JP6018565B2 - Calculation method of pore parameters of transparent porous material - Google Patents

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本発明は、透明多孔体の細孔パラメータの算出方法に関し、詳細には、可視光に対して透明な多孔体の平均細孔半径、細孔数密度、光学定数(実効屈折率)、及び比表面積などを透過率測定結果より算出する方法に関する。   The present invention relates to a method for calculating pore parameters of a transparent porous body, and more specifically, the average pore radius, pore number density, optical constant (effective refractive index), and ratio of a porous body transparent to visible light. The present invention relates to a method for calculating a surface area and the like from a transmittance measurement result.

波長範囲0.2〜0.8μmの紫外・可視領域の光に対して透明な多孔体、例えば、多孔質シリカガラスは、(1)可視域(0.35〜0.8μm)の光を透過するという透明性と、(2)数百m/gに達する比表面積(1g当りの物質の総表面積)を有するが故に気体分子を吸着するというガス吸着特性の二つの特性を有している。この2つの特性を利用することにより、多孔質シリカガラスに対して、光学素子への利用、及びガス検知素子への利用等、様々な利用手法が提案されている。多孔質シリカガラスをガス検知素子として利用する場合、例えば、特定の検知対象ガスと選択的に反応して可視領域で変色(発色あるいは退色)する色素を、多孔質シリカガラスに担持させてガス検知素子を作成する。このガス検知素子を使用すると、超小型の蓄積型センサを製造することが可能となる。(特許文献1、2参照)。 A porous body transparent to light in the ultraviolet / visible region with a wavelength range of 0.2 to 0.8 μm, such as porous silica glass, (1) transmits light in the visible region (0.35 to 0.8 μm). It has two characteristics: transparency and (2) gas adsorption characteristics of adsorbing gas molecules because it has a specific surface area (total surface area of the substance per gram) reaching several hundred m 2 / g. . By utilizing these two characteristics, various utilization techniques such as utilization for optical elements and utilization for gas detection elements have been proposed for porous silica glass. When porous silica glass is used as a gas detection element, for example, gas detection is performed by supporting a porous silica glass with a dye that selectively reacts with a specific detection target gas and changes color (coloring or fading) in the visible region. Create an element. When this gas detection element is used, it is possible to manufacture an ultra-small storage type sensor. (See Patent Documents 1 and 2).

この蓄積型ガスセンサのガス検知素子は、色素を担持する母材となる多孔体と、多孔体の細孔内に担持される色素との2つの要素より構成されている。   The gas detection element of this accumulation type gas sensor is composed of two elements: a porous body serving as a base material for supporting a dye, and a dye supported in the pores of the porous body.

ここで、多孔質シリカガラス等の透明な多孔体により作成したガス検知素子の性能の評価を行うためには、透明多孔体の細孔パラメータ、具体的には平均細孔半径、細孔数密度、光学定数(実効屈折率)、及び比表面積を算出しなければならない。透明多孔体の平均細孔径及び比表面積等は、従来、窒素ガスなどの無極性分子の飽和蒸気(吸着質)を細孔表面に等温状態において吸着させて吸着等温線や脱着等温線を測定し、測定した吸脱着等温線を解析することにより導出されてきた。例えば、比表面積(BET比表面積:Brunauer,Emmett,Tellerの吸着理論に基づく比表面積)は、飽和蒸気圧に対する蒸気圧の比が約0.2から0.35程度の範囲の吸着等温線をBET解析することによって求められる(非特許文献1参照)。さらに、細孔径分布については、吸着等温線あるいは脱着等温線をDollimore−Heal法(非特許文献2参照)などの手法で解析することで求められている。   Here, in order to evaluate the performance of a gas sensing element made of a transparent porous material such as porous silica glass, the pore parameters of the transparent porous material, specifically, the average pore radius, the pore number density , Optical constant (effective refractive index), and specific surface area must be calculated. The average pore diameter, specific surface area, etc. of transparent porous materials are conventionally measured by adsorbing a saturated vapor (adsorbate) of nonpolar molecules such as nitrogen gas to the pore surface in an isothermal state, and measuring the adsorption isotherm and desorption isotherm. It has been derived by analyzing the measured adsorption / desorption isotherm. For example, the specific surface area (BET specific surface area: specific surface area based on the adsorption theory of Brunauer, Emmett, Teller) is an adsorption isotherm in which the ratio of the vapor pressure to the saturated vapor pressure is about 0.2 to 0.35. It is calculated | required by analyzing (refer nonpatent literature 1). Furthermore, the pore size distribution is obtained by analyzing the adsorption isotherm or desorption isotherm using a technique such as the Dollimore-Heal method (see Non-Patent Document 2).

