DE3839290A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der spezifischen oberflaeche an poroesen oder pulverfoermigen stoffen durch messen der spin-gitter-relaxationsgeschwindigkeit von protonen eines impraegniermittels - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der spezifischen oberflaeche an poroesen oder pulverfoermigen stoffen durch messen der spin-gitter-relaxationsgeschwindigkeit von protonen eines impraegniermittels

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der spezifischen Oberfläche s NMR an porösen oder pulverförmigen Stoffen durch Messen der Spin-Gitter- Relaxationsgeschwindigkeit von Austauschprotonen eines Imprägniermittels durch Anwendung kernmagnetischer Resonanz. Die auf diese Art bestimmte Oberfläche s NMR entspricht der vom Imprägniermittel benetzten Oberfläche der nach außen geöffneten Poren in Maßeinheit des untersuchten Stoffes; die Oberfläche s NMR gleicht folglich der Oberfläche einer monomolekularen Imprägniermittelschicht, die in einer aus dem untersuchten Stoff bestehenden Probe nach einem lange dauernden Abziehen des Imprägniermittels übrigbleibt. Das Abziehen des Imprägniermittels geschieht durch das Verdampfen bei einem unter dem Sättigungsdampfdruck des Imprägniermittels für die gegebene Temperatur liegenden Druck. Das ist sehr wichtig, denn das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch um eine Größenordnung schneller als das bekannte Verfahren und deswegen zum Untersuchen verschiedenartiger Vorgänge an den Oberflächen, z. B. der Hydratation des Zements, geeignet. Ein an einen Vakuumpumpsatz angeschlossenes Meßgefäß mit der Probe ist in einer thermostat­ geregelten Sonde eines Spektrometers für die magnetische Kernresonanz untergebracht.
Aus der Veröffentlichung "The Determination of Surface Development in Cement Pastes by Nuclear Magnetic Resonance", J. Am. Cer. Soc., 65 (1982) 25-31, ist ein Verfahren zum Bestimmen der spezifischen Oberfläche s NMR an einem porösen oder pulver­ förmigen Stoff durch Messen der Spin-Gitter-Relaxations­ geschwindigkeit von Protonen eines Imprägniermittels durch Anwendung kernmagnetischer Resonanz bekannt.
Es wird eine Probe aus dem untersuchten Stoff (Masse m), der mit dem Imprägniermittel (Masse m i) bis zum Durchtränkungsgrad m i/m durchtränkt wird, hergestellt. Das Imprägniermittel soll nicht mit dem untersuchten Stoff chemisch gebunden und auch nicht durch den genannten Stoff okkludiert werden. Als Imprägniermittel werden z. B. H₂O, C₂H₅OH, C₆H₁₂, C₃H₇OH und andere Flüssigkeiten angewendet. Die Probe eines porösen Stoffes wird hergestellt, indem der Stoff im Vakuum imprägniert wird (M i/M ≅ 0,1), und die Probe eines pulverförmigen Stoffes, indem der Stoff mit dem Imprägniermittel zu einer Paste (m i/M ≅ 0,1÷0,5) geknetet wird. Die Probe wird in ein Probierröhrchen gegeben, das vorzugsweise mit Löchern versehen ist, um die Ausdünstung des Imprägniermittels zu fördern. Mit einem Spektrometer für magnetische Kernresonanz mit kohärenten Impulsen wird die effektive Relaxationszeit T 1,ef der Imprägniermittelprotonen gemessen, und zwar bei einigen Durchtränkungswerten m i/m innerhalb des Linearverlaufs im Graph T , ef vs·(m i/m) -1 und bei sehr geringen Durchtränkungswerten m i/m nach einer lange dauernden Ausdünstung des Imprägniermittels, wenn sich die effektive Relaxationszeit T 1,ef der Relaxationszeit T 1,b der Protonen in den Imprägniermittelmolekülen nähert, die in einer monomolekularen Schicht an der Oberfläche adsorbiert geblieben sind.
Die durch magnetische Resonanz bestimmte spezifische Oberfläche s NMR ist durch die Neigung des erwähnten Linearverlaufs der Kurve T , ef vs·(m 1 /m) -1 durch den folgenden Ausdruck gegeben:
S₁ ist die durch ein Imprägniermittelmolekül mit einem Molgewicht M i bedeckte Fläche und N l ist die Loschmidtzahl.
