Способ измерения объема твердого тела Советский патент 1981 года по МПК G01N15/08 

(5) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМА ТВЕРДОГО ТЕЛА

1

Изобретение относится к физикохимическим методам исследования твердых тел, а именно к измерению их объема для определения однородности и структуры веществ, численными характеристиками которых являются плотность и объем пористости.

При исследовании пористости твердого тела иэмерение объема его навески, так называемые пикнометрические измерения, проводят с использованием целого ряда пикнометрических веществ как жидких, так и газообразных, отличающихся размерами и формой молекул.

Зависимость величины плотности твердого пористого тела от размеров молекулы использованного пикнометрического вещества свидетельствует о наличии в объеме тела таких пор, которые доступны лишь молекулам веществ, дающих более высокое значение плотности. Использование такого метода позволяет определить не только

характер пористости, но и рассчитать величину объемов пор определенного размера. Для определения объема пор, включая супермикро- и микропоры, т.е. поры более 0,6 нм, объем исспедуемого тела измеряют с помощью;жидких пикнометрических веществ, например изооктана, октана, бензола и т.д размер молекул которых составляет около 0,6-0,7 нм. Это определение основано на том факте, что плотность пикнометрической жидкости остается постоянной во всем объеме измерительной системы ив пористости и-сспедуемого тела, т.е. не изменяется при контакте, с тв.ердым телом.

Для определения объема наиболее мелкой открытой пористости в качестве пикнометрйческого вещества используют газы. Однако необходимым условием для этого является полное отсутствие процесса адсорбции. В том случае, когда это условие не соблюдается, результаты измерения объема тела и расчета его плотности не соответствуют действительным значениям причем степень искажения действитель ного значения объема непосредственно зависит от величины адсорбции в данной системе. Наиболее подходящим газом для пик нометрического исследования пористых тел является гелий, молекула которого, состоящая из одного атома имеет, наименьший размер, равный 0,2 нм, и который характеризуется чрезвычайно низкой адсорбируемостью большинством материалов. Плотность пористого тела, измеренная с помощью гелия, за рчет проникновения его молекул в наиболее мелкие поры, имеет наиболее высокое значение по сравнению с плот ностью по другим пикнометрическим веществам и несет в себе чрезвычайно важную информацию о пористости данно го тела. Известен способ экспериментальног определения объема навески вещества по газам, основанный на измерении . давления в камере с испытуемым образ цом при сжатии воздуха в подключенно к камере бюретке р 3Основными недостатками способа яв ляются необходимость использовать ртуть и необходимость точного измерения давления, что не позволяет про водить исследование образцов при по вышенных температурах, например, более 500 К, в то время как известно что пикнометрические измерения по газам, в том числе и по гелию, материалов, характеризующихся высокой адсорбционной активностью, например углеродных адсорбентов, возможны лишь при температуре 600 К и выше. Наиболее близок к предлагаемому способ измерения объема твердого тела путем помещения его в камеру с измеряемым объемом, вакуумирйвания камеры, заполнения ее газом, например гелием, при определенном постоянном давлении и изменения объема камеры до достижения в ней строго определенного давления, фиксируемого )имер, чувствительным датчиком. Величина изменения объема камеры позволяет рассчитать объем твердого тела 2. Однако известный способ не позволяет проводить термодесорбционную ПОДГОТОВКУ исследуемого образца, требует тщательного вакуумирования камеры и соблюдения постоянства температуры и первоначального давления в системе. Использование переменного объема и чувствительного датчика, фиксирующего строго определенное давление в системе, позволяет проводить измерения при температурах не выше 300-310 К, что ограничивает ассортимент исследуемых материалов лишь теми, которые не сорбируют используемый пикнометрический газ, и ассортимент пикнометрических газов теми, которые не сорбируются исследуемым материалом. Цель изобретения - повышение точности измерения, расширение ассортимента исследуемых материалов и применяемых пикнометрических газов и увеличение температурного диапазона измерений. Указанная цель достигается тем, что исследуемый образец помещают в камеру постоянного объема, через которую с постоянной скоростью пропускают пикнометрический газ, например гелий, камеру нагревают до необходимой температуры, например 600-800 К, для термо-десорбционной подготовки исследуемого образца, затем камеру отсекают от потока пикнометрического газа, а пикнометрический газ вытесняют из камеры потоком газа-носителя,определяют при этом содержание пикнометрического газа в потоке газа-носителя, а объем вытесняемого телом газа.рассчитывают как разность содержания пикнометрического газа в потоке газа-носителя в случае пустой камеры и камеры, заполненной исследуемым телом. Проводились сравнительные испытания известного и предлагаемого способов. Измерение объемов проводили с использованием гелия и азота в качестве пикнометрических газов по предлагаемому способу на специально изготовленной установке и с помощью воздушно-гелиевого пикнометра модели 1303 фирмы Культроникс, принцип действия которого основан на известном способе. В таблице приведены величины плотностей (г/см ) ряда образцов различной природы, вычисленные из результатов экспериментального измерения объема навесок. Как видно из результатов, представленных в таблице, при исследовании твердых тел, не адсорбирующих ге5ЛИЙ, величины плотности, рассчитанны на основании измерения объема по предлагаемому и известному способам практически совпадают, причем измерение по предлагаемому способу отличается повышенной точностью. Относительная ошибка измерения по пред лагаемому способу не превышает 2%, а согласно известному способу достигает 20 и более. Результаты измерения непористой двуокиси кремния с использованием азота в качестве пикнометрического газа дают величину плотности с истин ным значением (2,48 г/см) лишь по. предлагаемому способу при температур 700 К, так как азот заметно адсорбируется двуокисью кремния при температуре 293 К. Плотности микропористых углеродных 30