細孔パラメータを求めるには、いずれの方法においても、解析対象となる透明多孔体の吸脱着等温線を正確に測定しなくてはならない。   In any method, the adsorption / desorption isotherm of the transparent porous body to be analyzed must be accurately measured in order to obtain the pore parameters.

ここで、吸脱着等温線の測定法には、吸着質の試料への吸着量を気体の体積と圧力の関係から求める容量法(Volmetric method)と、吸着質の吸着量を試料重量の変化から求める重量法(gravimetric method)と、2つの方法がある。   Here, the adsorption / desorption isotherm is measured by a volumetric method in which the amount of adsorbate adsorbed on the sample is determined from the relationship between the gas volume and pressure, and the amount of adsorbate adsorbed on the basis of changes in the sample weight. There are two methods, the gravimetric method to be determined.

前者の容量法では、吸着質の吸着量を、吸着質に対する近似的状態方程式を用いて吸着前後の圧力変化より見積もる。その測定原理は非常に簡単であるが、温度以外に、圧力を測定する圧力センサの精度と、死容積測定の精度及び測定系全体の真空漏れなどにより測定誤差が生じるため、測定には細心の注意を要する。また、容量法による吸脱着等温線の測定には長い時間が掛かり、そのため測定の自動化がかなり進んできる。   In the former capacity method, the amount of adsorbate adsorbed is estimated from the pressure change before and after adsorption using an approximate equation of state for the adsorbate. The measurement principle is very simple, but measurement errors occur due to the accuracy of the pressure sensor that measures pressure in addition to temperature, the accuracy of dead volume measurement, and the vacuum leakage of the entire measurement system. Need attention. Moreover, it takes a long time to measure the adsorption / desorption isotherm by the volume method, and therefore the automation of the measurement can be considerably advanced.

他方、後者の重量法による吸脱着等温線の測定は、容量法のように死容積を求める必要が無いものの、重量変化を正確に測る必要があり、恒温槽温度と試料温度との差を少なくし、熱対流による影響や、浮力や容器への吸着による重量変化を補正しなくてはならない。また、恒温槽等からの振動や静電気の影響も受けやすい。さらに、容量法に比較して、重量法によって吸脱着等温線測定を行うための自動化された装置は少ない。吸着質の蒸気圧を変えるのに、吸着質をその気液相転移点よりも昇温させ、これにより吸着等温線を測定するが、試料温度と恒温槽温度をなるべく一致するように温度制御することが測定精度を高める上で重要である。同様に、脱着等温線を測定する場合には、上記とは逆に恒温槽温度を下げる。従って、温度変化の影響が大きいので、装置全体を恒温状態にしておく必要がある。   On the other hand, the measurement of adsorption / desorption isotherm by the latter weight method does not require the dead volume as in the volume method, but it is necessary to measure the weight change accurately, and the difference between the thermostat temperature and the sample temperature is reduced. However, the influence of thermal convection and the change in weight due to buoyancy and adsorption to the container must be corrected. It is also susceptible to vibration and static electricity from a thermostatic chamber. Furthermore, compared to the volumetric method, there are few automated devices for performing adsorption / desorption isotherm measurement by the gravimetric method. To change the vapor pressure of the adsorbate, raise the temperature of the adsorbate above its gas-liquid phase transition point, and measure the adsorption isotherm, but control the temperature so that the sample temperature and the thermostat temperature match as much as possible. This is important for improving measurement accuracy. Similarly, when measuring a desorption isotherm, the thermostat temperature is lowered contrary to the above. Therefore, since the influence of the temperature change is great, it is necessary to keep the entire apparatus in a constant temperature state.