Das Imprägniermittel wird der Probe durch seine Ausdünstung abgezogen, was ein langwieriges Verfahren zur Folge hat. Die Imprägniermitteldünste schlagen sich an den Wänden des Probier­ röhrchens nieder, was ein genaues Messen der Masse m i des Imprägniermittels in der Probe, worin es noch ungleichmäßig verteilt ist, unmöglich macht. Nachteilig ist das beschriebene Verfahren auch darin, daß es nicht für den Fall geeignet ist, wenn die Relaxationsgeschwindigkeit der Protonen im Imprägniermittel "in situ" bei der erwarteten Verfahrensgenauigkeit gegenüber der Relaxationsgeschwindigkeit der Protonen in der adsorbierten Imprägniermittelschicht nicht unerheblich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der genannten Art zu schaffen, das ein rasches Abziehen des Imprägniermittels von einer mit ihm durchtränkten Probe aus dem untersuchten Stoff und die gleichmäßige Verteilung des Imprägniermittels im Probevolumen ermöglichen sowie das Niederschlagen der Dämpfe des Imprägniermittels an den Wänden des Meßgefäßes verhindern wird, wodurch die Genauigkeit des Verfahrens gesteigert werden soll, und das Bestimmen der spezifischen Oberfläche eines porösen oder pulverförmigen Stoffes ermöglichen wird, bei dem nebst der Relaxationsgeschwindigkeit der Protonen in der adsobierten Schicht des Imprägniermittels auch die Relaxationsgeschwindigkeit der Protonen des Imprägniermittels "in situ" berücksichtigt werden muß.
Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen, wobei die Vorrichtung während einer fortdauernden Messung der Intensität des KMR-Signals ein rasches Abziehen des Imprägniermittels von der mit diesem Mittel durchtränkten Probe ermöglichen wird, ohne daß dabei Brocken der Probe abgezogen würden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 6 festgelegten Merkmalen gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht vor allem darin, daß es wesentlich schneller als das bekannte Verfahren ist, denn bei einem Druck unter dem Sättigungsdampfdruck des Imprägniermittels sinkt der Durchtränkungsgrad der Probe mit dem Imprägniermittel schnell ab, wobei jedoch im Falle eines pulverförmigen untersuchten Stoffes ein Abziehen dessen Brocken verhindert wird.
Die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens übersteigt die Genauigkeit des bekannten Verfahrens, weil durch den niedrigen Druck um die Probe das Niederschlagen des Imprägniermittels an den Wänden des Meßgefäßes verhindert wird und das Imprägniermittel in der Sonde gleichmäßiger verteilt ist.
Neben den genannten Vorteilen wird durch das erfindungsgemäße Verfahren auch das Bestimmen der spezifischen Oberfläche eines Stoffes genannter Art möglich, bei dem neben der Relaxationsgeschwindigkeit der Protonen in einer adsorbierten Imprägniermittelschicht auch die Relaxationsgeschwindigkeit der Protonen in einer "in situ" Probe des Imprägniermittels berücksichtigt werden muß.
Bei der Lösung der gestellten Aufgabe bezüglich der Vorrichtung greift die Erfindung fürwahr auf einzeln bekannte Mittel zurück. Der Wert der Erfindung ist jedoch dadurch nicht vermindert, denn durch das funktionelle Zusammenfügen dieser Merkmale wird ein besonders vorteilhaftes Wirken erreicht, wie es z. B. die Eignung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für das Verfolgen des Zeitverlaufs der Entwicklung der Oberfläche einer Probe ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 2 einen Graph des reziproken Wertes der effektiven Relaxationszeit T 1,ef vs · den reziproken Wert des Durchtränkungsgrades m i/m des untersuchten Stoffes mit einem Imprägniermittel,
Fig. 3 einen Graph der effektiven Relaxationszeit T 1,ef vs · den Durchtränkungsgrad m i/m für dessen kleine Werte.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt, die in Fig. 1 dargestellt ist und aus einem Meßgefäß 1, einem Spektrometer 2 für magnetische Kernresonanz mit kohärenten Impulsen und einem Vakuumpumpsatz 3 besteht.
Das Meßgefäß 1 besteht aus einem rohrförmigen Zylinder 11, in den ein Zentrierring 12 dichtend in die Nähe der Austrittsöffnung 111 des Zylinders 11 eingelegt ist. Durch den Zentrierring 12 ist ebenso dichtend ein Stützröhrchen 13 gelegt. An das Stützröhrchen 13, und zwar an sein zum Meßgefäßboden 112 gewandtes Ende, ist ein für den Imprägniermitteldampf durchlässiger Deckel 14 angelehnt. Der Deckel 14 liegt an seinem ganzen Umfang dicht an die innere Wand des Zylinders 11 auf. Der Zylinder 11 und das Stützröhrchen 13 sind vorzugsweise aus Glas gefertigt, der durchlässige Deckel 14 besteht vorzugsweise aus einer Glasfaserschicht.