адсорбентов, рассчитанные из результатов измерения объемов по известному способу за счет адсорбции пикнометрического газа превышают в 1,2-1,4 раза для гелия и в 4-7 раз для азота максимальное значение плотности малот зольных углеродных материалов, величина которой, измеренная с помощью рентгенографического метода, состав-, ляет 2,14-2,26 г/см. Это свидетельматериалов по целому ряду газов (например гелий, водород, аргон, азот, криптон, кислород и т.д.) в широком интервале температур с высокой трч-

ностью, что чрезвычайно важно для исследования структуры, дефектности материалов, изучения фазовых переходов при термической обработке, а также пористости и адсорбционных свойств

адсорбентов и катализаторов. 2 ствует о том, что при использовании известного способа для определения объемов навесок микропористых углеродных адсорбентов полученные данные не отвечают действительному значению объемов и плотности. В то же время, величина объемов, измеренных по предлагаемому способу, обеспечивающек|у измерения при повышенной температуре, хорошо согласуется с результатами исследования пористой структуры образцов другими независимыми методами и подтверждает общепринятые положения о механизме развития микропористой структуры углей в процессе активирования . Эффeкtивнpcть предлагаемого способа состоит в том, что с его помощью впервые становятся возможными измерения объемов практически любых

Непористая

двуокись

кремния

Термоотверженный фено- . яо-формальдегидный полимер

Карбонизованный углеродный остаток феноло-формальдегидногополимера

Активированный

уголь из фенолоформальдегидного полимера

2,45+0,05

2,55+0,05

2,48+0,01

1,28+0,04

1,25ТО,05

1,54:;:о,04

3,30+0,10

1,50+0,01

8,5t

1,5М.01

2, ,1 О

Уголь использовали с увеличивающейся степенью активирования. Изменение объема феноло-формальдегидного полимера проводили при температуре 320 К.

Формула изобретения

Способ измерения объема твердого тела путем определения объема газа, вытесняемого им из камеры, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, расширения ассортимента исследуемых материалов и применяемых пикнометрических газов и .увеличения температурного диапазона измерений, через камеру постоянного объема, нагретую до необходимой температуры, пропускают поток пикнометрического Таза, затем камеру отсекают от потока пикнометрического газа, а пикнометри8

Продолжение табл.

-веский газ вытесняют из камеры потоком газа-носителя, при этом определя содержание пикнометрического газа в потоке газа-носителя, а объем вытесняемого телом газа рассчитывают как разность содержания пикнометрическог газа в потоке газа-носителя в случае пустой камеры и камеры, заполненной исследуемым телом.

Источники информации, принятые во вниманиеПри экспертизе

2.Патент США № , кл.С01 N 15/07, 1976 (прототип).