粉体比表面积测试方法对比分析及应用领域
2020-12-18 17:41:58
随着材料技术的不断发展，比表面积的测定有着广泛的应用。对颗粒材料来讲，比表面积逐渐成为与粒径同等重要的物理性能。比表面积测试方法主要分为吸附法、透气法和其它方法。其中吸附法比较常用且精度较高；透气法是根据透气速率不同来确定粉体比表面积大小，比表面测试范围和精度很有限；其它比表面积测试方法有粒度估算法、显微镜观测估算法，已很少使用。因此，下面小编着重介绍一下吸附法测试粉体比表面。
一、吸附法分类
吸附法根据吸附质的不同又分为吸碘法，吸汞法，低温氮吸附法等。吸碘法中，由于使用的碘分子直径较大，不能进入许多小孔，致使其测得数据不能完全表征粉体的比表面积，另外碘分子活性较高，对不少粉体不能适用，局限性较大；压汞法，主要用来测试大孔孔径分布，使用的吸附质--汞有毒，而且比表面测试的精度较低，已很少使用了。目前广泛应用的方法是低温氮吸附法。
低温氮吸附法根据吸附质吸附量确定方法不同分为动态色谱法，静态容量法，重量法（重量法现在基本上很少采用）等。目前比表面积仪器以动态色谱法和静态容量法为主，动态色谱法在比表面积测试方面比较有优势，静态容量法在孔径测试方面有优势。
二、动态色谱法和静态容量法对比
动态色谱法和静态容量法是目前常用的主要的比表面测试方法。两种方法比较而言动，态色谱法比较适合测试快速比表面积测试和中小吸附量的小比表面积样品（对于中大吸附量样品，静态法和动态法都可以定量的很准确），静态容量法比较适合孔径及比表面测试。
动态色谱法
静态容量法
测试原理
将粉体样品装在U型管内，通入一定比例的载气（He）和吸附质气体（N2）的混合气体，待混合气体流过样品后，根据吸附前后气体浓度变化，得到待测样品吸附量。
将待测粉体样品装在一定体积的一段封闭的试管状样品管内，向样品管内注入一定压力的吸附质气体，根据吸附前后的压力或重量变化来确定被测样品对吸附质分子（N2）的吸附量。
测试功能
比表面
比表面，孔径分布
吸附质
氮气
气体
优缺点
优点是：分析速度快，准确度好，分辨率高，尤其针对中小比表面样品，如电池材料、有机材料、金属粉体等，比表面分析下限低，重复性高。缺点是：由于分压范围低、不能测试真正的脱附等温线等限制，不适合做孔径分析。
优点是：适合比表面及孔径分析，尤其对中大比表面和孔隙发达的样品分辨率、准确度高，适合催化剂、分子筛等多孔、比表面较大样品的比表面及孔径分布分析测试。缺点是：由于定量依赖于气体状态方程，故对于蒸汽吸附的定量准确度低，不适合做蒸汽吸附。
测试范围
分压：5%~95%，对应孔径范围1.29-50nm，比表面0.01m2/g以上
分压：0.0001% ~ 99.6%，对应孔径范围0.35-500nm，比表面0.01m2/g以上
测试耗时
参比法比表面，15min/3个样品；单点BET比表面20-30min/4个样品；5点BET比表面约120min/4个样品。
单个分压点约3-10min；5点BET比表面约20-40min；40个吸附脱附点约3-10小时。
等温线类型
吸附等温线
吸附等温线、脱附等温线
是否需要抽真空
是
是
通用性
动态法仅国内采用，国外基本不用
静态容量法国际通用
平衡模式
流动态的相对平衡
一定体积内的静态平衡
三、比表面积测试相关仪器简介
1、动态法比表面积仪测试比表面积精度影响因素
测试比表面积精度和灵敏度主要取决于信噪比，因此，提高测试精度和灵敏度主要措施包括增加信号强度，消除外界干扰。
（1）增加信号强度
其方法一般有增加称样量、增加检测器电流，但增加检测器电流一般噪声也会同时增大，所以检测器电流会有个最佳范围。
（2）消除外界干扰
仪器自身的误差来源主要有：检测器温漂，信号锐度。仪器可以通过增加一些装置来消除误差，例如增加检测器恒温装置来抑制温漂，增加风热助脱装置提高信号锐度。