An den Zylinder 11 ist ein Saugrohr 311 des Vakuumpumpsatzes 3 dichtend angebracht. Das Saugrohr 311 ist durch ein Ventil 321 und ein Saugrohr 312 an einen Vakuumbehälter 33 angeschlossen. Der Vakuumbehälter 33 ist vorzugsweise mit einem Vakuummeter 331 ausgestattet und vorzugsweise mit einem Exsikkator 332 versehen. Weiterhin ist an den Vakuumbehälter 33 über Saugrohre 313, 314, die durch ein Ventil 322 verbunden sind, eine Aussaugpumpe 34 angeschlossen. Das Saugrohr 313 ist durch ein Ventil 323 mit der Atmosphäre verbunden. Als Aussaugpumpe 34 wird vorzugsweise eine Rotationspumpe angewendet.
Das Meßgefäß 1 mit einer Probe P wird in eine thermostat­ geregelte Sonde 21 des Spektrometers 2 für magnetische Kernresonanz gelegt. Die Sonde 21 ist an eine Radiofrequenzspeise- und Anzeigeschaltung 23 des Spektrometers 2 angeschlossen und zwischen seine Polschuhe 22 gelegt.
Die Probe P, deren untersuchter Stoff wie im Stand der Technik beschrieben imprägniert wird, wird in den rohrförmigen Zylinder 11 des Meßgefäßes 1 gelegt und mit dem durchlässigen Deckel 14 bedeckt, der gegenüber dem Meßgefäß 1 befestigt wird. Die Oberfläche des Deckels 14 soll viel kleiner als die zu bestimmende Oberfläche des untersuchten Stoffes sein. Durch die Aussaugpumpe 34 wird ein Vakuum mit dem Unterdruck, der in der Größenordnung 1 mbar und damit unter dem Sättigungsdampfdruck des Imprägniermittels liegt, erzeugt. Durch den Deckel 14 wird verhindert, daß beim Einschalten der Aussaugpumpe 34 Brocken der Probe P abgezogen werden. Zum selben Zweck wird beim Einschalten der Aussaugpumpe 34 auch die Saugwirkung vermindert, indem das Ventil 323 entsprechend geöffnet wird.
Das Imprägniermittel wird der Probe P durch Verdampfen rasch abgezogen. Dabei wird das KMR-Signal der freien Präzession der Protonen des Imprägniermittels beobachtet. Das Abziehen des Imprägniermittels wird bei einigen Intensitätswerten I dieses Signals unterbrochen, wobei diese Werte nach einer vorher ermittelten Eichkurve I vs · m i/m den Durchtränkungsgraden m i/m innerhalb eines Intervalls mit dem linearen Verlauf des reziproken Wertes der effektiven Relaxationszeit T 1,ef gegenüber dem reziproken Wert des Durchtränkungsgrades m i/m (Fig. 2) entsprechen. Es wird bei diesen Durchtränkungswerten m i/m die Spin-Gitter-Relaxationsgeschwindigkeit der Protonen des Imprägniermittels gemessen. Einige Moleküle der Imprägniermittelschicht sind an der Oberfläche des untersuchten Stoffes absorbiert, die anderen sind jedoch von dieser Oberfläche nicht beeinflußt und verhalten sich wie in einer Probe des reinen Imprägniermittels. Wegen des Austausches zwischen den Imprägniermittelmolekülen in beiden genannten Phasen wird eine effektive Relaxationszeit gemessen, die vom Verhältnis der Anzahl der Moleküle des Imprägniermittels in beiden Phasen abhängt.
Das Auflösungsvermögen des Spektrometers 2 soll für das Beobachten des Imprägniermittels in den Poren des untersuchten Stoffes sogar bis zur Bildung einer monomolekularen, an den Wänden der Poren adsorbierten Schicht ausreichen. Diese Summe der Dauer eines π/2 Impulses und der Totzeit soll um eine Größenordnung unter der Dauer des Signals der freien Präzession liegen.
