美國micromeritics / 2024年五月份電子報-氣體置換法以不同的氣體分析樣品真密度之數值差異

前言
由於其理想的性能，氦氣是氣體置換法分析儀中最常用的氣體； 但是，有時可以用氦氣代替其他氣體。 氦氣能夠滲透到從表面封閉的孔隙中，並與一些有機材料和微孔碳相互作用。 氮氣是第二常見的氣體，但也與某些材料相互作用。 較大的分子（如六氟化硫和甲烷）可用於在計算密度的體積結果中包含非常小的孔的體積。

經由將樣品的重量除以骨骼體積來確定骨骼密度。 以 10 cm³ AccuPyc 確定骨骼體積的公式由下式給出：

其中 𝑉_f 是填充體積，𝑉_e 是膨脹體積，在校正期間測量。這些值對於所選氣體是唯一的，並且在使用這種氣體、溫度和填充壓力組合時保持不變。AccuPyc 將樣品室加壓至指定壓力。氣體平衡並確定𝛲1。位於樣品室和膨脹室之間的膨脹閥打開，位於樣品室中的氣體流入膨脹室，導致壓力降低。當氣體平衡時，確定𝛲2

在確定 𝛲1 期間，氣體與材料相互作用導致壓力讀數降低，可能導致負樣本體積。這種相互作用通常是吸附或滲透。。

在收集 𝛲1 或 𝛲2 數據之前，需要壓力達到平衡。初始平衡速率為 0.005 psig/min，最初用於所有樣品。 如果樣品不能與默認速率平衡，則根據監測到的壓力變化選擇一個速率。 可能無法獲得平衡速率的原因是由於擴散、氣體與材料的相互作用、材料脫氣或由液體引起的蒸汽壓力。

七種不同的氣體用於分析七種材料。 使用的氣體是氦氣、氮氣、氬氣、二氧化碳、乾燥空氣、六氟化硫和甲烷。 用這些氣體分析的樣品是金屬球、氧化鋁、電池隔板、炭黑、5A、布洛芬 (ibuprofen)和水。

金屬球樣品

金屬球是一種無孔碳化鎢合金，用於校準比重瓶填充和膨脹體積。 使用不同氣體的分析結果如表 1 所示。唯一顯著的區別是二氧化碳分析長度更長。

分析數據

氧化鋁樣品

氧化鋁觸媒載體結果如表 2 所示。用二氧化碳和六氟化硫進行的測量得到負體積。 當測量體積為負時，不計算密度。 此類分析在表格中以 N/A 表示。 下文進一步解釋了測量負體積。 剩餘氣體的密度結果高於氦氣，可能是由於與樣品的相互作用。

分析數據

隔離膜樣品

Celgard H161216μM三層微孔膜結果顯示在表3中。二氧化碳，硫六氟化碳和甲烷似乎已經與材料相互作用，從而導致更高的密度值。

分析數據

碳黑樣品

二氧化碳、六氟化硫和甲烷似乎與樣品發生了相互作用。

分析數據

5A分子篩

5A 分子篩結果如表 5 所示。氦氣和六氟化硫是唯一成功運行的氣體，而其他氣體測量為負體積。 小氦分子能夠進入材料中的小孔並產生合理的結果，而非常高的六氟化硫結果表明分析存在問題，因為測量的體積非常小，儘管不是很負面。

分析數據

Ibuprofen樣品

通用品牌布洛芬的結果如表 6 所示。所有氣體的結果相似。

分析數據

水樣品

過濾至 0.1 μm 的去離子水結果如表 7 所示。所有氣體的結果相似。

分析數據

為何得到獲得負體積值?

10 cm³ AccuPyc 首先對樣品室加壓，然後在達到壓力平衡後讓氣體膨脹到膨脹室中。 使用惰性氣體時，初始壓力 (𝛲1 ) 讀數非常接近輸入的填充壓力。 '膨脹閥打開，兩個腔室之間的氣體平衡，壓力降低。 平衡後收集最終壓力 (𝛲2) 讀數

當氣體與材料相互作用時，𝛲1 的壓力讀數低於預期，因為在壓力平衡之前氣體會緩慢吸附到材料上。 當膨脹閥打開時，氣體在兩個腔室之間達到平衡。 第二個腔室增加的體積導致壓力降低。 吸附的氣體開始解吸。 這導致 𝛲2 高於預期。 壓力讀數的這兩個意外值導致體積為負值。

可以比較 5A 上氦氣和氮氣的壓力讀數以顯示壓力值的差異。 使用 19.5 psig 的填充壓力。 氦的測量 𝛲1 值為 19.756 psig，而氮氣為 18.906 psig。 對於 𝛲2，氦值為 10.350 psig，氮氣為 15.367 psig。 用氦獲得的體積為 2.5245 cm3，氮氣為 -24.6783 cm³。

為了證明這種影響來自吸附，使用體積法高壓分析儀 (HPVA) 在室溫下對 5A 樣品進行了氮分析。測得的等溫線顯示在下圖中。很明顯，氮在前面描述的條件下吸附和脫附。

氮氣吸脫附圖

結論

如果所選氣體能夠進入感興趣的孔隙並且不與材料相互作用，則氣體選擇似乎並不重要。 使用金屬球、布洛芬和水樣的各種氣體獲得的數據證明了這一點。 由於這不適用於大多數材料，因此在確定要使用的氣體時應小心。