверхностью подвергался дегидратации, то наряду с некоторым уменьшением величины поверхности вследствие спекания образца наблюдалось заметное понижение константы с в уравнении БЭТ, что соответствовало более низкой энергии адсорбции:

Температура Удельная Количество Константа с

Дегидратации, поверхность, SiOH-rpynn °С м2 / г на 1 нм2

TOC \o "1-3" \h \z 120 182 10 104

При повторной гидратации поверхности значение с восстанавливалось примерно до 100, тогда как удельная поверхность оставалась без изменений. Коберштейн и Волл также исследовали воздействие степени гидроксилирования поверхности на адсорбцию азота при различных температурах.

Можно было предположить, что микропористые материалы - неподходящие объекты для определения удельной поверхности методом БЭТ. Однако Брунауэр отметил, что так как малые по размеру поры заполняются при более низком парциальном давлении, чем поры большего размера, то наблюдается некоторая компенсация при изучении такого рода образцов, которая ведет к совпадению значения, получаемого методом БЭТ, с истинным значением удельной поверхности при условии, что отсутствуют поры с радиусами, меньшими приблизительно 12 А.

Абсолютный метод Гаркинса и Юра , используемый для подсчета удельной поверхности из адсорбционных данных, очевидно, дает более согласующиеся результаты, чем метод БЭТ, когда изучается адсорбция различных веществ на разного рода твердых адсорбентах. Метод основан на применении, эмпирического уравнения

Lg РІРо - В - A! Va где А я В - константы; va - объем адсорбируемого пара; р/ро - парциальное давление адсорбата.

Изображая графически зависимость \gp/po от Va » получают прямую линию с величиной наклона s.

Из этих данных рассчитывается удельная поверхность по соотношению

Где S - удельная поверхность, м2/г; k - константа для данного адсорбата, определяемая «абсолютным» методом . Некоторые значения константы k приведены ниже:

Пары Температура, °С к

Азота -195,8 4,04

Бутана 0 13,6

Воды 25 3,83

Многие исследователи впоследствии проверяли соответствие между методом Гаркинса и Юра и методом БЭТ на основании рассчитанных значений удельной поверхности из адсорбционных данных. Согласно Древингу и др. , уравнение БЭТ выполняется на силикагелях при значениях относительных давлений р/ро в интервале 0,035-0,33, а уравнение Гаркинса и Юра - в интервале 0,075-0,58.

Шулл предложил метод t-диаграммы, согласно которому количество адсорбированного азота вычерчивается как функция толщины адсорбированной пленки азота на гладкой, непористой поверхности. Крэнстон и Инкли собрали имеющиеся доступные данные и опубликовали метод составной і-диа - граммы, которым они и другие исследователи широко пользовались для получения характеристик пористых твердых тел.

Де Бур и др. изучали возможное приложение этого метода к большому числу твердых образцов адсорбентов, в которых отсутствовали микропоры, используя уравнение

T = 3,54иа/ит

Где ^ - толщина адсорбированной пленки азота, A; va - объем адсорбированного азота; vm-объем адсорбированного азота при образовании мономолекулярного слоя.

Удельная поверхность St подсчитывается из уравнения

St= 15,47иаД (для iV2)

Величина t выбирается из таблицы или из уравнения, связывающего t и р/ро и основанного на большом объеме экспериментальных данных. Удельная поверхность St имеет размерность м2/г, va - объем газообразного азота, адсорбированного при нормальных значениях температуры и давления, см3/г.

Более подробное описание и примеры использования этого метода изложены в серии статей де Бура и др. и обобщены Броекхоффом и Линсеном (см. ссылку ).

С целью вычисления t из известного отношения р/ро Долли - мор и Хил изучили 36 образцов кремнезема и оксида алюминия и пришли к заключению, что пригодна формула, представленная де Буром:

3,54 Г ~5 "1/3

Где t - выражается в ангстремах.

Различные исследователи делали попытки улучшить первоначальную ^-кривую, предложенную Кренстоном и Инкли, главным образом считая, что отсутствуют какие-либо поры в рас-

15 Заказ № 230
сматриваемом адсорбенте. Гиргис предложил несколько иной тип /-кривой, но для получения данных необходимо использовать специальное уравнение

* = 6,15 - 2,25 In (In ро/р) + 10,5 (р/р0)4

/-Диаграмма для непористого, но очень тонко дисперсного объемистого кремнезема показывает отклонение от /-кривой стандартного вида. Этот факт, как полагают де Бур и др., обусловлен адсорбцией вещества вблизи точек контакта очень небольших частиц кремнезема. Авторы предложили уравнение адсорбции с учетом геометрии упаковки частиц.

Данный метод оказывается полезным для адсорбентов, в которых отсутствует капиллярная конденсация ниже р/ро 0,7-0,8. Уравнение можно применять вплоть до значения р/ро = = 0,3. Тернан предложил теоретическое уравнение для /-кривой, не требующее каких-либо констант для корректирования с экспериментальными данными. Основанное на положениях термодинамики с учетом дисперсионных сил по Леннарду - Джонсу, это уравнение устанавливает связь между относительным давлением и толщиной пленки в хорошем согласии с экспериментальными данными.