特許第3943008号公報Japanese Patent No. 3934008 特許第3700877号公報Japanese Patent No. 3700807 特許第5032352号公報Japanese Patent No. 5032352 特許第5192341号公報Japanese Patent No. 5192341

近藤精一、石川達雄、安部郁夫共著、「吸着の化学」(丸善株式会社、1991年)、pp.40-46.Seiichi Kondo, Tatsuo Ishikawa, Ikuo Abe, "Adsorption Chemistry" (Maruzen Co., Ltd., 1991), pp.40-46. D. Dollimore and G. R. Heal, J. Appl. Chem., 14, 109 (1964).D. Dollimore and G. R. Heal, J. Appl. Chem., 14, 109 (1964). 小川重男、丸尾容子、Vycor多孔質ガラスの乾燥過程における1/λ4の光散乱、2008年(平成20年)春季第55回応用物理学関係連合講演会予稿集、20080327(発行)、第1分冊、第179頁Shigeo Ogawa, Yoko Maruo, 1 / λ4 light scattering during drying of Vycor porous glass, 2008 Proceedings of the 55th Joint Conference on Applied Physics, 20080327 (published), 1st volume , P. 179 M. Kerker, The Scattering of Light and Other Electromagnetic Radiation (1969, Academic, New York), p.37, Eq.(3.2.24).M. Kerker, The Scattering of Light and Other Electromagnetic Radiation (1969, Academic, New York), p. 37, Eq. (3.2.24).

上記2つの吸着等温線の測定方法のいずれにおいても、実際に吸着質を試料表面に吸着させて測定することになるので、測定結果は、被測定対象試料の表面状態に敏感にかつ微妙に依存する。そのため、試料の前処理に関しては、測定対象の試料から不純物、付着ガス等を取り除く工程が必要である(脱ガス処理)。また、吸着等温線の測定においては、容量法においては複数回の圧力の測定、死容積の測定等、重量法においては、さらに質量表示の監視、浮力補正、装置全体の温度の調整等の工程を経なければならない。したがって、吸着等温線の測定には、試料の適正な前処理も含めて、測定の操作が複雑であり、かつ時間もかかる。非多孔性固体試料であっても、通常、一組の吸脱着等温線を測定するのに失敗なしで、8時間程度は必要である。被測定対象が多孔体となると、更なる長時間を要し、大抵一昼夜を必要とすることが多い。さらに、吸着質を試料に直接吸着させる測定法では、非極性ガスが多孔体の表面と連結した細孔の壁表面に吸着される必要があり、多孔体内に存在する孤立した孔(泡など)がある場合などには、そもそも吸着されず、こうした孤立細孔は検出されない。   In any of the above two methods for measuring adsorption isotherm, since the adsorbate is actually adsorbed on the sample surface and measured, the measurement result depends sensitively and delicately on the surface condition of the sample to be measured. To do. Therefore, regarding the pretreatment of the sample, a process of removing impurities, adhering gas, etc. from the sample to be measured is necessary (degassing process). In addition, in the measurement of adsorption isotherm, in the volume method, multiple pressure measurements, dead volume measurement, etc., in the gravimetric method, mass display monitoring, buoyancy correction, adjustment of the temperature of the entire device, etc. Have to go through. Therefore, the measurement of the adsorption isotherm is complicated and takes time, including proper pretreatment of the sample. Even non-porous solid samples usually require about 8 hours without failure to measure a set of adsorption / desorption isotherms. When the object to be measured is a porous body, it takes a longer time and usually requires a whole day and night. Furthermore, in the measurement method in which the adsorbate is directly adsorbed on the sample, nonpolar gas needs to be adsorbed on the wall surface of the pores connected to the surface of the porous body, and isolated pores (such as bubbles) existing in the porous body. If there is, there is no adsorption in the first place, and such isolated pores are not detected.

