ИЗМЕРЕНИЕ СУММАРНОГО ОБЪЕМА ПОР ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ АВТОМАТИЧЕСКОГО ГАЗО - АДСОРБЦИОННОГО АНАЛИЗАТОРА
TRISTAR 3020
Руководство к лабораторной работе
ВВЕДЕНИЕ
Многие свойства полимерных композиционных материалов, в том числе наноразмерных, определяются не только, а в ряде случаев и не столько химической природой, сколько их физической структурой. К числу параметров структуры, ответственных за поведение многих материалов,. относится пористость П – отношение объема пор W0 к общему объему тела Vобщ
П = / W0 / Vобщ
Пористость является одним из главных показателей эксплуатационной пригодности полимерных материалов, используемых качестве сорбентов, волокон, пленок, мембран. При разработке технологии наноматериалов часто именно их пористость является целевой характеристикой, определяющей преимущества их использования. Поэтому экспериментальные методы оценки пористости занимают центральное место при характеристике любого наноматериала как в исследовательской практике, так и в нанотехнологии. В ряду этих методов важную роль играет измерение суммарног объема пор
Основным экспериментальным подходом к измерению пористости твердых дисперсных материалов является метод низкотемпературной сорбции паров азота на поверхности раздела твердое тело/газ. К основным преимуществам метода относятся: экспрессность, универсальный характер, простота подготовки образцов, точность и воспроизводимость. Теоретические представления, заложенные в основу этого метода, доказали свою высокую экспериментальную надежность. Поэтому сорбционный метод фактически стал стандартным методом характеристики любого наноматериала. Это способствовала разработка нового поколения приборов для сорбционных измерений К ним относится автоматический анализатор TriStar 3020 производства Micromeritics (США).
Настоящая лабораторная работа: «Измерение суммарного размера пор наноматериалов сорбционным методом с помощью анализатора TriStar 3020» ставит своей целью обучение слушателей работе на данном современном оборудовании.
Лабораторная работа 1. «Измерение суммарного размера пор наноразмерных материалов с помощью автоматического газо-адсорбционного анализатора поверхности и пористости TriStar 3020».
Цель - получение навыков экспериментального исследования адсорбционных процессов на современном оборудовании и определение суммарного размера пор наноразмерных материалов.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ.
В пористых системах отдельные поры могут значительно различаться как по форме, так и по размеру. В настоящее время принята классификация пор по размерам , приведенная в Табл.1. Она основана на том, что каждый интервал размеров пор соответствует характерному механизму протекающих адсорбционных процессов и виду соответствующих изотерм сорбции.
Табл.1. Классификация пор по размерам.
Название пор | Размеры пор, нм |
Микропоры Мезопоры (переходные поры) Микропоры | <2 2 – 50 >50 |
В зависимости от размеров пор сорбента существуют различные методы расчета суммарного объема пор W0. Для сорбентов, обладающих микропористой структурой, изотермы сорбции которых имеют вид кривых с насыщением (рис 1), величину W0 рассчитывают обычно по методу Дубинина-Радушкевича. Для мезопористых и макропористых сорбентов, характеризующихся S-образными изотермами сорбции (рис.3), суммарный объем пор рассчитывают по максимальному количеству сорбированного вещества.
. Расчет W0 микропористых сорбентов.
Если твердое тело содержит микропоры, т. е. поры, ширина которых не превышает нескольких диаметров молекулы, силовые поля соседних стенок пор перекрываются, и энергия взаимодействия твердого тела с газом возрастает. Это увеличивает адсорбцию, особенно в области малых относительных давлений. Такого рода взаимодействие является достаточно сильным, чтобы полное заполнение пор происходило при очень низких относительных давлениях.
Адсорбция в микропорах описывается изотермой, приведенной на рис 1, для которой характерно наличие почти горизонтального плато.
Рис.1 Типичный вид зотерм сорбции микропористых сорбентов
Для микропористых сорбентов Дубининым и Радушкевичем было выведено уравнение, связывающее адсорбцию a и суммарный объем пор W0
(1)
где Vмол - мольный объем сорбата.
Для расчета величины W0 ур. 1логарифмируют
(2
Рис. 2. Изотерма сорбции в координатах линейной формы уравнения Дубинина-Радушкевича.
Графически в координатах ln a = f (lg ps/p)2 – это уравнение изотермы сорбции в линейной форме (рис 2.). Прямолинейная зависимость соблюдается в области p/ps до » 0.2 – 0.3. Отрезок в, отсекаемый прямой на оси ординат, равен
(3)
Зная b и объем одного моля сорбата Vмол = М/r (М - молекулярная масса, r - плотность), вычисляют величину W0.
Расчет W0 мезопористых и макропористых сорбентов.
Рис.3. Типичная изотерма сорбции мезопористых сорбентов
Для сорбентов, в порах которых происходит капиллярная конденсация паров сорбата, расчет W0 производят на основании максимального количества сорбированного вещества аmax, которое сорбат поглощает при p/ps =1 (рис. 3), по уравнению
. (4)
Правая часть ур. 4 представляет собой максимальный объем сорбированного вещества, который, по существу, равен объему пор, доступных молекулам данного сорбата.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ГАЗО-АДСОРБЦИОННОГАНАЛИЗАТОРА
TRISTAR -3020
Принцип работы прибора основан на исследовании статической сорбции твердым телом паров азота при температуре его кипения.