Трудность метода /-кривой заключается в том, что необходимы данные о количестве адсорбированного вещества в монослое, т. е. надо знать удельную поверхность образца. Таким образом, применение этого метода следует ограничивать изотермами при условии, что метод БЭТ дает однозначное положение точки В или емкости монослоя. Однако Брунауэр отметил, что удельная поверхность микропористых адсорбентов в обычных случаях может быть надежно измерена методом БЭТ. Следовательно, наличие микропор не исключает использование /-метода.

В работе опубликованы данные для нескольких /-кри - вых, относящихся к случаю сорбции воды на таких поверхностях твердых веществ, для которых были известны дифференциальные теплоты адсорбции. Чтобы метод был пригоден для данной поверхности, /-кривая должна соответствовать теплоте адсорбции воды на этой поверхности.

В «а5-методе» Синга вычерчивается зависимость as от х, где as = x/xs, х - количество адсорбированного газа и xs - количество адсорбированного газа при выбранном значении относительного давления (стандартное состояние). Как правило, считается, что as равно 1,0 при р/р0=0,4. Такое относительное давление выбрано потому, что ниже этой точки образуется лишь монослойное покрытие поверхности и происходит заполнение микропор, тогда как гистерезисные петли, возникающие вследствие заполнения пор, в которых имеет место явление капиллярной конденсации, наблюдаются при более высоком относительном давлении.

Удельная поверхность высчитывается из наклона линейного участка графика после того, как уже определен «стандартный наклон» для непористого стандартного порошка с известным значением удельной поверхности. Бамбани и др. провели сравнение этого метода с методом БЭТ для множества пористых и непористых кремнеземов. В том случае, когда у образцов отсутствовали микропоры, наблюдалось превосходное согласие в значениях удельных поверхностей, определяемых этими двумя методами.

Метод Киселева основан на термодинамическом рассмотрении полной адсорбционно-десорбционной петли гистерезиса с привлечением явления поверхностного натяжения жидкого адсорбата . Однако этот метод полезен только для адсорбентов, обладающих мезопорами, а также вынуждает проводить измерение целиком всей изотермы.

В методе Каганера используется уравнение, которое наиболее применимо в области низких относительных давлений р/р0 от Ю-5 до 3-Ю-2:

\gva = \gvm-D{\g-Јfj

Где D = 2,3 kR2T2. Удельная поверхность подсчитывается из величины емкости монослоя vm, которая получается из графической зависимости адсорбционных данных с использованием отмеченного уравнения при экстраполировании зависимости к значению lgPo/P = 0-

Метод Френкеля-Хелси-Хилла может применяться при высоких значениях относительных давлений, когда толщина адсорбционной пленки составляет несколько молекулярных слоев. Изотерма в этом случае может описываться следующим уравнением:

Где показатель степени s определяется по понижению поверхностных сил с увеличением расстояния от поверхности. Пирс показал, что для адсорбции азота данное уравнение оказывается справедливым и за пределами мономолекулярного слоя и что для р/ро>0,3 изотерма записывается как

/ у \2,75_ 1,305 V vm) ~ lgPo/P

Где vm - объем адсорбированного азота при монослойном покрытии; v - адсорбированный объем при давлении р; р0 - давление насыщенного пара.

Поскольку в этом случае молекулы азота адсорбируются на лежащем ниже слое азота, то такая адсорбция не зависит от самой подложки.

Метод непрерывного потока * для измерения удельной поверхности в настоящее время нашел широкое применение. Метод основан на адсорбции азота или какого-либо другого вещества из потока инертного газа. Нельсен и Эггертсен дали описание метода, а Ли и Стросс подтвердили его возможности. Были введены многочисленные усовершенствования, и в настоящее время стали доступными компактные коммерческие приборы (например, модель прибора фирмы Quan - tachrome Corp.). Дальнейшие подробности метода описаны в работе . Смесь известного состава, например, состоящая из 20 % N2 и 80 % Не, пропускается через предварительно обезга - женный образец адсорбента при комнатной температуре и далее через детектор теплопроводности (катарометр). При быстром охлаждении образца в жидком азоте адсорбент поглощает некоторое количество азота, но затем быстро достигается насыщение. Это вызывает временное понижение содержания азота в потоке, что регистрируется в виде пика, направленного вниз от нулевой линии на непрерывно движущейся ленте самописца. Когда же образец быстро разогревается до комнатной температуры, то азот десорбируется; при этом на самописце регистрируется пик, направленный вверх от нулевой линии. Получаемые на эталонных образцах адсорбентов с известной удельной поверхностью (которая определяется обычным методом БЭТ) площади пиков и/или их высоты служат для проведения калибровочных измерений. Обычно расчет ведут по десорбционным пикам. Выпускаемые коммерческие приборы такого рода позволяют замерять интегральное значение площади пика и непосредственно давать в цифровом виде величину удельной поверхности образца.

