ОЦЕНКА УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ АВТОМАТИЧЕСКОГО ГАЗО - АДСОРБЦИОННОГО АНАЛИЗАТОРА
TRISTAR 3020
Руководство к лабораторной работе
ВВЕДЕНИЕ
Основной характеристикой наноматериалов, в том числе полимерных композиционных наноразмерных материалов, определяющей отнесение их к данной группе веществ, является степень о дисперсности, то есть характерный размер структур, образующих данный материал. Поэтому экспериментальные методы измерения степени дисперсности наноматериалов, оценки размеров отдельных частиц занимают центральное место при характеристике любого наноматериала. В ряду этих методов важную роль играет измерение удельной поверхности наноматериала – величины межфазной поверхности всех образующих наноматериал структурных элементов в единице массы образца. Чем выше степень дисперсности наноматериала, тем больше величина его удельной поверхности. При разработке технологии наноматериалов часто именно их поверхность является целевой характеристикой, определяющей преимущества их использования.
Основным экспериментальным подходом к измерению удельной поверхности 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, прошли проверку временем и доказали свою высокую экспериментальную надежность.
Именно в силу этих своих достоинств сорбционный метод фактически стал стандартным методом характеристики любого наноматериала. Это дало толчок к разработке нового поколения автоматизированных измерительных приборов, обеспечивающих потребности науки и практики в сорбционных измерениях. К ним, в частности, относится автоматический анализатор TriStar 3020 производства Micromeritics (США).
Настоящая лабораторная работа: «Измерение удельной поверхности наноматериалов сорбционным методом с помощью анализатора TriStar 3020» ставит своей целью обучение слушателей работе на данном современном оборудовании.
ЦЕЛЬ лабораторной работы «Измерение удельной поверхности наноразмерных полимерных материалов с помощью автоматического газо-адсорбционного анализатора поверхности и пористости TriStar 3020» - получение навыков экспериментального исследования адсорбционных процессов на современном оборудовании и определение удельной поверхности наноразмерных композиционных полимерных материалов.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ.
Удельная поверхность - поверхность 1 г твердого тела. Удельная поверхность образована внешней поверхностью всех частиц наноматериала и внутренней поверхностью открытых пор. Единицы измерения удельной поверхности – м2/г. Удельная поверхность твердого тела данной массы для непористого материала обратно пропорциональна размеру составляющих его частиц.
Для частиц сферической формы d - диаметр; для частиц кубической формы d – ребро куба ρ — плотность твердого тела. Таким образом, знание величины удельной поверхности позволяет оценить размер частиц. Для реальных порошков, составленных из частиц разных размеров и неправильной формы, можно оценить среднее значение диаметра частиц.
Определение удельной поверхности Sуд
Величина удельной поверхности может быть определена из сорбционных данных. Для этого используется ур.1
Sуд = am ω NA (1).
Здесь аm - емкость монослоя - это количество адсорбата, которое может разместиться в полностью заполненном адсорбционном слое толщиной в 1 молекулу - монослое – на поверхности единицы массы (1г) твердого тела. ω – средняя площадь, занимаемая молекулой адсорбата в заполненном монослое, NA - число Авогадро.
Для определения величиыа am используется теория полимолекулярной адсорбции, предложенная Брунауером, Эмметом и Теллером (теория БЭТ). Уравнение изотермы адсорбции БЭТ имеет вид
(2)
где a – равновесное количество молей сорбированного вещества 1 граммом сорбента, p/ps – относительное давление пара, с – константа.
Для расчета величины аm уравнение БЭТ используется в т. н. линейном виде:
, (3)
Прямолинейная зависимость 
соблюдается в области p/ps от 0 до 0.4 (рис.1).
Поэтому для расчета величины Sуд может быть получена только начальная область изотермы сорбции.
|
, а отрезок, отсекаемый на оси ординат, 
. Искомая величина аm
. (4)
Площадь, занимаемая одной молекулой азота в адсорбционном слое w = 0.162 нм.
Используя полученную величину аm, по ур. 1 рассчитывается величина Sуд.
Определение удельной поверхности наноматериалов по методу БЭТ в автоматическом режиме реализовано на автоматизированном газо-адсорбционном анализаторе TriStar 3020 производства Micromeritics (США).
Принцип работы газо-адсорбционного анализатора 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.2.).
В приборе реализуется статический объемный метод сорбции. Принцип объемного метода заключается Рис. 2. Изотерма сорбции
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.3. Прибор имеет три независимых порта, снабженных датчиками давления, Поэтому измерения могут проводиться одновременно для трех образцов. Анализатор укомплектован станцией дегазации для подготовки образцов (рис.4).
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.3. Рис.4.
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 удельной поверхности прибор может выдать табличные данные по сорбции азота, графики изотермы сорбции, изотермы в координатах ур. БЭТ, таблицы для расчета величины Sуд и (или) значение Sуд 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 прогрев образца в течение заданного времени.
Взвесить пробирку по окончании дегазации и определить массу образца.
3. Пробирку с дегазированным образцом закрепить в одном из 3 портов анализатора вверху рабочей камеры.
Порготовка 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: bet. ans OK.
4. На вкладке Report Options (Опции отчета) выбрать ту же программу вывода отчета: bet. 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.
Рис. 5 Окно программы анализатора TRISTAR 3020 со схемой установки и указанием текущего процесса
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.
В строке состояния указывается текущий процесс.
Переключившись на опцию Operation, можно увидеть текущие результаты
ЗАДАНИЕ
После окончания опыта изучить и распечатать общий отчет, табличные данные, график изотермы сорбции в координатах ур. БЭТ. Проанализировать полученные результаты. Сделать вывод о величине удельной поверхности изученного образца.
