GB/T 21650.2-2008
Распределение пор по размерам и пористость твердых материалов методами ртутной порометрии и газовой адсорбции. Часть 2. Анализ мезопор и макропор методом газовой адсорбции. (Англоязычная версия)
- Стандартный №
- GB/T 21650.2-2008
- язык
- Китайский, Доступно на английском
- Дата публикации
- 2008
- Разместил
- General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People‘s Republic of China
- Последняя версия
- GB/T 21650.2-2008
- сфера применения
-
Обзор стандарта и техническая база
GB/T 21650.2-2008/ISO 15901-2:2006 «Определение распределения пор по размерам и пористости твердых материалов методом ртутной интрузионной порометрии и газовой адсорбции. Часть 2: Анализ мезопор и макропор методом газовой адсорбции» является ключевым техническим стандартом в моей стране для характеристики пористых материалов. Этот стандарт, эквивалентный международному стандарту ISO 15901-2:2006, знаменует собой соответствие моей страны международным стандартам в области испытаний пористых материалов.
Этот стандарт в первую очередь применяется к определению распределения пор по размерам мезопористых материалов с размером пор от 2 до 50 нм и макропористых материалов с размером пор до 100 нм. В практических приложениях метод адсорбции азота наиболее подходит для измерения пор шириной приблизительно 0,4–50 нм. Благодаря достижениям в области контроля температуры и измерения давления этот метод теперь может быть расширен для охвата более широкого диапазона размеров пор.
Основные технологические принципы
Базовая теория адсорбции газа
Метод адсорбции газа основан на измерении зависимости между количеством газа, адсорбированного единицей массы образца, и относительным давлением при постоянной температуре. Для мезопористых и макропористых материалов процесс адсорбции в основном включает две стадии: сначала происходит многослойная адсорбция, а затем при более высоком относительном давлении происходит капиллярная конденсация, образующая мениск, похожий на жидкость.
Основная формула расчёта использует уравнение Кельвина:
rK = 0,953 / [-ln(p/p0)]
Где rK — радиус Кельвина, а p/p0 — относительное давление. Для адсорбции азота при 77 К числовая константа в этом уравнении равна 0,953 нм.
Сравнение выбора метода
Тип метода Принцип и характеристики Применимые сценарии Технические преимущества Метод статического объема Постепенное изменение давления для измерения равновесной величины адсорбции Точное измерение, научно-исследовательский анализ Точные данные и хорошая воспроизводимость Метод потока и объема Непрерывная подача газа для измерения изменений давления Быстрый скрининг, промышленное применение Анализ Быстрый и эффективный Метод газа-носителя Использует газовые смеси для измерения концентрации изменения Специальные материалы, онлайн-мониторинг Избегает калибровки по объему, высокая чувствительность Гравиметрический метод Непосредственно измеряет приращение массы Условия высокого давления, специальные газы Не требуется калибровки по объему, широкая применимость Спецификации процедуры испытаний
Требования к подготовке образцов
Стандарт предъявляет строгие требования к подготовке образцов: отбор образцов должен проводиться в соответствии с ISO 8213, а дегазация должна быть проведена для удаления физически адсорбированных веществ на поверхности адсорбента перед анализом. Процесс дегазации должен быть выбран для получения воспроизводимых данных по адсорбции, не вызывая необратимых изменений на поверхности адсорбента.
Для мезопористых материалов обычно достаточно остаточного давления дегазации 1,00–0,01 Па; для микропористых материалов рекомендуется 0,01 Па или ниже. Температура дегазации должна быть максимальной, не вызывающей изменений в адсорбенте, и обычно не должна превышать 350 °C.
Измерение свободного пространства
Точное измерение свободного пространства имеет решающее значение для результатов испытаний. Стандарт предусматривает два метода измерения: до или после погружения образца в жидкий азот. Для калибровки по объему обычно используют гелий, но следует отметить, что некоторые материалы адсорбируют и/или поглощают гелий, что требует соответствующих поправок. Формула расчета: Vd(i) = Vd(i-1) + [Vman × (pman1/Tman1 - pman2/Tman2) × (Tstd/pstd)] Стандарт определяет шаги для определения изотермы адсорбции: Для записи адсорбционной ветви изотермы давление азота на образце увеличивается в несколько этапов. Вакуумная система в коллекторе закрывается, и вводится азот. После того, как азот достигает теплового равновесия с коллектором, регистрируются давление газа и температура в коллекторе. Количество шагов измерения и соответствующие требуемые точки давления подачи газа зависят от распределения объема пор образца и количества требуемых точек изотермы. Как для адсорбционной, так и для десорбционной ветви кривой рекомендуется не менее 20 точек данных на секцию.