Газиев, Яновский и Бражников отметили, что этот метод не учитывает имеющие место изменения теплоты адсорбции, которые соответствуют изменениям константы с в уравнении БЭТ. Обзоры, посвященные данному методу, появились в 1972 г. . Поммиер, Джуллет и Тейчнер продемонстрировали, что этим методом можно определять очень небольшие значения удельных поверхностей. Ловелл , используя вместо азота криптон, проводил измерения удельных поверхностей вплоть до 0,019 м2/г. Пайн, Синг и Турк сравнивали этим методом адсорбцию аргона и азота на гндрокснлированных поверхностях образцов кремнеземов и нашли величину площадки, занимаемой одной молекулой аргона, равной 18,2 А2. Азот как адсорбат более предпочтителен при измерении удельных поверхностей микропористых твердых тел.

Могут использоваться и другие газы и пары, особенно в тех случаях, когда некоторые затруднения вызывает применение аппаратуры охлаждения для создания температуры жидкого воздуха. Так, Киселев и Камакин для измерения удельной поверхности и пористых свойств адсорбентов использовали метанол при комнатной температуре. При относительном давлении р/р0 = 0,1 удельная поверхность оказалась равной 145а м2/г, где а - количество адсорбированного метанола, ммоль/г, или приблизительно 4 молекулы СНзОН на 1 нм2. Фуран при 23°С и бутан и изобутан при 0°С образовывали монослойные покрытия, для них были вычислены площадки, приходящиеся на одну молекулу в монослое: 42, 54 и 53 А2 соответственно . Аммиак при температуре кипения дает монослойные покрытия, изменяющиеся в зависимости от природы поверхности кремнезема . Моноксид азота (N0) адсорбировался в температурном интервале 181-293 К, что определялось измерением магнитной восприимчивости . При р/р0 = 0,214 адсорбированный бензол образовывал монослой на поверхности кремнезема; из этих данных можно было вычислить удельную поверхность адсорбента . Исходя из основных положений, Киселев провел вычисления изотерм адсорбции, измеренных на силика - гелях, которые различались по величине удельной поверхности, размерами пор и степени гидроксилирования поверхности.

Пары воды можно использовать как адсорбат, если предусматривается, что поверхность кремнезема полностью гидрокси - лирована. Для тех образцов кремнезема, поверхность которых после соответствующей химической обработки или дегидратации при термообработке кремнезема выше 300°С становилась частично гидрофобной, изучение адсорбции воды оказывается полезным для определения только оставшихся гидрофильными участков поверхности. Однако для силикагелей и порошков, сформированных в водной среде и высушенных при умеренных температурах, изотерма адсорбции воды дает заслуживающие доверия определения удельной поверхности кремнезема . Адсорб - дия паров воды изучалась, например, Гансом, Бруксом и Бой - дом и Кантро, Брунауэром и Вайсом , которые нашШи, что удельную поверхность кремнеземов можно вычислять, используя уравнение БЭТ. Адсорбция измерялась гравиметрическим методом по приращению массы образца, находящегося в эксикаторе в вакуумных условиях, по мере того, как он адсорбировал воду в течение 7 сут при 25°С. Источником паров воды с заданным равновесным давлением являлся водный раствор соли, помещенный в отдельную колбочку, находящуюся также в эксикаторе. Относительные давления пара воды изменялись от 0,07 до 0,33 за счет использования различных насыщенных солевых растворов. При проведении измерений этим методом затрачивается много времени, но для подобных экспериментов требуется только простая лабораторная стеклянная посуда. Белякова, Джигит и Киселев исследовали адсорбцию воды на силикагелях, структурные характеристики которых менялись в широких пределах. Они сообщили, что одна молекула воды при монослойном покрытии занимает площадку , равную 25 А2.

Адсорбция тетрахлорида углерода измерялась при 28°С посредством микровзвешивания, причем получался линейный участок на графике, построенном в координатах БЭТ. Определенное по графику значение удельной поверхности образца согласовывается со значением, найденным по адсорбции азота. При этом не наблюдалось никакого химического взаимодействия . Для диоксида углерода, изученного при температуре -78°С на том же самом оборудовании, которое использовалось при проведении адсорбционных изменений с азотом при -196°С, были получены те же самые результаты в пределах 10 % .

Применение метода потока при пропускании смеси бутана с диоксидом углерода позволило выполнить исследования, в которых десорбированный бутан извлекали из смеси, а его объем измеряли после поглощения диоксида углерода в щелочном растворе .

Как уже упоминалось в гл. 4, адсорбция из растворов взаимосвязана с величиной удельной поверхности коллоидного кремнезема. Эти и подобные методы могут использоваться также и для кремнеземных порошков и силикагелей. В качестве адсорбатов берутся органические соединения из органических и водных растворов, а также применяются органические и неорганические катионы и ионы ОН - из воды. Полярные соединения, находящиеся в неполярных (углеводородных) растворителях, способны адсорбироваться на полярных поверхностных группах SiOH. Адсорбция на дегидроксилированной силокса - новой поверхности еще недостаточно хорошо понята. Однако имеются доказательства того, что в воде силоксановая поверхность кремнезема проявляет гидрофобные свойства. Она адсорбирует только гидрофобные вещества или группы.

