CN112067531A - 一种多孔材料孔径分布测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔材料孔径分布测试方法，包括步骤一、测试多孔材料在常温常压下的热导率；二、测试多孔材料在与步骤一同温度下的真空热导率；三、计算多孔材料填充气体的气相热导率；四、根据稀薄气体温度跳跃理论和气相热导率，计算得到多孔材料的平均孔径；五、通过数理统计方法，确定多孔材料孔径分布的概率密度；六、测定多孔材料的表观密度和纯固态密度，获得多孔材料的总孔容积；七、根据多孔材料的总孔容积和孔径分布概率密度，计算多孔材料的孔容孔径分布曲线。本发明方法步骤简单，实现方便且成本低，能够有效应用在多孔材料孔径分布测试中，适用于微孔、中孔和大孔测试，测试范围更广泛，测试效果显著，便于推广。

Description

一种多孔材料孔径分布测试方法
技术领域
本发明属于材料加工制备技术领域，具体涉及一种多孔材料孔径分布测试方法。
背景技术
在材料加工制备技术领域，多孔材料孔隙率、比表面积、孔径结构的控制技术一直是技术革新的追求目标，也是实现多孔材料变为功能性材料的必要条件。多孔材料针对不同孔隙率、比表面积和孔径结构参数下，可以分别用作隔热保温材料、电绝缘材料、噪声吸收材料、空气净化材料、建筑节能材料、催化材料、吸附材料、储能材料、生物医药材料、抗腐蚀材料、机械防护材料及其他功能型材料。通过测试多孔材料的孔径分布规律，能够为多孔材料在实现特定功能方面的性能优化设计提供指导依据。
现有技术中，对多孔材料的孔径分布的测试分为直接测试方法和间接测试方法，直接测试方法一般采用氮吸附法和压汞法测量，如申请号为201710238534.1的《一种基于压汞-氮吸附联测数据确定致密储层孔径分布的方法》，压汞法在测试力学性能偏低的多孔材料时，会破坏材料本身的固有多孔结构；且压汞法一般适用于大孔测试，氮吸附法一般适用于微孔和中孔测试。间接测试方法如申请号为201911269347.5的《确定泥页岩有机孔含量和孔径分布的方法》公开的基于电子图像分析测试法，即通过图像像素分析间接测量孔径结构。相比较而言，直接测试方法准确度高于间接测试方法，但测试的成本也相对偏高。在测试精度要求不高的条件下，可以通过间接测试方法降低测试成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多孔材料孔径分布测试方法，其方法步骤简单，实现方便且成本低，能够有效应用在多孔材料孔径分布测试中，适用于微孔、中孔和大孔测试，测试范围更广泛，测试效果显著，便于推广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多孔材料孔径分布测试方法，包括以下步骤：
步骤一、测试多孔材料在常温常压下的热导率λ1；
步骤二、将所述多孔材料放入密封环境并抽真空，测试所述多孔材料在与步骤一同温度下的真空热导率λ2；
步骤三、通过热导率λ1减去真空热导率λ2，计算得到所述多孔材料填充气体的气相热导率；
步骤四、根据稀薄气体温度跳跃理论和气相热导率，计算得到所述多孔材料的平均孔径；
步骤五、通过数理统计方法，确定所述多孔材料孔径分布的概率密度；
步骤六、测定所述多孔材料的表观密度和纯固态密度，获得所述多孔材料的总孔容积；
步骤七、根据所述多孔材料的总孔容积和孔径分布概率密度，计算得到所述多孔材料的孔容孔径分布曲线。
上述的一种多孔材料孔径分布测试方法，步骤一中所述多孔材料为具有无序多孔结构的固体材料，所述多孔材料的有效孔隙率范围为0.3～0.95，密度范围为50～500kg/m3，孔径范围为2nm～2μm，热导率范围0.005～100W/mK。
上述的一种多孔材料孔径分布测试方法，步骤一中所述常温常压的温度范围为0～50℃，填充气体的绝对压力范围为96～106kPa。
上述的一种多孔材料孔径分布测试方法，步骤二中所述密封环境并抽真空包括将所述多孔材料中的填充气体抽尽，使填充气体的绝对压力不超过10Pa。
上述的一种多孔材料孔径分布测试方法，所述填充气体为空气或惰性气体。
上述的一种多孔材料孔径分布测试方法，步骤四中所述稀薄气体温度跳跃理论公式为λg＝λg 0/(1+2βΛg/D)，其中，λg为气相热导率，λg 0为多孔材料填充的气体在自由空间的热导率，β为依赖于填充气体种类的系数，Λg为填充气体的分子平均自由程，D为多孔材料的平均孔径。