Обработка данных и расчет распределения пор по размерам
Определение типов изотерм
Стандарт принимает шесть стандартных классификаций изотерм физической адсорбции, предложенных ИЮПАК:
- Тип I: Характеристики микропористых материалов с быстрым ростом адсорбции в области низкого относительного давления
- Тип II: Характеристики непористых или макропористых материалов с четкой точкой B, отмечающей конец адсорбции монослоя
- Тип III: Характеристики слабого взаимодействия газа и твердого тела, выпуклые к оси относительного давления
- Тип IV: Характеристики мезопористых материалов с наличием петли гистерезиса
- Тип V: Характеристики слабого взаимодействия между микропористыми и мезопористыми материалами
- Тип VI: Характеристики последовательной многослойной адсорбции на однородной непористой поверхности
Анализ петли гистерезиса
Стандарт определяет четыре типичных типа петли гистерезиса:
Тип петли Описание характеристики Типичные материалы Тип H1 Относительно узкое распределение размеров пор, сферические агрегаты частиц Упорядоченные мезопористые материалы Тип H2 Широкое распределение размеров пор, нечеткая форма пор Силикагель Тип H3 Чешуйчатые гранулированные материалы, щелевидные поры Глина материалы Тип H4 Узкие щелевидные поры Активированный уголь Методы расчета распределения пор по размерам
Стандарт рекомендует два основных метода расчета:
Метод BJH: традиционный метод расчета распределения пор по размерам мезопор, основанный на уравнении Кельвина и теории многослойной адсорбции. Этапы расчета включают: расположение точек данных в порядке убывания давления, учет двойного вклада удаления капиллярного конденсата и истончения многослойной адсорбционной пленки, а также коррекция на многослойную адсорбционную пленку, остающуюся на стенках пор после удаления капиллярного конденсата.
Метод NLDFT: метод нелокальной теории функционала плотности, применимый ко всему диапазону микропор и мезопор. Этот метод описывает поведение жидкостей, заключенных в порах, на молекулярном уровне, связывая молекулярные свойства газов с их адсорбционными свойствами в порах различных размеров.
Калибровка и контроль качества прибора
Проверка характеристик прибора
Стандарт рекомендует регулярно проводить испытания с сертифицированным стандартным материалом (CRM) для наблюдения за калибровкой и работой прибора. При выполнении анализа площади поверхности для испытаний могут использоваться другие стандартные материалы (RM), но эти стандартные материалы должны быть прослеживаемы к CRM.
Требования к калибровке
Калибровка каждого компонента прибора должна выполняться в соответствии с рекомендациями производителя прибора. Датчики давления и температуры обычно калибруются по отношению к калиброванным стандартным приборам для измерения давления и температуры. Калибровка объема коллектора выполняется путем выполнения соответствующих измерений давления и температуры с использованием объема с постоянной температурой или твердого тела известного объема.
Рекомендации по внедрению и технические ключевые моменты
Выбор размера образца
Для испытания адсорбции азота идеальный размер образца должен быть достаточным для покрытия общей площади поверхности от 5 до 200 м². Слишком малый размер образца снизит соотношение сигнал/шум, в то время как слишком большой размер образца увеличит время установления равновесия и потенциально повлияет на точность испытания.
Контроль времени установления равновесия
Время, необходимое для достижения адсорбционного равновесия, варьируется в зависимости от материала. Стандарт рекомендует использовать ступенчатый статический метод для получения данных о равновесии, поскольку некоторые участки изотермы могут потребовать очень длительного времени установления равновесия. Как правило, время установления равновесия в каждой точке давления должно гарантировать, что изменение давления не превысит 1% в течение 5 минут.
Точность контроля температуры
Контроль температуры ванны с жидким азотом существенно влияет на результаты испытания. Стандарт требует использования устройства постоянного уровня жидкости для поддержания уровня жидкого азота не менее чем на 15 мм над образцом, с колебанием не более чем на 1 мм. Это помогает минимизировать ошибки, вызванные колебаниями уровня жидкости.
Оценка качества данных
После завершения испытания экспериментальную изотерму следует сравнить с эталонной изотермой, полученной для непористого твердого тела, используя метод t-плота или αs-плота, чтобы оценить наличие микропор, мезопор или и того, и другого в исследуемом образце.
Технологическая эволюция и тенденции развития
С развитием материаловедения методы газовой адсорбции продолжали совершенствоваться в определении распределения пор по размерам. Внедрение современных теоретических методов, таких как NLDFT, значительно повысило точность характеристики микропор и мезопор. Более того, широкое использование автоматизированных приборов сделало процесс испытаний более удобным, а данные воспроизводимыми.
Будущие тенденции развития включают: более точные системы контроля температуры, более быструю технологию определения равновесия, более сложные теоретические модели и интеграцию с другими методами характеризации (такими как малоугловое рассеяние рентгеновских лучей и электронная микроскопия).
Являясь важной технической спецификацией для характеризации пористых материалов, этот стандарт предоставляет унифицированный и надежный метод испытаний для научных исследований и промышленности и имеет большое значение для содействия разработке новых материалов и контролю качества продукции.
GB/T 21650.2-2008 Ссылочный документ
- GB 3101 Количества и единицы. Общие принципы
- GB/T 19587 Определение удельной поверхности твердых тел методом адсорбции газов методом БЭТ.*， 2017-09-29 Обновление
- ISO 8213 Химическая продукция промышленного назначения; методы отбора проб; Твердые химические продукты в виде частиц от порошков до крупных комков.
- ISO 9276-1 Представление результатов анализа размера частиц — Часть 1: Графическое представление*， 2025-10-16 Обновление
GB/T 21650.2-2008 История
- 2008 GB/T 21650.2-2008 Распределение пор по размерам и пористость твердых материалов методами ртутной порометрии и газовой адсорбции. Часть 2. Анализ мезопор и макропор методом газовой адсорбции.
