碳酸鈣比表面積測試方法探究
2021-06-23
比表面積是超細粉體材料特別是納米材料最重要的物性之一，本質是單位質量物質的總表面積(㎡/g)。測定比表面和孔徑分布的方法很多，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。
任何粉體表面都有吸附氣體分子的能力，在液氮溫度下，在含氮的氣氛中，粉體表面會對氮氣產生物理吸附，當已知粉體表面吸附了完整的一層氮分子時的吸附量Vm，粉體的比表面積(Sg)可由下式求出：Sg=4.36Vm/W( W：樣品的重量)。
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)色譜法和靜態(tài)法。
1氮吸附法——動態(tài)色譜法
動態(tài)色譜法是將待測粉體樣品裝在U型的樣品管內，使含有一定比例吸附質的混合氣體流過樣品，根據吸附前后氣體濃度變化來確定被測樣品對吸附質分子(N2)的吸附量。
動態(tài)色譜法儀器中常用的方法——固體標樣參比法和BET多點法。
1.1固體標樣參比法
固體標樣參比法也叫直接對比法，國外此種方法的儀器叫做直讀比表面儀。該方法測試的原理是用已知比表面的標準樣品作為參照，來確定未知待測樣品相對標準樣品的吸附量，從而通過比例運算求得待測樣品比表面積。以使用氮吸附BET比表面標準樣品為例，該方法的依據是有兩個：
① BET理論的假設之一，在吸附一層之后的吸附過程中的能量變化相當于吸附質分子液化熱，也就是和粉體本身無關。
② 在相同氮氣分壓(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法所得出的比表面值與BET多點法得到的值一致性較好的原因。
1.2動態(tài)色譜法——BET多點法
BET多點法為國標比表面測試方法，其原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，從而求出比表面積;其理論認可度相對固體標樣參比法高，但實際使用中，由于測試過程相對復雜，耗時長，使得測試結果重復性、穩(wěn)定性、測試效率相對固體標樣參比法都不具有優(yōu)勢，這是也是固體標樣參比法的重復性標稱值比BET多點法高的原因。
2氮吸附法——靜態(tài)法
根據確定吸附吸附量方法的不同分為重量法和容量法。重量法已經被淘汰。容量法是將待測粉體樣品裝在一定體積的一段封閉的試管狀樣品管內，向樣品管內注入一定壓力的吸附質氣體，根據吸附前后的壓力或重量變化來確定被測樣品對吸附質分子(N2)的吸附量。
動態(tài)色譜法和靜態(tài)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后，就可以由該吸附質分子的吸附量來計算待測粉體的比表面了。
3動態(tài)色譜法VS靜態(tài)容量法
動態(tài)色譜法和靜態(tài)容量法是目前常用的主要的比表面測試方法。兩種方法比較而言，動態(tài)色譜法比較適合測試快速比表面積測試和中小吸附量的小比表面積樣品(對于中大吸附量樣品，靜態(tài)法和動態(tài)法都可以定量的很準確)，靜態(tài)容量法比較適合孔徑及比表面測試。
雖然靜態(tài)法具有比表面測試和孔徑測試的功能，但靜態(tài)法由于樣品真空處理耗時較長，吸附平衡過程較慢、易受外界環(huán)境影響等，使得測試效率相對動態(tài)色譜法的快速直讀法低，對小比表面積樣品測試結果穩(wěn)定性也較動態(tài)色譜低，所以靜態(tài)法在比表面測試的分辨率、穩(wěn)定性方面，相對動態(tài)色譜并沒有優(yōu)勢。
在BET多點法比表面分析方面，靜態(tài)法無需液氮杯升降來吸附脫附，所以相對動態(tài)法省時。靜態(tài)法相對于動態(tài)色譜法由于氮氣分壓可以很容易的控制到接近，所以比較適合做孔徑分析。而動態(tài)色譜法由于是通過濃度變化來測試吸附量，當濃度為1時的情況下吸附前后將沒有濃度變化，使得孔徑測試受限。
4比表面積測定應用范圍
國際標準分類中，比表面積測定方法涉及到有色金屬、非金屬礦、化工產品、燃料、建筑材料、紡織纖維、分析化學、粉末冶金、無機化學、陶瓷、粒度分析、篩分、橡膠、橡膠和塑料用原料、長度和角度測量。
5比表面測定國家標準
最新比表面測定國家標準GB/T19587-2017《氣體吸附BET法測定固態(tài)物質比表面積》于2018年4月起正式實施。本標準規(guī)定了氣體吸附BET法測定分散的(例如納米碳酸鈣)或多孔的（碳酸鈣）體物質的整個外部和內部通孔的比表面積的方法。作為該標準起草單位中唯一的比表面儀生產企業(yè)，北京精微高博科學技術有限公司首席科學家鐘家湘教授擔任了該標準評審專家組組長。
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