فناوری نانو مواد نانومتخلخل -اندازهگیری و تعیین میزان تخلخل و توزیع اندازه حفرهها در مواد جامد با استفاده از روش جذب سطحی گاز – تحلیل ماکرو حفرهها مزو حفرهها و میکروحفرهها
Nanotechnologies- Nanoporous materials-Measurement and determination of pore size distribution and porosity of solid materials by gas adsorption- Analysis of macropores, mesopores, and micropores
شماره:
8706
سال انتشار:
1399
به طور کلی، انواع مختلف حفرهها به صورت روزنه کانال یا فرورفتگیهایی در داخل یک جسم جامد یا فضای شکاف یا فضاهای خالی بین ذرات جامد در یک بستر به صورت فشرده یا انبوهه قابل مشاهدهاند. تخلخل اصطلاحی است که اغلب برای نشان دادن طبیعت متخلخل ماده جامد به کار میرود و به صورت دقیقتر به عنوان نسبت حجم قابل دسترس خلل و فرج به کل حجم جامد مورد نظر تعریف میشود. علاوه بر تخلخلهای قابل دسترس، یک جامد میتواند شامل حفرههای بسته هم باشد که از سطوح خارجی غیر قابل دسترس بوده و سیالات قادر به نفوذ به درون آنها نباشند. مشخصهیابی حفرههای بسته یعنی حفرههایی که به سطح بیرونی دسترسی ندارند در این استاندارد بررسی نمیشود.
مواد متخلخل ممکن است به شکل پودرهای ریز و درشت مواد متراکم اکسترود، ورقه یا مونولیت باشند. مشخصهیابی آنها معمولا شامل توزیع اندازه حفرهها و حجم کل حفره یا تخلخل است. در برخی مواقع حتی مطالعه شکل حفرهها، نحوه ارتباط آنها با یکدیگر و تعیین مساحت سطح داخلی و خارجی آنها ضروری است. مواد متخلخل به ویژه نانومتخلخلها از نظر فناوری از اهمیت بالایی برخوردارند و در زمینههای زیر کاربرد دارند:
الف – رهایش کنترل شده دارو؛
ب – کاتالیزگرها؛
پ – جداسازی گاز؛
ت – فرآیندهای فیلتر کردن؛
ت – فراوری مواد؛
ج – حفاظت محیط زیست و کنترل آلودگی؛
چ – سنگهای ذخیرهساز طبیعی؛
ح – مصالح ساختمانی؛
خ – صنایع پلیمر و سرامیک
امروزه به خوبی اثبات شده است که عملکرد مواد جامد متخلخل مانند استحکام واکنشپذیری، نفوذپذیری یا قدرت جذب به ساختار حفرههای آن بستگی دارد روشهای مختلف زیادی برای مشخصهیابی ساختار حفرهها توسعه یافته است. با توجه به پیچیدگی اغلب جامدات متخلخل دست یافتن به نتایج یکسان همیشه مقدور نیست و نمیتوان به یک روش مجزا برای دستیابی به تصویر کاملی از ساختار حفره اکتفا کرد. انتخاب مناسبترین روش به نوع کاربرد ماده متخلخل، طبیعت شیمیایی و فیزیکی آن و محدوده اندازه حفره بستگی دارد.
این روشها عبارتند از:
الف – تخلخل سنجی به کمک جیوه که در آن حفره تحت فشار با جیوه پر میشود. این روش برای بسیاری از مواد با تخلخلهای با قطر تقریبی ۰٫۰۰۳ میکرون تا ۴۰۰ میکرون و به ویژه در گستره قطری ۰٫۱ میکرون تا ۱۰۰ میکرون مناسب است.
ب – آنالیز مزو حفرهها و ماکرو حفرهها با جذب گاز، که در آن حفرهها به وسیله جذب یک گاز مانند نیتروژن، در دمای نیتروژن مایع مشخصهیابی میشوند. این روش برای اندازهگیری حفرههایی با قطر تقریبی ۰٫۰۰۲ میکرون تا ۰٫۱ میکرون (۲ نانومتر تا ۱۰۰ نانومتر) به کار میرود و این روش، بخش الحاقی به روش تخمین سطح است به استاندارد ملی ایران شماره ۱۴۵۲۵ سال ۱۳۹۱ مراجعه شود. روشهای آنالیز توزیع حفرهها با اندازههای دیگر در بند ۷ همین استاندارد ارائه شده است.
پ – آنالیز میکرو حفرهها با جذب گاز که حفرهها در آن به وسیله جذب گازی مانند نیتروژن در دمای نیتروژن مایع اندازهگیری میشوند این روش برای اندازهگیری حفرههایی با قطر تقریبی ۰٫۴ نانومتر تا ۲ نانومتر به کار میرود.
هدف از تدوین این استاندارد
هدف از تدوین این استاندارد ارائه روشهای اندازهگیری و تعیین میزان تخلخل و توزیع اندازه حفرهها در مواد جامد با استفاده از روش جذب سطحی گاز برای ماکرو حفرهها مزو حفرهها و میکرو حفرهها است. این روش بیشتر یک آزمون مقایسهای است این روش به اندازهگیری مقدار گاز جذب شده در واحد جرم تحت دمای ثابت کنترل شده محدود میشود.