Удельные поверхности образцов кремнеземов с гидрофильной (гидроксилированной) поверхностью измерялись посредством адсорбции нитрофенола из воды или бензола и фенола из декана или тетрахлорида углерода . Подобная система не должна содержать воду, поэтому органические растворители следует обезвоживать с помощью молекулярных сит. Фенол можно определять титрованием бромом или интерферометрией. Стеариновая кислота адсорбируется на кремнеземе из безводного метанола и определяется по разности в показаниях, определяемых потенциометрическим титрованием щелочью. Полученные результаты показывают, что каждая молекула стеариновой кислоты занимает площадку, равную только 20,6 А2 .

Как уже упоминалось в гл. 4, ионы Zn(en)|+ адсорбируются на силикагелях и порошках и, согласно данным Унгера и Выдры , могут использоваться для определения удельных поверхностей порошков кремнезема, не имеющих микропор. Уменьшение содержания цинка в растворе при рН 6-9, определяемое титрованием, дает возможность измерять удельную поверхность кремнезема примерно в пределах точности ±3 %. При монослойном покрытии на 1 нм2 приходится около 1,26 молекул, т. е. площадка, занимаемая одной адсорбированной молекулой, равна 79 А2.

Адсорбция красителей на кремнеземных порошках, проводимая с целью оценки значений удельных поверхностей, известна уже давно, поскольку для ее изучения достаточно простого колориметрического метода. Ряд исследователей изучали адсорбцию метиленового голубого, а также факторы, влияющие на такую адсорбцию . Авторы работ выполнили сравнение адсорбции из растворов ряда катионных красителей, в том числе метиленового голубого и кристаллического фиолетового. Исследования адсорбции проводились на различных кремнеземных порошках из растворов красителей в «-нитрофеноле или в воде, и полученные результаты были скорректированы со значениями удельных поверхностей, найденных методом БЭТ по адсорбции азота и криптона, а также методом электронной микроскопии.

Адсорбция катионных поверхностно-активных веществ (катионных мыл) на кремнеземе изучалась Тер-Минасян-Шарага и Бийстербошем , которые показали, что на поверхности может формироваться либо монослой, либо двойной слой ПАВ. Подобные сложные образования на поверхности дают и некоторые красители, способные образовывать мицеллы. Авторам пришлось разработать специальные условия эксперимента для каждого адсорбата с тем, чтобы устранить возможное появление некорректных результатов. Кроме того, на адсорбцию таких ионных разновидностей оказывает влияние величина рН и содержание примесей алюмосиликат-ионов на кремнеземной поверхности. Метод применения катионных красителей и ПАВ имеет свои ограничения: он зависит от скорости, с которой могут сравниваться значения удельных поверхностей при проведении экспериментов на серии кремнеземных порошков одного и того же типа.

Неионные красители, такие, как метиловый красный, пригодны для определения удельной поверхности образцов кремнезема, имеющих гидроксилированную поверхность, и в особенности для кремнеземов с частично дегидроксилированной или оказавшейся частично органофильной поверхностью. Ловен и Броудж использовали метод Шапиро и Кольтгофа , который включал физическую адсорбцию метилового красного из бензола, взятого в качестве растворителя, на полярной поверхности кремнезема. В параллельно проводимых экспериментах осуществлялась реакция между триметилхлорсиланом (CH3)3SiCl и силанольными поверхностными группами после дегидратации кремнезема при повышенных температурах, так что на поверхности образовывалось определенное количество хемо - сорбированных групп (CH3)3SiO в зависимости от оставшегося количества групп SiOH. Ясно, что для образцов кремнезема с полностью гидроксилированной поверхностью, не обладающих микропорами, значение удельной поверхности может измеряться с использованием любого реактива (см. рис. 5.2). Каждая молекула метилового красного занимает площадку 116 А2, а каждая группа (CH3)3Si - 45 А2.

Страйкер и Матиевич предложили использовать мономолекулярную адсорбцию Hf(OH)4 на кремнеземе из нейтрального раствора с целью определения удельной поверхности, применяя в качестве меченого атома радиоактивный гафний. Авторы работы сообщили, что попытки повторить данный способ оказались неудачными. Последовавший затем обмен краткими сообщениями между двумя группами авторов не внес ясности в этот вопрос.

Фенилтрихлорсилан C6H5SiCl3 вступает в реакцию с предварительно высушенными силикагелями количественно; на основании необратимо прореагировавшего с силанольными поверхностными группами количества реагента можно оценить удельную поверхность. Отмечается, что на 1 нм2 приходится 2,16 фе - нильных группы (или 3,6 мкмоль/м2) .

