3.4. Удельная поверхность порошкообразных компонентов

Удельная поверхность порошкообразных компонентов оказывает существенное влияние на технологические свойства составов, скорость разложения и окисления, скорость сгорания и т.д. Она определяется как отношение суммарной поверхности частиц порошка к единице объема или массы и выражается в м²/м³ (м²/г). Для порошкообразных материалов со сферической формой частиц ее можно рассчитать с достаточной точностью, а с неправильной формой – практически невозможно. Удельную поверхность порошков обычно определяют экспериментально, как правило, по измерению: воздухопроницаемости слоя порошка при просасывании через него воздуха с давлением, близким к атмосферному; воздухопроницаемости слоя порошка при просасывании через него разреженного воздуха; количества газа, адсорбированного на поверхности частиц материала (метод низкотемпературной адсорбции).

Метод измерения воздухопроницаемости слоя при просасывании воздуха с давлением, близким к атмосферному основан на капиллярной модели пористого тела и вязком течении (течение Пуайзеля) воздуха через систему криволинейных пор. Для определения удельной поверхности порошков по этому методу используется ряд приборов (ПСХ-2, ПСХ-4).

На рис. 1.5 показана схема прибора ПСХ-2.

Прибор состоит из кюветы с исследуемым материалом, плунжера, манометра со шкалой, резервуаром и колбой, коллектора и резиновой груши, соединенной с коллектором через кран. Кювета соединена с коллектором резиновым шлангом.

Перед проведением измерений слой исследуемого высушенного материала помещают в кювету на кружок фильтровальной бумаги, сверху укладывают еще один кружок бумаги и уплотняют плунжером. После измерения высоты слоя плунжер вынимают из кюветы. Затем под слоем создают разрежение с помощью груши, чтобы жидкость в манометре поднялась до уровня колбы. После этого кран закрывают и измеряют секундомером время, в течение которого жидкость в трубке опускается от риски I-I до риски II-II или от риски III-III до риски IV-IV.

Рис. 1.5. Схема прибора ПСХ-2:

1 – плунжер; 2 – кювета; 3 – шланг; 4 – шкала манометра;

5 – резиновая груша; 6 – кран; 7 – коллектор; 8 – колба;

9 – манометр; 10 – резервуар

Удельную поверхность ( м²/г) вычисляют по формуле

S_уд = К_i ,

где К_i – постоянная прибора для той пары рисок, для которой определялось падение давления; h – высота слоя, м; S_к – площадь поперечного сечения кюветы, м²; g – ускорение свободного падения, м/с²; ρ – плотность материала частицы, кг/м³; τ – время изменения давления между парой рисок, с; η – вязкость газа, П.

Для создания разрежения под слоем исследуемого материала вместо груши можно использовать аспиратор «Мариотта» (сосуд, из которого вытекает вода), используемый в приборе Товарова аналогичного назначения.

За рубежом среди приборов, основанных на измерении воздухопроницаемости слоя при давлениях, близких к атмосферному, известны приборы Ли и Нерса, Ригдена, Фишера, Спиллана, Гриффина, Блейка, Фридриха и др. [26].

Значения удельной поверхности, полученные на приборах такого типа, не обладают достаточной воспроизводимостью результатов, но вследствие простоты устройства и метода используются довольно широко.

Метод Б.В.Дерягина основан на течении разреженного газа через слой порошка, как через систему далеко стоящих шаров. Для определения удельной поверхности (м²/м³) им предложена формула

_{Sуд =} ,

где ε – пористость; Q – удельный молярный расход разреженного воздуха т.е. число молей газа, протекающего за единицу времени через 1 м² пористой перегородки, моль/(м²с); М – молекулярная масса воздуха, г/моль; Т – абсолютная температура; R₀ – газовая постоянная, Дж/(мольК); Δр – перепад давлений; h – высота слоя, м.