شماره استاندارد ملی ایران:
8706
سال انتشار:
1399
فناوری نانو مواد نانومتخلخل -اندازهگیری و تعیین میزان تخلخل و توزیع اندازه حفرهها در مواد جامد با استفاده از روش جذب سطحی گاز – تحلیل ماکرو حفرهها مزو حفرهها و میکروحفرهها
Nanotechnologies- Nanoporous materials-Measurement and determination of pore size distribution and porosity of solid materials by gas adsorption- Analysis of macropores, mesopores, and micropores
به طور کلی، انواع مختلف حفرهها به صورت روزنه کانال یا فرورفتگیهایی در داخل یک جسم جامد یا فضای شکاف یا فضاهای خالی بین ذرات جامد در یک بستر به صورت فشرده یا انبوهه قابل مشاهدهاند. تخلخل اصطلاحی است که اغلب برای نشان دادن طبیعت متخلخل ماده جامد به کار میرود و به صورت دقیقتر به عنوان نسبت حجم قابل دسترس خلل و فرج به کل حجم جامد مورد نظر تعریف میشود. علاوه بر تخلخلهای قابل دسترس، یک جامد میتواند شامل حفرههای بسته هم باشد که از سطوح خارجی غیر قابل دسترس بوده و سیالات قادر به نفوذ به درون آنها نباشند. مشخصهیابی حفرههای بسته یعنی حفرههایی که به سطح بیرونی دسترسی ندارند در این استاندارد بررسی نمیشود.
مواد متخلخل ممکن است به شکل پودرهای ریز و درشت مواد متراکم اکسترود، ورقه یا مونولیت باشند. مشخصهیابی آنها معمولا شامل توزیع اندازه حفرهها و حجم کل حفره یا تخلخل است. در برخی مواقع حتی مطالعه شکل حفرهها، نحوه ارتباط آنها با یکدیگر و تعیین مساحت سطح داخلی و خارجی آنها ضروری است. مواد متخلخل به ویژه نانومتخلخلها از نظر فناوری از اهمیت بالایی برخوردارند و در زمینههای زیر کاربرد دارند:
الف – رهایش کنترل شده دارو؛
ب – کاتالیزگرها؛
پ – جداسازی گاز؛
ت – فرآیندهای فیلتر کردن؛
ت – فراوری مواد؛
ج – حفاظت محیط زیست و کنترل آلودگی؛
چ – سنگهای ذخیرهساز طبیعی؛
ح – مصالح ساختمانی؛
خ – صنایع پلیمر و سرامیک
امروزه به خوبی اثبات شده است که عملکرد مواد جامد متخلخل مانند استحکام واکنشپذیری، نفوذپذیری یا قدرت جذب به ساختار حفرههای آن بستگی دارد روشهای مختلف زیادی برای مشخصهیابی ساختار حفرهها توسعه یافته است. با توجه به پیچیدگی اغلب جامدات متخلخل دست یافتن به نتایج یکسان همیشه مقدور نیست و نمیتوان به یک روش مجزا برای دستیابی به تصویر کاملی از ساختار حفره اکتفا کرد. انتخاب مناسبترین روش به نوع کاربرد ماده متخلخل، طبیعت شیمیایی و فیزیکی آن و محدوده اندازه حفره بستگی دارد.
این روشها عبارتند از:
الف – تخلخل سنجی به کمک جیوه که در آن حفره تحت فشار با جیوه پر میشود. این روش برای بسیاری از مواد با تخلخلهای با قطر تقریبی ۰٫۰۰۳ میکرون تا ۴۰۰ میکرون و به ویژه در گستره قطری ۰٫۱ میکرون تا ۱۰۰ میکرون مناسب است.
ب – آنالیز مزو حفرهها و ماکرو حفرهها با جذب گاز، که در آن حفرهها به وسیله جذب یک گاز مانند نیتروژن، در دمای نیتروژن مایع مشخصهیابی میشوند. این روش برای اندازهگیری حفرههایی با قطر تقریبی ۰٫۰۰۲ میکرون تا ۰٫۱ میکرون (۲ نانومتر تا ۱۰۰ نانومتر) به کار میرود و این روش، بخش الحاقی به روش تخمین سطح است به استاندارد ملی ایران شماره ۱۴۵۲۵ سال ۱۳۹۱ مراجعه شود. روشهای آنالیز توزیع حفرهها با اندازههای دیگر در بند ۷ همین استاندارد ارائه شده است.
پ – آنالیز میکرو حفرهها با جذب گاز که حفرهها در آن به وسیله جذب گازی مانند نیتروژن در دمای نیتروژن مایع اندازهگیری میشوند این روش برای اندازهگیری حفرههایی با قطر تقریبی ۰٫۴ نانومتر تا ۲ نانومتر به کار میرود.
هدف از تدوین این استاندارد
هدف از تدوین این استاندارد ارائه روشهای اندازهگیری و تعیین میزان تخلخل و توزیع اندازه حفرهها در مواد جامد با استفاده از روش جذب سطحی گاز برای ماکرو حفرهها مزو حفرهها و میکرو حفرهها است. این روش بیشتر یک آزمون مقایسهای است این روش به اندازهگیری مقدار گاز جذب شده در واحد جرم تحت دمای ثابت کنترل شده محدود میشود.