Титрование кремнезема щелочью в солевом растворе в интервале рН 4,5-9,0 представляет собой очень продуктивный, быстрый метод для определения удельной поверхности гидро-

Ксилированного кремнезема. Ионы ОН- достаточно малы по своему размеру, поэтому они проникают в такие небольшие поры, которые оказываются недоступными даже молекулам азота. Подробности этого метода титрования Сирса рассматривались в главах 3 и 4. В том случае, когда процесс ведется с силикагелями или порошками, равновесие в конечной точке титрования при рН 9 достигается довольно медленно. Мефферт и Лангенфельд исследовали процесс титрования кремнеземных порошков, применив автоматический титратор для достижения конечной точки титрования. Абендрот показал необходимость использования высококонцентрированных растворов соли для того, чтобы оказалось возможным титрование поверхности внутри тонких пор кремнезема.

Были разработаны хроматографические методы, в которых использовалась адсорбция веществ из жидкой фазы. Если имеется достаточно большое количество образца кремнезема, то им можно набить хроматографическую колонку диаметром 2 мм. Измерением длины окрашенной зоны в хроматографической колонке при пропускании через нее метилового красного в бензоле можно определить удельную поверхность кремнезема . Хоффман и др. измерили адсорбцию спиртов С!-С4 при различных концентрациях их растворов в бензоле. Из полученных данных авторы рассчитали площадки, занимаемые на поверхности кремнезема физически адсорбированными молекулами следующих спиртов:

Спирт Молекулярная площадка, А2

Метанол 19,9

Этанол 25,5

1- Пропанол 30,2

2- Пропанол 30,8 1-Бутанол 34,4

Позже Хоффман и др., использовав метод, разработанный Френкелем и др. , исследовали жидкостную хроматографи - ческую систему СН3ОН-Н20 - кремнезем и определили удельную поверхность взятого кремнезема, которая оказалась в хорошем согласии со значением удельной поверхности, найденной методом БЭТ по адсорбции азота. Авторы пришли к заключению, что использование систем низшие спирты-бензол дает исследователям простой метод измерения удельной поверхности кремнезема, для которого требуется минимум оборудования и не нужно высокое профессиональное умение.

В другом методе измерения удельной поверхности образцов кремнезема с гидроксилированной поверхностью применялся в качестве адсорбата октадециловый спирт, определение которого проводились с помощью газовой хроматографии. Серпинет и др. использовали этот метод, чтобы проконтролировать точность метода потока, в котором в качестве адсорбируемого вещества был взят азот.

Диэлектрические измерения. Этот метод использовался для исследования адсорбции жидкостей и паров на кремнеземе. По мере того как бензол проникает в микропоры, его взаимодействие с поверхностью изменяет ход диэлектрической изотермы кремнезема. После нагревания образца кремнезема также наблюдаются изменения в ходе изотерм . В более ранних исследованиях было отмечено отсутствие закономерности в наклоне экспериментальной кривой, выражающей зависимость электрической емкости кремнезема от количества адсорбированной воды. Куросаки нашел, что для относительной влажности ниже 40 % адсорбция воды подчиняется уравнению БЭТ, но на кривых емкости и диэлектрических потерь появляются разрывы, что объясняется изменением свободы вращательного движения адсорбированных молекул на кремнеземной поверхности.

Диэлектрическая константа для данного типа кремнеземного порошка связывается с наличием поверхностных групп SiOH и, следовательно, с величиной удельной поверхности. Для пирогенного кремнезема, у которого понижена концентрация силанольных групп, наблюдается и более низкое значение диэлектрической константы .

Термические эффекты. Результаты многочисленных измерений теплот адсорбции на образцах кремнезема с известными значениями удельных поверхностей были описаны в целом ряде работ. Однако надо отметить, что на полученные результаты могли влиять многие факторы, кроме того, оборудование для проведения подобных исследований достаточно сложно. Гаркинс и Юра разработали абсолютный метод, в котором образец порошка изотермически приводится в равновесие с паром воды вплоть до того момента, когда поверхность кремнезема покроется пленкой воды, после чего образец погружается вводу, находящуюся в высокочувствительном калориметре. По количеству выделяющейся при этом теплоты, выраженной в эргах на грамм Si02, деленной на полную поверхностную энергию воды (118 эрг/см2), можно определить удельную поверхность кремнезема. Данный метод применим только для ограниченного числа типов кремнезема. Теплоты смачивания различных порошков, в том числе порошков кремнезема, также были связаны с удельной поверхностью .

Одним из осложняющих факторов является более высокое значение теплоты адсорбции в очень тонких микропорах , правда, его можно использовать для получения характеристики пористости кремнеземов с известными удельными поверхностями. Другой важной переменной величиной является степень гидратации поверхности кремнезема, что может приводить к трехкратному различию в показаниях для теплот смачивания в бензоле или в циклогексане .