上述的一种多孔材料孔径分布测试方法，步骤五中所述数理统计方法包括偏态分布函数或混合偏态分布函数。
上述的一种多孔材料孔径分布测试方法，所述偏态分布函数为
Figure BDA0002726960210000031
或
Figure BDA0002726960210000032
其中，x为孔径变量，μ为平均孔径，σ为孔径分布的标准差，λ和ε均为偏态分布函数的偏态参数；
所述混合偏态分布函数为两种偏态分布函数的线性叠加，或者为正态分布函数与两种偏态分布函数的线性叠加。
上述的一种多孔材料孔径分布测试方法，所述孔径分布的标准差σ＜0.5μ，所述偏态分布函数的偏态参数λ＞0，所述偏态分布函数的偏态参数ε＜0。
上述的一种多孔材料孔径分布测试方法，步骤六中所述多孔材料的表观密度和纯固态密度通过称重法测量，所述多孔材料的总孔容积通过表观密度和纯固态密度的倒数差获得。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明方法步骤简单，实现方便且成本低。
2、本发明通过获取多孔材料的热导率来间接测量孔径分布，相比较于压汞法和氮吸附法直接测量方法，材料的热导率获取方法非常便捷容易，可以直接通过热导率测量仪或传热计算获得，显著降低孔径分布测试的困难和测试成本。
3、本发明相比较于压汞法，在测试力学性能偏低的多孔材料时，不会破坏材料本身的固有多孔结构，对测试结果具有保真作用。
4、本发明相比较于多孔材料结构电镜扫描的图像分析方法，通过数理统计方法获得多孔材料的孔容孔径分布曲线，其物理意义和数学意义更加明晰，测试结果更具实际物理意义。
5、本发明能够有效应用在多孔材料孔径分布测试中，适用于微孔、中孔和大孔测试，测试范围更广泛，测试效果显著，便于推广。
综上所述，本发明方法步骤简单，实现方便且成本低，能够有效应用在多孔材料孔径分布测试中，适用于微孔、中孔和大孔测试，测试范围更广泛，测试效果显著，便于推广。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明实施例1二氧化硅气凝胶的孔径分布曲线；
图3为本发明实施例2活性炭粉末的孔径分布曲线。
具体实施方式
如图1所示，本发明的多孔材料孔径分布测试方法，包括以下步骤：
步骤一、测试多孔材料在常温常压下的热导率λ1；
步骤二、将所述多孔材料放入密封环境并抽真空，测试所述多孔材料在与步骤一同温度下的真空热导率λ2；
步骤三、通过热导率λ1减去真空热导率λ2，计算得到所述多孔材料填充气体的气相热导率；
步骤四、根据稀薄气体温度跳跃理论和气相热导率，计算得到所述多孔材料的平均孔径；
步骤五、通过数理统计方法，确定所述多孔材料孔径分布的概率密度；
步骤六、测定所述多孔材料的表观密度和纯固态密度，获得所述多孔材料的总孔容积；
步骤七、根据所述多孔材料的总孔容积和孔径分布概率密度，计算得到所述多孔材料的孔容孔径分布曲线。
实施例1
本实施例中，多孔材料选用二氧化硅气凝胶，其有效孔隙率为0.94，密度为125kg/m3，按照瞬态热线法热导率测量仪制成测试样品，将二氧化硅气凝胶干燥50min放至室温，待测试样品温度与室温相同后，将其放入热导率测量仪，测得其有效热导率λ1为0.0197W/mK；再将测试系统放入密封箱内，将腔内压力抽真空至10Pa，测得测试样品真空热导率λ2为0.0158W/mK；两者之差得到气相热导率λg为0.0039W/mK。
本实施例中，填充气体为空气。
本实施例中，根据稀薄气体温度跳跃理论公式λg＝λg 0/(1+2βΛg/D)，计算出二氧化硅气凝胶的平均孔径D为38.29nm。
本实施例中，数理统计方法中的偏态分布函数选用
Figure BDA0002726960210000051
其中，μ的值为38.29nm，为确保95％以上的孔被统计，σ取值18nm(<0.5μ)，ε取值-0.3。
具体实施时，选择密度为90～180kg/m3的4组二氧化硅气凝胶的孔径分布实验曲线(本实施例选取了基于氮吸附法的BJH实验曲线)，通过与偏态分布函数的逼近，得到ε基本介于-0.32～-0.26，因此本实施例选择ε＝-0.3对孔径分布进行估计。
本实施例中，通过称重法测得二氧化硅气凝胶测试样品的密度为121kg/m3，纯固体二氧化硅基体密度参考石英密度2.2～2.6g/cm3，选取2.2g/cm3，得到孔容积为7.8cm3/g。