Ausführungsbeipiel I
Eine Probe mit dem Durchtränkungsgrad m i/m = 0,32 wurde aus industriegemahlenem Zement PCP (Salonit Anhovo, 4.6.1987) und aus destilliertem Wasser durch ein 2 Minuten dauerndes Mischen hergestellt. 1,3 g der Probe wurde in das Meßgefäß 1 gelegt und mit einem durchlässigen Deckel 14, bestehend aus einer 1 mm dicken und 0,2 g schweren Schicht der Glasfasern der Firma Owens Corning mit der spezifischen Oberfläche s NMR = 50 m²/g bedeckt. Die Messung verlief bei Raumtemperatur; es wurde bei der Resonanzfrequenz von 46 MHz des KMR-Spektrometers 2 mit zwei π/2 Impulsen und einer veränderlichen Zeit zwischen den Impulsen gemessen. Die Intensität der Signale der freien Präzession wurde 15 µs nach den π/2 Impulsen gemessen. Nachdem die effektive Anfangsrelaxationszeit T 1,ef gemessen wurde, wurde im Meßgefäß ein Druck von ungefähr 10 mbar hergestellt, wobei das Meßgefäß 1 in der Sonde 21 des Spektrometers 2 eingelegt war. Das Wasser fing zu Verdampfen an.
Es wurde die Intensität I des Spektrometersignals beobachtet und bei bestimmten Intensitätswerten wurde das Meßgefäß 1 vom Vakuumpumpsatz 3 getrennt. Jedesmal wurde durch Wiegen der Durchtränkungsgrad m i/m bestimmt und die dazugehörige effektive Relaxationszeit T 1,ef gemessen. Das Messen verlief folgendermaßen (Fig. 2):
Aus dem Graph in Fig. 2 wurde die Neigung der Geraden bestimmt:
Nachher wurden bei einem stark vermindertem Durchtränkungsgrad m i/m der Probe während des fortdauernden Verdampfens des Wassers die effektiven Relaxationszeiten T 1,ef gemessen, deren Werte sich der Relaxationszeit T 1b näherten (Fig. 3): 7,6 ms, 7,6 ms, 7,7 ms, 7,3 ms, 7,6 ms, 6,5 ms, 6,5 ms, 7,1 ms, 6,7 ms, 6,9 ms, 6,3 ms, 7,0 ms, 6,8 ms, 6,3 ms, 6,1 ms, 6,4 ms, 6,3 ms, 6,0 ms, 5,8 ms, 5,8 ms, 5,7 ms, 5,8 ms, 6,1 ms, 6,1 ms, 6,1 ms.
Das Messen der effektiven Relaxationszeit T 1,ef wurde nach weniger als 20 Minuten beendet, sobald der Korrelations­ koeffizient r² wegen des weiteren Verdampfens und der Intensitätsverminderung aufgrund der langsamen Hydratation des Zementes unter 0,99 zu sinken begann. Das Ergebnis dieser Messung war T 1b = 6,0 (1±0,05) ms.
Aus dem Ausdruck zum Bestimmen der spezifischen Oberfläche s MNR nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde die spezifische Oberfläche des industriegemahlenen Zementes PCP errechnet:
s NMR = 175 (1±0,07) m²/g.
Das ganze Verfahren dauerte 90 Minuten. Die Messungen zur Bestimmung der spezifischen Oberfläche des Zementes wurden daher innerhalb des Ruhezustandes bezüglich der Hydratation des Zementes durchgeführt.
Ausführungsbeispiel II
Eine Probe mit dem Durchtränkungsgrad m i/m = 0,16 wurde im Vakuum durch Imprägnieren eines abgebröckelten Teiles eines Modularblocks aus Tonerde mit Wasser hergestellt. Danach verlief das Verfahren wie im Ausführungsbeispiel I. Es wurde die spezifische Oberfläche des untersuchten Modularblocks ermittelt:
s MNR = 310 (1±0,07) m²/g.
Ausführungsbeispiel III
Eine Probe mit dem Durchtränkungsgrad m i/m = 0,20 wurde durch Mischen von in einer Reibschale handgemahlenem Trikalziumsilikat (mit Beimischung von 3 Gew.-% Fe₂O₃) und Aethanol hergestellt. Es wurde wie im Ausführungsbeispiel I:
Aufgrund von 7 aufeinanderfolgenden Meßwerten T 1,ef wurde in 5 Minuten T 1,b = 130 (1±0,06) ms bestimmt, wobei die Aethanoldämpfe mit Hilfe von 100 g des im Exsikkator 332 eingebrachten Silikatgels abgezogen wurden.
Es wurde die spezifische Oberfläche des untersuchten Stoffes bestimmt:
s MNR = 15 (1±0,07) m₂/g.