Теплота смачивания в воде, равная 160±3 эрг/см2, была определена для кремнеземов с гидроксилированной поверхностью в области удельных поверхностей 8-150 м2/г в отсутствие мик - ропор. Тэйлор и Хокки сообщили, что это значение остается постоянным в указанной области, доказывая тем самым подобие поверхностных свойств изученных образцов кремнезема. Во всех случаях поверхность кремнезема дегидратировалась при повышенной температуре по мере спекания при 700-1040°С в течение различных временных интервалов с целью понижения удельной поверхности. Затем поверхности образцов кремнеземов регидроксилировались до получения поверхностной концентрации силанольных групп, равной 4,71 ОН-групп/нм2. Таким образом, по крайней мере теоретически, удельную поверхность кремнезема можно определять после соответствующей подготовки поверхности кремнезема путем измерения теплоты смачивания в воде.

Метод вдавливания ртути. Давление р, необходимое для того, чтобы ртуть входила в пору, связано с диаметром поры обратно пропорциональной зависимостью. Следовательно, объем ртути v, попавшей в пору при данном давлении, позволяет из - измерить объем поры, а значит, и «длину» этой поры. Из таких данных может быть вычислена внутренняя поверхность поры. Однако на практике поры в образце сильно различаются по своим размерам, и поэтому удельная поверхность кремнезема определяется интегралом

S = ----------- к - \ Р dv

Где сг и 0 - поверхностное натяжение и краевой угол, образуемый ртутью СО стенкой поры, соответственно; £>0 И Umax - объемы, занимаемые ртутью при ее вдавливании в поры под давлением, равным 1 атм, и под максимальным давлением соответственно. Данный метод, в общем, может быть использован, только когда удельная поверхность 5 составляет менее чем 100 м2/г .

Проницаемость газа. Сопротивление уплотненного порошка по отношению к газовому потоку при определенных условиях может использоваться для измерения размеров частиц или величины удельной поверхности. Методы подобного рода описаны Арнеллем и Дерягиным, Фридляндом и Крыловой . Такие методы, вероятно, в настоящее время редко используются, поскольку стал доступным быстрый метод потока, включающий адсорбцию азота на кремнеземе.

Концентрация гидроксильных групп. Измерение количества «связанной воды» на поверхности кремнезема после того, как поверхность оказывается полностью гидратированной, а образец высушен в вакуумных условиях при температуре ниже 100°С, прямо дает величину удельной поверхности. Для образцов кремнеземов, в которых отсутствуют микропоры, удельная поверхность, определяемая таким методом, находится в согласии со значением удельной поверхности, найденным методом БЭТ по адсорбции азота. Согласно данным Журавлева и Киселева , в том случае, когда поверхностная концентрация ОН - групп измерялась методом дейтерообмена на более чем 40 различных типах аморфного кремнезема , она соответствовала значению 5,0 ОН-групп/нм2. В случае микропористых или так называемых лепидоидальных и гидратированных кремневых кислот содержание ОН-групп определяет «поверхность» в том смысле, что оно позволяет учитывать все атомы кремния, которые не полностью связаны через атомы кислорода с окружающими атомами кремния.

Изучая различные коллоидные и осажденные разновидности кремнезема, Тивари и др. обнаружили, что пики дифференциального термического анализа (ДТА), площади которых пропорциональны числу групп SiOH, подвергшихся дегидрации, могут быть прямо скоррелированы с величиной удельной поверхности, определяемой методом БЭТ. Содержание ОН-групп в расчете на единицу поверхности, измеренной методом БЭТ, не зависит от размера частиц или пор, если разновидности кремнеземов не содержат микропоры.

Различают прямые и косвенные методы определения формы частиц. К прямым методам относятся: оптическая микроскопия (рисунок 1) и электронная микроскопия (рисунок 2).

Рисунок 1 – Изображения, полученные с оптического микроскопа

Рисунок 2 – Изображения, полученные с электронного микроскопа

К косвенным методам относятся: методы светорассеяния и реологические измерения.

Метод светорассеяния используется для оценки формы и размеров частиц монодисперсных порошков. Для полидисперсных систем необходимо предварительное фракционирование. Определение формы частиц методом светорассеяния проводится по интенсивности рассеянного света данной длины волны, по оценке спектра рассеянного света или по поляризуемости рассеянного света при заданной длине волны. Форму коллоидных частиц можно определить методами светорассеяния при помощи ультрамикроскопа. Если частицы ассиметричны, то они обладают переменной яркостью. Шарообразные частицы обладают постоянной яркостью.

Реологический метод определения формы частиц основывается на том, что разбавленные агрегативно-устойчивые дисперсные системы не образуют структуры, и поэтому их реологические свойства близки или подобны свойствам дисперсионной среды. Зависимость вязкости этих систем от концентрации дисперсной фазы является линейной и описывается уравнением Эйнштейна:

(1)

где η 0 – вязкость дисперсионной среды; φ ф – объемная доля дисперсной фазы; α – коэффициент формы частиц.

По зависимостям η =f (φ ф ) определяют значение коэффициента α и делают вывод о форме частиц (рисунок 3) .

Рисунок 3 – К определению формы частиц по уравнению вязкости Эйнштейна

В таблице 1 представлены основные параметры формы частиц.