Сущность сорбционного метода сводится к экспериментальному определению равновесного количества сорбированного пара (а) в широкой области его давлений (p) с последующим построением изотерм сорбции в координатах a = f (p/ps). (ps – давление насыщенного пара сорбата. (Рис. 1,3).
В приборе реализуется статический объемный метод сорбции. Принцип объемного метода заключается в определении количества сорбированного вещества по убыли сорбата, находящегося в парообразной фазе и занимающего определенный заранее прокалиброванный объем.
При помещении вещества в замкнутое пространство, заполненное газом или паром при определенном давлении, оно начинает адсорбировать газ и его масса возрастает, а давление газа уменьшается. Спустя некоторое время, давление становится постоянным и масса вещества перестает увеличиваться. Зная объемы сосуда и твердого вещества, основываясь на законах идеальных газов, по понижению давления в замкнутом объеме сосуда можно рассчитать количество адсорбированного азота.
Общий вид автоматического анализатора поверхности и пористости Tristar 3020 приведен на рис. 4. Прибор имеет три независимых порта, снабженных датчиками давления, Поэтому измерения могут проводиться одновременно для трех образцов. Анализатор укомплектован станцией дегазации для подготовки образцов (рис.5). Станция представляет собой газо-проточный дегазатор, который удаляет адсорбированные загрязнения с поверхности и из пор образца с целью подготовки образца к анализу. В нем имеется шесть портов для образцов, каждый из которых управляется независимо от других. и, сл., станция позволяет подготовить одновременно до 6 образцов. Образцы могут быть выдержаны в вакууме или в инертном газе (гелии) при заданной температуре от комнатной до 4000С.
Рис.4. Рис.5.
Общий вид анализатора Tristar 3020. Станция дегазации образцов
Анализатор Tristar 3020 работает под управлением специализированной компьютерной программы в среде Windows.
На основании полученных изотерм сорбции автоматически рассчитываются заданные параметры пористой структуры образцов.
В качестве отчета по измерению суммарного объема пор прибор может выдать табличные данные по сорбции паров азота, графики изотермы сорбции, суммарный отчет, в котором представлены значения удельной поверхности, суммарного объема пор и средний радиус пор исследованного образца.
ХОД РАБОТЫ.
Подготовка образца для исследования
1. В пробирке для анализа взять навеску образца наноматериала для определения удельной поверхности на аналитических весах с точностью 0,0001 г. Оптимальное количество составляет около 300 мг. Для образцов с небольшой удельной поверхностью (менее 1 м2/г) количество следует увеличить до 1 г.
2. Провести дегазацию образца с помощью станции дегазации, для чего:
взвешенную пробирку с образцом поместить в станцию дегазации и соединить с вакуумной магистралью. Задать температуру дегазации. Обратить внимание: температура дегазации должна быть ниже температуры стеклования материала не меньше, чем на 200.
Осуществить вакуумирование образца в течение заданного времени при заданной температуре..
Взвесить пробирку по окончании дегазации и определить массу образца.
3. Пробирку с дегазированным образцом закрепить в одном из 3 портов анализатора вверху рабочей камеры.
Подготовка анализатора к работе.
1 .Залить жидкий азот в сосуд Дьюара, имеющийся в комплекте анализатора. Поставить заполненный сосуд Дьюара на подъемный столик прибора.
2. Закрыть пластиковые дверцы.
3. Подать газы гелий и азот в анализатор, для чего повернуть краны подсоединения газов, размещенные на манометрах газовых баллонов
4. Включить в сеть переменного тока форвакуумный насос, расположенный сзади анализатора и соединенный с ним вакуумным шлангом.
5. Включить тумблер сетевого питания, расположенный на задней панели анализатора.
Активация программы управления измерения
1. Включить компьютер, который входит в состав установки. Запустить программу TriStar. Программа проведет проверку соединения компьютера и анализатора. По окончании проверки появится рабочее окно программы
2. Создать файл информации об исследуемом образце, идя по пути:
File →Open→ Sample Information
3. Заполнить карточку образца: название образца, имя оператора, имя заказчика,
массу образца.
4. На вкладке Analysis Conditions (Условия анализа) выбрать условия анализа: ADSDES. OK.
4. На вкладке Report Options (Опции отчета) выбрать ту же программу вывода отчета: ADSDES. OK.
5. Нажать кнопку Save – сохранить изменения. Закрыть карточку Close.
6. Указать, в каком порте находится пробирка с исследуемым образцом. Идем по пути Unit1 → Sample Analysis, появляется окно. В нем напротив порта, например, Port 1, нажать кнопку Browse. Из списка выбрать образец, который будет сниматься в данном порте.
7. Начать опыт – нажать Start.
Дальнейшая работа анализатора TriStar происходит автоматически
В процессе работы в рабочем окне программы находится схема установки, на которую
выводится текущее давление газа в коллекторе и пробирках, положение кранов (Рис.6).
В строке состояния указывается текущий процесс.
Переключившись на опцию Operation, можно увидеть текущие результаты
Рис. 6 Окно программы анализатора TRISTAR 3020 со схемой установки и указанием текущего процесса
ЗАДАНИЕ
После окончания опыта изучить и распечатать общий отчет, табличные данные по сорбции, график изотермы сорбции. Проанализировать полученные результаты. Сделать вывод о величине суммарного объема пор изученного образца.
