比表麵積是超細粉體材料特別是納米材料最重要的物性之一,本質是單位質(zhì)量物質的總表麵積(㎡/g)。測定比表麵和孔徑分布的(de)方法很多,其中氮吸附法是常用、可靠的方法,已經被列入國際標準和我國國家標準。
任何粉體表麵(miàn)都(dōu)有吸附氣體分子的能力,在液氮(dàn)溫度下,在含氮的(de)氣氛中,粉體表麵會對氮氣產生物理吸附,當已知粉體表麵吸(xī)附了完整的一層氮分子時的吸附量Vm,粉體的比表麵積(Sg)可由下(xià)式求出:Sg=4.36Vm/W( W:樣品的重量(liàng))。
氮吸附法根據吸附過程和吸附質確定方式的不同又分為動態(tài)色譜法和靜(jìng)態法(fǎ)。
1氮吸附法——動態色譜法
動態色譜法是將待(dài)測粉體樣品裝在U型的樣品管內,使含有一定比例吸附質的混(hún)合氣體流(liú)過(guò)樣品,根據(jù)吸附前後氣體濃度變化來確(què)定被測樣品對吸附質分子(N2)的吸附量。
動態色譜法儀器中(zhōng)常用的方法——固體標樣參比法和BET多點法。
1.1固體標樣參比法
固體標樣參(cān)比法也叫(jiào)直接對比法,國外此種方(fāng)法的儀器叫(jiào)做直(zhí)讀比表麵儀。該方法測試的原理是用已知比(bǐ)表(biǎo)麵的標準樣品作為參照,來確定未(wèi)知待測樣品相對標準樣(yàng)品的吸附量,從(cóng)而通過比例運算求得待測(cè)樣(yàng)品比表麵積。以使用氮吸附BET比表麵標準樣(yàng)品為(wéi)例,該方法的依據是(shì)有兩個:
① BET理論(lùn)的假設之一,在吸附(fù)一層之後的吸附過程中的能量變化相當於吸附質分子液化熱,也就(jiù)是和粉體本(běn)身無關。
② 在相(xiàng)同氮氣分壓(yā)(5%-30%)、相同液氮溫度條件下,吸附層厚度一致;這就是以此種簡單的方(fāng)法所得出的比表麵值與BET多(duō)點法得到的值一致性較好的原因。
1.2動態色譜法——BET多點法
BET多(duō)點法為國標比表麵測試方法,其原(yuán)理是求出不同分壓下待測樣品對氮氣的絕對吸附量,通過BET理論計算出單層吸附量,從而求出比表麵積;其理論認可度相對固體標樣參比法高,但實際(jì)使用(yòng)中(zhōng),由於測試過程相對複雜,耗時長,使得測試結果重複性、穩定性、測試效率(lǜ)相對固體(tǐ)標樣(yàng)參比法都不具有優勢(shì),這是(shì)也是固體標樣參比法的重複性標稱值(zhí)比(bǐ)BET多點法高(gāo)的原(yuán)因(yīn)。
2氮吸附法——靜態法
根據確定吸附吸(xī)附(fù)量(liàng)方法的不(bú)同(tóng)分為重量法和容(róng)量法。重量法已經被淘汰(tài)。容量法是將待測粉體樣(yàng)品裝在一定(dìng)體積的一段封閉的試管狀樣品管內,向樣品管內(nèi)注入(rù)一定壓力的(de)吸附質氣體,根據吸附前後的壓力或重量(liàng)變化(huà)來確定被測樣品(pǐn)對吸附質分子(N2)的(de)吸附量。
動態色譜法和靜態法的目的都是確定吸附質氣體的吸附量。吸附質氣體的吸附量確定後,就(jiù)可以由該吸附質分子的吸附量來計算待測粉體的比表麵了。
3動態色譜法VS靜態容量(liàng)法
動態色譜法和靜態容(róng)量法是目前常用的主要的比表麵測試方法(fǎ)。兩種方(fāng)法比較而言,動態色譜法比較適合測試快速比(bǐ)表(biǎo)麵積測試和中小吸附量(liàng)的小比表麵積樣品(對於(yú)中大吸附量樣品,靜態(tài)法和動態法都可以定(dìng)量的很準確),靜態容量法比較適合孔徑及比表(biǎo)麵測試。
雖然靜態法具有比表麵測試和孔徑測試(shì)的(de)功能(néng),但靜態法由於樣品(pǐn)真空處理耗時較長,吸附平衡過程較慢、易受外(wài)界環境影響等,使得測試效率相(xiàng)對動態色譜法的快速直(zhí)讀法低,對小比表麵積樣品測試結果穩定(dìng)性也(yě)較(jiào)動態色(sè)譜低,所以靜態法在比表麵測試的分辨率、穩定性方麵,相對動態色譜並沒有優勢。
在BET多點法比表麵分析方麵,靜態法無需液氮杯升降來吸附(fù)脫附,所以相(xiàng)對動態法(fǎ)省時。靜態法相對(duì)於動態色譜法(fǎ)由(yóu)於氮氣分壓可以很容易的控製到(dào)接近,所以比較適合做孔徑分析。而動態色譜法由於是通過濃度變(biàn)化來測試(shì)吸附量,當濃度(dù)為1時的情況下吸附前後將沒有濃度變化,使得孔徑(jìng)測試受限。
4比表麵積測(cè)定應用範圍
國際標(biāo)準分類中,比(bǐ)表麵積測定方法涉及到有色金屬、非金屬礦(kuàng)、化工產(chǎn)品、燃料、建築材料、紡織纖(xiān)維、分析化學、粉末冶金、無機化學、陶(táo)瓷(cí)、粒度分析、篩分、橡膠、橡膠和塑(sù)料用原料、長度和角度測量。
5比表麵測定國家標準
最新比表麵(miàn)測定國家標準GB/T19587-2017《氣體吸附BET法測定固態物質比表麵積》於2018年4月起正式實施。本標準規定了氣體吸附BET法(fǎ)測定分(fèn)散的(例如納米碳酸鈣)或多孔(kǒng)的(碳(tàn)酸鈣)體物質的整個外部和內部通孔的比表麵積的方法。作為該標準(zhǔn)起(qǐ)草(cǎo)單位中唯一的比(bǐ)表麵儀生產企業,北京精微高博科學技術有限公司首(shǒu)席科學家鍾家(jiā)湘(xiāng)教授擔任了該標(biāo)準評(píng)審專家組組長。