Таблица 1 – Основные параметры формы частиц

Для определения удельной поверхности используют адсорбционные и кинетические методы. Адсорбционные методы основаны на определении объема или массы вещества, адсорбированного на поверхности и образующего мономолекулярный слой. В качестве адсорбатов используются газы, жидкости и твердые вещества. Наибольшее распространение получили газоадсорбционный метод и метод адсорбции поверхностно-активных веществ из растворов. Данные испытаний обрабатываются по теории БЭТ.

Кинетические методы основаны на измерении сопротивления фильтрации воздуха или газов через слой порошка. Фильтрация проводится при атмосферном давлении либо при разрежении.

– Егорова, Е.В. Поверхностные явления и дисперсные системы: учеб. пособие / Е.В. Егорова, Ю.В. Поленов // Иван. гос.хим.-технол. ун-т.- Иваново, 2008. - 84 с.

– Михеева, Е.В. Поверхностные явления и дисперсные системы. Коллоидная химия. Сборник примеров и задач / Е.В. Михеева, Н.П. Пикула, С.Н. Карбаинова // учебное пособие для студентов ХТФ, ФТФ, ЭЭФ, ИГНД и ИДО. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 116 с.

"Белов, В.В. Компьютерная реализация решения научно-технических и образовательных задач: учебное пособие / В.В. Белов, И.В. Образцов, В.К. Иванов, Е.Н. Коноплев // Тверь: ТвГТУ, 2015. 108 с."

Кроме упомянутых способов определения удельной поверхности пород (по их гранулометрическому составу, по величине пористости и проницаемости), существуют следующие способы оценки этого параметра: фильтрационный, основанный на измерении сопротивления течению через пористое тело разреженного воздуха; адсорбционные, а также метод меченых атомов.

Методы определения удельной поверхности пористых сред, основанные на использовании пуазейлевского режима течения воздуха сквозь объект исследования [т.е. основанные на использовании формул типа (1.35)], применимы только для приближенной оценки поверхности грубозернистых однородных сред, ширина пор в которых намного больше длины свободного пробега молекул воздуха. При этом не нужно учитывать скольжения газа по стенкам пор. Движение газа в мелкодисперсной пористой среде существенно облегчается при скольжении молекул по стенкам пор, и сопротивление среды с высокой удельной поверхностью прохождению через нее газов иногда существенно меньше по сравнению с подсчитанными по формулам типа (1.35), не учитывающим скольжения газа по стенкам. Поэтому в данном случае можно использовать метод, основанный на измерении сопротивления течению через пористое тело разреженного воздуха при кнудсеновском режиме, имеющем скорее диффузионный характер. Кнудсеновский режим наступает, когда максимальные просветы пор становятся меньше длины свободного пробега молекул газа. В этом случае соударения молекул между собой становятся редкими (по сравнению с ударами о стенки пор). Зависимость молярной скорости течения газа от удельной поверхности и других параметров выражается равенством;

где SУД - удельная поверхность образца, м2/м3; Q - число киломолей воздуха, протекающего через 1м2 поперечного сечения пористой среды толщиной?х (в м) за 1 с при перепаде давления?р (в Па); М - относительная молекулярная масса; воздуха, кг/кмоль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/ (кмоль - градус); Т - температура опыта,°С.

Для определения удельной поверхности пористых тел по результатам измерения кнудсеновского режима фильтрации сконструированы специальные приборы .

Горные породы, слагающие пласт, заполнены жидкой cредой - водой и нефтью. Удельная поверхность (например, глин и некоторых других пород) под действием водной среды может изменяться, и "сухие" способы ее измерения не всегда соответствуют действительным условиям залегания пород в естественных условиях.

Удельную поверхность пористых сред в водной среде обычно определяют методом адсорбции красителей или методом поверхностного обмера при помощи радиоактивных индикаторов. Площадь поверхности минералов Syд при этом рассчитывают по числу молекул радиоактивного индикатора, поглощенных пористой средой, и по площади, приходящейся на один атом данного радиоактивного вещества на поверхности кристалла:

где бm - число молей (атомов) вещества, связанного с 1 г твердой фазы; щ - площадь, приходящаяся на один атом данного вещества на поверхности кристалла (значение ее известно для многих веществ); N - число Авогадро.

Количество радиоактивного иона, поглощенного веществом при его погружении в раствор, определяется по уменьшению активности фильтрата раствора вследствие поглощения меченого атома твердой фазой.

Особое место по точности занимает адсорбционный метод вследствие того, что поверхность пористой среды промеряется такими малыми объектами, как молекулы адсорбируемого вещества, выстилая ими

Пов. пористой среды. По количеству адсорбированного вещества (т.е. по числу его молекул) и площади, приходящейся на один атом данного вещества, вычисляется удельная поверхность пористой среды.

При адсорбционных методах исследования удельной поверхности пористых сред необходимы сложная аппаратура, высококвалифицированные исполнители. Поэтому в лаб. физики нефтяного пласта эта поверхность пород обычно оценивается фильтрационными методами.