所以对于小比表面样品，对具有风热助脱、检测器恒温、低温冷阱的高精度动态法仪器，其灵敏度和分辨率的优势就体现出来了；但对中大比表面样品，由于信号强，普通动态法比表面积仪和静态法比表面积仪都可以保证精度。这点就像万分之一分析天平和千分之一天平的区别。
2、静态法比表面积仪测试小比表面积样品精度分析
对于小比表面积样品，如电池材料、有机材料、生物材料、金属粉体、磨料等空隙度微小的材料，由于吸附量微小，静态法测试的结果较含有风热助脱装置和检测器恒温装置的高精度动态法仪器误差大。静态法为什么在小比表面样品测试方面精度难以保证，原因如下：
以比表面积1m2/g的样品为例，该样品0.5g对氮气的吸附量在BET分压范围内在标况下约0.1ml，在测试过程中的吸附环境液氮温度下的体积约0.03ml；样品管装样部分的剩余体积（也就是背景体积）约在3-5ml左右，要在3-5ml的样品管体积中准确定量出0.03ml的总吸附量且保证精度达到3%以内，可以算出要求压力传感器的精度要达到0.03%以上；但目前进口最好的压力传感器的精度只有0.1%，而且通常比表面及孔径分析仪用的压力传感器精度为0.15%，也就是说目前最高精度的压力传感器，即使温度场理想测定，液氮面理想恒定，环境温度理想准确条件下，对吸附量确定量的不确定度也只能达到0.003ml，即不确定度达到10%；若对于比表面再小或堆积密度小也就是装样量也难以很大的样品，其准确度就可想而知了。但对于中大比表面样品，一般吸附量不会那么微小，静态法的精度很容易保证在2%，甚至1%以内便不是问题；
所以在小比表面样品的测试方面，静态法仪器测试的误差相对高精度的动态法仪器的误差大；静态法只能通过增加装样量来降低误差，常见的是静态一般都会为小比表面积样品配备大容量样品管，但由于背景体积（吸附腔体积）也随之增大，所以准确度提高也是有限的；这点是采用静态法仪器测试比表面积应考虑的因素。
四、比表面积应用领域
1、化工：吸附剂，粘合剂，油漆与涂料，石油化工
比表面积、总孔体积和孔径分布对于工业吸附剂的质量控制和分离工艺的发展非常重要，它们影响吸附剂的选择性颜料或填料的比表面积影响油漆和涂料的光泽度、纹理、颜色、颜色饱和度、亮度、固含量及成膜附着力。（孔隙度能控制油漆和涂料的应用性能，例如流动性、干燥性或凝固时间及膜厚）。
2、催化剂：石化、化工、医药、食品、农业、精细化工等领域
比表面积是表征催化剂性能的重要参数。一般来讲，催化剂表面积越大，反应物和催化剂的接触位越多，传质也更加顺畅，所以活性会大一些。含的活性中心越多，因而催化剂活性越高。催化剂的效能与比表面积关系密切，一定效能需要一定范围的比表面要求（如Co/CZ催化剂，其比表面积越大，越有助于催化剂和碳烟的接触）。
3、磁性材料：四氧化三铁、铁氧体等磁性粉末材料
以Fe3O4磁粉为例。通过对磁粒表面的改性，可以获得具有比表面积大、对油滴有较强吸附亲和性能的磁性材料，从而提高除油效果。铁氧体等磁性粉末的比表面积大小也和磁性材料的强度、耐磨性有很大关系。
4、电池行业：钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、石墨、三元材料、隔膜等电极材料
电池材料的比表面积和孔隙率是特别重要的，比表面积对浆料的配制、极片的涂布影响较大，对电池首次库仑效率和循环性能有较大影响，孔隙率大小对高倍率充放电也有重要影响，最终影响到电池的循环寿命（如石墨比表面积太大，造成首次容量损失过多，降低使用寿命。而且加的粘结剂会比较多，造成内阻增加）。
5、纳米陶瓷粉体：氧化铝、氧化锆、氧化钇、氮化硅、碳化硅等
比表面积和孔隙度影响陶胚的加工和烧结固化与成品的强度、质感、外观以及密度。釉料以及玻璃原料的比表面积影响皱缩、裂纹、表面分布的不均匀性。
如纳米陶瓷粉体的比表面和孔隙度影响陶胚的加工和烧结固化与成品的强度、质感、外观以及密度。釉料以及玻璃原料的比表面积影响皱缩、裂纹、表面分布的不均匀性。
：李波涛