Теория Б.В.Дерягина, несмотря на ограниченность применения только для случая далеко стоящих частиц, оказалась весьма полезной. В ряде случаев значения S_уд, найденные по формуле Дерягина с использованием данных, полученных методом фильтрации разреженного воздуха, близки к значениям, полученным другими способами.

Несмотря на то, что величина S_уд, полученная по данным воздухопроницаемости, носит условный характер, приборы, работающие по этому принципу, просты, доступны и широко используются на практике.

Схема прибора Дерягина показана на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Схема прибора Дерягина для определения

удельной поверхности:

1 – цилиндр; 2 – баллон; 3, 13 – микрокраны; 4, 12, 14-18 – краны;

5, 6 – ртутные вакууметры; 7 – ртутный дифманометр;

8 – масляный дифманометр; 9 – трубка; 10 – сосуд; 11 – капилляры;

А – отросток сосуда

Предварительно высушенный исследуемый порошок помещают в цилиндр со впаянным в него фильтром и утрамбовывают до пористости, равной 0,5. Высота слоя порошка составляет 20-100 мм. Через цилиндр при помощи форвакуумного насоса прокачивают воздух. Скорость течения воздуха измеряют риометром, состоящим из сосуда, трубки и трех капилляров различного диаметра. Риометр заполняют керосином, ксилолом, диоксаном или дибутилфталатом. Воздух попадает в риометр через отросток А сосуда, а затем, проходя через один из капилляров (в зависимости от положения крана 12), поступает в цилиндр. Скорость течения воздуха через установку можно регулировать микрокранами 3 и 13. Разность давлений над и под порошком измеряют масляным или ртутным дифманометром. Для переключения манометров используют кран 15. Перед откачкой открывают краны 14, 15, 16, 17, 18 и закрывают краны 3, 13. Включая насос, открывают кран 4, затем микрокран 3 и откачивают воздух. Разрежение измеряют ртутным вакуумметром 5 или 6 (один из них запасной). После откачки закрывают краны 14 и 17. Краном 15 включают ртутный дифманометр. Поворачивая кран 13, пускают в установку воздух; насос при этом продолжает работать, протягивая воздух через установку. Для создания кнудсеновского режима течения необходимо выполнить условие:

h_Kn << ,

где h_Kn – давление под слоем, Па; α – постоянный коэффициент, равный 1,33·10^-3 Пам; S_v – ориентировочная величина определяемой удельной поверхности, м²/м³.

Удельную поверхность порошка определяют по формуле Дерягина.

Метод низкотемпературной адсорбции основан на измерении количества газа, адсорбированного исследуемым материалом в процессе физической адсорбции, имеющей место при низких температурах [25, 27]. Для определения количества адсорбированного газа широко используется уравнение Брунауэра, Эмметта и Теллера (уравнение БЭТ) для изотерм полимолекулярной адсорбции

_{V =} ^,

где V – количество адсорбированного газа при равновесном (установившемся) давлении р; р_s – давление насыщенных паров адсорбата при температуре опыта; V_m – количество газа, адсорбированного в виде насыщенного монослоя; С – энергетическая константа, определяемая из выражения

_{C =} exp ,

где Е₁ – теплота адсорбции первого слоя; Е₂ – теплота конденсации адсорбируемого газа.

Уравнение БЭТ, справедливое для однородной поверхности адсорбента, можно применять и к пористым телам при низких давлениях в диапазоне 0,05  р/р_s  0,35. Это уравнение принято записывать в форме, при которой оно принимает вид прямой:

.

Для определения удельной поверхности по уравнению БЭТ необходимо измерить количество газа, адсорбированного одним и тем же количеством порошка при нескольких значениях начального давления газа – адсорбата, и, следовательно, нескольких значениях равновесного давления. Температура опыта должна быть постоянной и соответствовать глубокому охлаждению (для обеспечения чисто физической адсорбции). Обычно для этой цели используют кипящий азот (Т_кип = 78К при атмосферном давлении).

Измерение удельной поверхности методом адсорбции дает наиболее воспроизводимые результаты и считается самым точным.