По результатам измерений Ф.И. Котяхова удельная пов. кернов изменяется от 38 000 до 113 000 м2/м3.

СССР, ГОСТ 3584-53
номер сетки	диаметр проволоки, мкм	примерное число меш	номер сетки	размер стороны ячейки в свету, мкм	номер сетки	размер стороны ячейки в свету, мкм

Определение текучести

Существует тесная связь между характеристиками порошков, свойствами сырых прессовок, структурой и свойствами готовых ферритов. Текучесть порошка характеризует его способность с большей или меньшей скоростью вытекать из отверстия. Низкая текучесть приводит к получению неоднородных по плотности изделий.

Текучесть порошка зависит от многих факторов, в первую очередь, от размера и формы частиц, от состояния поверхности частиц и коэффициента трения. Наличие на поверхности частиц порошка адсорбированных пленок влаги, содержание большого количества мелких фракций – все это приводит к низкой текучести.

Текучесть выражается отношением навески порошкако времени вытекания порошка:

Текучесть характеризует качество пресспорошка. Для определения текучести применяют конусные воронки диаметром 80 мм, с углом конуса
и носиком, срезанным под прямым углом на расстоянии 3 мм от конуса воронки. Выходное отверстие воронки при насыпании в нее порошка закрывают заслонкой, время вытекания определенной навески порошка после открывания заслонки фиксируют секундомером.

Определение насыпной массы

Насыпная масса представляет собой массу единицы объема свободно насыпанного порошка. Насыпная масса определяется с помощью волюмометра (Рисунок 2). В дне воронки имеется сетка с диаметром отверстий 0,2-0,3 мкм, через которую вручную протирается порошок, насыпающийся по стеклам, наклоненным под углом
, в подставленную вниз формочку. Порошок насыпается с избытком горкой, а затем разравнивается в уровень со стенками формочки.

Насыпная масса определяется по формуле:

где - масса формочки, г;

- масса формочки с порошком, г;

- объем формочки,
.

С увеличением размера порошинок создается большее трение между частицами и уменьшается уплотнение после тряски. По насыпной массе можно судить о дисперсности порошка, о качестве пресспорошка.

Определение удельной поверхности порошков методом воздухопроницаемости

Наиболее часто для оценки качества ферритовых порошков определяют удельную поверхность единицы массы или объема порошка. Удельная поверхность зависит не только от размера частиц, но и от степени развития их поверхности, которая определяется условиями получения порошков. Удельная поверхность – характеристика, введенная в технические условия для получения отдельных марок ферритов. Удельная поверхность – косвенная характеристика крупности порошка. Различают внутреннюю (поры, трещины)и внешнюю (геометрическую) поверхность.

Измерение удельной поверхности – экспресс-метод оценки дисперсности порошка, однако,
характеризует дисперсность усредненным значением всех присутствующих в материале фракций.

В основе метода воздухопроницаемости лежит измерение сопротивления, оказываемого дисперсной средой протеканию воздуха (газа), который либо разрежен, либо находится под атмосферным давлением. Между сопротивлением протеканию газа через дисперсную среду и удельной поверхностью существует определенная связь (соотношение Козени-Кармана).

Методы измерения удельной поверхности по газопроницаемости в условиях атмосферного давления дают удовлетворительные результаты только для грубодисперсных порошков. Для мелких порошков эти методы дают, как правило, заниженные результаты.

Определение удельной поверхности порошков методом воздухопроницаемости проводится на приборах ПСХ-2 или ПСХ-4. Удельная поверхность связана со средним диаметром частиц порошка следующим соотношением:

, (мкм)

где - плотность порошка,
;

- удельная поверхность,
.

Прибор состоит из кюветы, плунжера, манометра, крана, резиновой груши, соединительных трубок (Рисунок 3).

Стеклянные части смонтированы на панели, прикрепленной к внутренней и внешней части футляра.

Кювета. Предназначена для укладки в ней испытуемого материала. Она представляет собой металлическую камеру, перегороженную на некоторой высоте диском с высверленными в нем отверстиями. Часть камеры ограничена диском и дном кюветы. С помощью штуцера и гибкой резиновой трубки присоединена к жидкостному манометру. На внешней поверхности кюветы нанесена миллиметровая шкала.

Плунжер. Производит уплотнение в кювете. Выполнен в виде цилиндра с упорным диском, в теле плунжера просверлен канал и отверстие для прохождения воздуха. Цилиндр подогнан к кювете с просветом 0,15 мм. К вырезу упорного диска прикреплена планка с конусом, которая с помощью шкалы на внешней поверхности кюветы позволяет измерить толщину исследуемого слоя порошка.

Резиновая груша. Служит для создания разрежения под слоем материала.

Манометр. Предназначен для определения давления воздуха под слоем исследуемого материала и в сочетании с секундомером используется для определения воздухопроницаемости слоя материала. Прибор снабжен одноколенным манометром длиной около 300 мм, заполненным подкрашенной водой. В комплект прибора входят аптекарские весы, разновесы, секундомер.

Проведение анализа.