本实施例中，将偏态分布函数与孔容积相乘，得到二氧化硅气凝胶最终的孔径分布曲线，如图2所示，反应了二氧化硅气凝胶测试样品的不同孔径对孔容积的贡献率，该曲线呈单峰分布。
实施例2
本实施例中，多孔材料选用活性炭粉末，其有效孔隙率为0.7，密度为450kg/m3，测得其有效热导率λ1为0.0324W/mK；测得测试样品真空热导率λ2为0.0277W/mK；两者之差得到气相热导率λg为0.0047W/mK。
本实施例中，根据稀薄气体温度跳跃理论公式λg＝λg 0/(1+2βΛg/D)，计算出活性炭粉末的平均孔径D为47nm。
本实施例中，数理统计方法中的偏态分布函数选用
Figure BDA0002726960210000061
其中，μ的值为47nm，为确保能够统计到活性炭粉末97％以上的孔，σ取值15.67nm(<0.5μ)，偏态分布参数ε选取-0.3，用于孔径分布估计。
本实施例中，通过称重法测得活性炭粉末的密度为4.4g/cm3，纯碳的密度取非成型的石墨炭黑密度1.45g/cm3，得到活性炭的孔容积约为1.583cm3/g。
本实施例中，将偏态分布函数与孔容积相乘，得到活性炭粉末最终的孔径分布曲线，如图3所示，呈单峰分布。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多孔材料孔径分布测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、测试多孔材料在常温常压下的热导率λ1；
步骤二、将所述多孔材料放入密封环境并抽真空，测试所述多孔材料在与步骤一同温度下的真空热导率λ2；
步骤三、通过热导率λ1减去真空热导率λ2，计算得到所述多孔材料填充气体的气相热导率；
步骤四、根据稀薄气体温度跳跃理论和气相热导率，计算得到所述多孔材料的平均孔径；
步骤五、通过数理统计方法，确定所述多孔材料孔径分布的概率密度；
步骤六、测定所述多孔材料的表观密度和纯固态密度，获得所述多孔材料的总孔容积；
步骤七、根据所述多孔材料的总孔容积和孔径分布概率密度，计算得到所述多孔材料的孔容孔径分布曲线。
2.按照权利要求1所述的一种多孔材料孔径分布测试方法，其特征在于：步骤一中所述多孔材料为具有无序多孔结构的固体材料，所述多孔材料的有效孔隙率范围为0.3～0.95，密度范围为50～500kg/m3，孔径范围为2nm～2μm，热导率范围0.005～100W/mK。
3.按照权利要求1所述的一种多孔材料孔径分布测试方法，其特征在于：步骤一中所述常温常压的温度范围为0～50℃，填充气体的绝对压力范围为96～106kPa。
4.按照权利要求1所述的一种多孔材料孔径分布测试方法，其特征在于：步骤二中所述密封环境并抽真空包括将所述多孔材料中的填充气体抽尽，使填充气体的绝对压力不超过10Pa。
5.按照权利要求3或4所述的一种多孔材料孔径分布测试方法，其特征在于：所述填充气体为空气或惰性气体。
6.按照权利要求1所述的一种多孔材料孔径分布测试方法，其特征在于：步骤四中所述稀薄气体温度跳跃理论公式为λg＝λg 0/(1+2βΛg/D)，其中，λg为气相热导率，λg 0为多孔材料填充的气体在自由空间的热导率，β为依赖于填充气体种类的系数，Λg为填充气体的分子平均自由程，D为多孔材料的平均孔径。
7.按照权利要求1所述的一种多孔材料孔径分布测试方法，其特征在于：步骤五中所述数理统计方法包括偏态分布函数或混合偏态分布函数。
8.按照权利要求7所述的一种多孔材料孔径分布测试方法，其特征在于：所述偏态分布函数为
Figure FDA0002726960200000021
或
Figure FDA0002726960200000022
其中，x为孔径变量，μ为平均孔径，σ为孔径分布的标准差，λ和ε均为偏态分布函数的偏态参数；
所述混合偏态分布函数为两种偏态分布函数的线性叠加，或者为正态分布函数与两种偏态分布函数的线性叠加。
9.按照权利要求8所述的一种多孔材料孔径分布测试方法，其特征在于：所述孔径分布的标准差σ＜0.5μ，所述偏态分布函数的偏态参数λ＞0，所述偏态分布函数的偏态参数ε＜0。
10.按照权利要求1所述的一种多孔材料孔径分布测试方法，其特征在于：步骤六中所述多孔材料的表观密度和纯固态密度通过称重法测量，所述多孔材料的总孔容积通过表观密度和纯固态密度的倒数差获得。
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