Claims (9)

1. Verfahren zum Bestimmen der spezifischen Oberfläche an porösen oder pulverförmigen Stoffen durch Messen der Spin-Gitter- Relaxationsgeschwindigkeit von Protonen eines Imprägniermittels, wobei in diesem Verfahren einer Probe P, aus dem genannten, bis zum Durchtränkungsgrad m i/m mit einem Imprägniermittel, das nicht mit diesem Stoff chemisch gebunden und auch nicht durch diesen Stoff okkludiert wird, durchtränkten Stoff besteht, das Imprägniermittel abgezogen wird und bei einigen Werten des Durchtränkungsgrades m i/m mit einem Spektrometer 2 für magnetische Kernresonanz auf kohärente Impulse eine effektive Spin-Gitter-Relaxationszeit T 1,ef der sich aus­ tauschenden Imprägniermittelprotonen gemessen wird, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß das Imprägniermittel der Probe (P) durch Verdampfen abgezogen wird, wobei der Druck um die Probe (P) unter dem Sättigungsdampfdruck des Imprägniermittels für die Temperatur der Probe liegt,
daß die Intensität I des Spektrometersignals beobachtet wird und bei einigen Werten der Intensität I, die nach einer vorher ermittelten Eichkurve I vs · m i/m den Durchtränkungsgraden m i/m innerhalb eines Intervalls mit dem linearen Verlauf des reziproken Wertes der Relaxationszeit T 1,ef gegenüber dem reziproken Wert des Durchtränkungsgrades m i/m entsprechen, das Abziehen des Imprägniermittels unterbrochen wird,
daß vor dem Beginn des Abziehens des Imprägniermittels und nach jeder Unterbrechung des Abziehens durch das Wiegen der Durchtränkungsgrad m i/m bestimmt und die Relaxationszeit T 1,ef gemessen wird,
daß eine Relaxationszeit T 1b gemessen wird, der sich während des fortdauernden Abziehens des Imprägniermittels die Relaxationszeit T 1,ef nähert
und daß die spezifische Oberfläche s NMR nach dem Ausdruck ausgerechnet wird, wobei A eine von Molekülen in 1 g des Imprägniermittels bedeckte Fläche bedeutet, 1/T 1a den Abschnitt an der Ordinatenachse und Δ T , ef /Δ (m i/m) -1 die Neigung der Geraden im Graph T , ef vs · (mi/m) -1 bedeuten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (P) während des Abziehens des Imprägniermittels und des Messens der Relaxationszeit T 1,ef thermostatgeregelt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (P) mit einem durchlässigen, gegenüber einem Meßgefäß (1) fixierten Deckel (14) bedeckt ist, dessen Oberfläche viel kleiner als die Oberfläche des untersuchten Stoffes der Probe (P) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in einem Vakuumpumpsatz (3) zum Abziehen des Imprägniermittels durch ein mit der Atmosphäre verbundenes Ventil (323) langsam vermindert wird.
5. Verfahren nach Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermittel mit einem Exsikkator (332), der in einem Vakuumbehälter (33) des Vakuumpumpsatzes (3) angebracht ist, abgezogen wird.
6. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 5, bestehend aus dem Meßgefäß 1, mit der durchtränkten Probe P, das in eine thermostatgeregelte Sonde 21 des Spektro­ meters 2 gestellt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß ein rohrförmiger Zylinder (11) des Meßgefäßes (1) dichtend an ein Saugrohr (311) des Vakuumpumpsatzes (3) angeschlossen ist
und daß in den Zylinder (11) nahe an seiner Austrittsöffnung (111) ein Zentrierring (12) dichtend eingelegt ist, durch den ebenso dichtend ein Stützröhrchen (13) gelegt ist, an dessen zum Meßgefäßboden (112) gewandtes Ende der am Umfang an den Zylinder (11) anliegende durchlässige Deckel (14) angelehnt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (14) aus einer Glasfaserschicht hergestellt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Vakuumbehälter (33), der mit einem Vakuummeter (331) versehen ist und an den ein durch ein Ventil (321) an ein Saugrohr (311) angeschlossenes Saugrohr (312) angeschlossen ist, eine Aussaugpumpe (34) durch untereinander verbundene Saugröhre (313, 314) angeschlossen ist, wobei das Saugrohr (314) durch ein Ventil (323) mit der Atmosphäre verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Vakuumbehälter (33) ein Exsikkator (332) angebracht ist.
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