本発明は、こうした従来法のもつ本質的な限界や問題点、並びに操作の複雑さや時間が掛かることなどの種々の不便さに鑑み、透明多孔体が示す光学特性のみから、平均細孔半径、細孔数密度、実効屈折率、及び比表面積などを短時間に算出する方法に関する。   The present invention takes into account various limitations such as the inherent limitations and problems of the conventional method, and the complexity and time of operation, and only from the optical properties exhibited by the transparent porous body, the average pore radius, The present invention relates to a method for calculating pore number density, effective refractive index, specific surface area and the like in a short time.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、コンピュータにより、透明多孔体の細孔パラメータを算出する方法であって、平行平板状に加工された前記透明多孔体の平行平板厚と空隙率とを取得するステップと、前記透明多孔体の透過率スペクトルを取得するステップであって、前記透過率スペクトルは、可視領域において波長掃引して測定される、ステップと、前記透過率スペクトルの対数を取って前記透明多孔体の平行平板厚で除した値を、前記透明多孔体の骨格部材の屈折率で除した波長の逆4乗に対してプロットするステップと、前記プロットした前記透過率スペクトルの対数を取って前記平行平板厚で除した値を、線型回帰分析して、傾きパラメータと縦軸切片を算出するステップと、前記縦軸切片から空気と多孔体界面とにおける反射率を算出するステップと、前記多孔体界面での反射率から前記透明多孔体の実効屈折率を算出するステップと、前記傾きパラメータから、前記透明多孔体の平均細孔半径並びに細孔数密度を算出するステップとを含むことを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a method for calculating a pore parameter of a transparent porous body by a computer, wherein the transparent processed into a parallel plate shape. Obtaining a parallel plate thickness and a porosity of a porous body; and obtaining a transmittance spectrum of the transparent porous body, wherein the transmittance spectrum is measured by wavelength sweeping in a visible region. And plotting the logarithm of the transmittance spectrum and dividing by the parallel plate thickness of the transparent porous body against the inverse fourth power of the wavelength divided by the refractive index of the skeleton member of the transparent porous body; Calculating a slope parameter and a vertical axis intercept by performing linear regression analysis on the value obtained by taking the logarithm of the plotted transmittance spectrum and dividing the value by the parallel plate thickness; Calculating the reflectance at the interface between the air and the porous body, calculating the effective refractive index of the transparent porous body from the reflectance at the porous body interface, and calculating the average fineness of the transparent porous body from the slope parameter. Calculating the pore radius and the pore number density.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の方法であって、前記空隙率と前記平均細孔半径を用いて、前記透明多孔体の比表面積を算出するステップをさらに含むことを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the method according to claim 1, further comprising a step of calculating a specific surface area of the transparent porous body using the porosity and the average pore radius. It is characterized by.

また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の方法であって、前記透明多孔体は、アセトン、エタノール、及び超純水による、透明度を向上させるための洗浄であって、それぞれ単独もしく2つ以上を複数組み合せ、かつ各洗浄をそれぞれ複数回以上、洗浄を施されることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is the method according to claim 1 or 2, wherein the transparent porous body is cleaning with acetone, ethanol, and ultrapure water to improve transparency. In addition, the cleaning is performed individually or in combination of two or more, and each cleaning is performed a plurality of times.

また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の方法であって、前記透明多孔体が多孔質シリカガラスである場合、前記透明多孔体は、前記洗浄工程は、0.1%希釈フッ酸による前記透明多孔体のライトエッチング処理がさらに施されることを特徴とする。   The invention according to claim 4 is the method according to claim 3, wherein when the transparent porous body is porous silica glass, the transparent porous body is 0.1% in the washing step. The transparent porous body is further subjected to a light etching treatment with diluted hydrofluoric acid.

また、請求項5に記載の発明は、請求項1から4に記載の方法であって、前記透明多孔体は、前記洗浄により洗浄したのち、真空中で150度℃以上に6時間以上加熱し、過熱後に乾燥窒素保管して乾燥させる乾燥工程がさらに施されることを特徴とする。   The invention according to claim 5 is the method according to claims 1 to 4, wherein the transparent porous body is heated to 150 ° C. or more for 6 hours or more in a vacuum after being washed by the washing. Further, the method is further characterized in that a drying step of drying by storing dry nitrogen after overheating is further performed.

また、請求項6に記載の発明は、細孔パラメータ計測システムであって、前記透明多孔体の透過率スペクトルを測定する分光光度計と、前記分光光度計に接続され、請求項1又は2に記載の方法を実行するコンピュータとを含むことを特徴とする。   The invention described in claim 6 is a pore parameter measurement system, which is connected to a spectrophotometer for measuring a transmittance spectrum of the transparent porous body, and the spectrophotometer. And a computer executing the described method.

また、請求項7に記載の発明は、コンピュータ可読記憶媒体であって、請求項1又は2に記載の方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを格納したことを特徴とする。   The invention described in claim 7 is a computer-readable storage medium, wherein a program for causing a computer to execute the method described in claim 1 or 2 is stored.

本発明術によれば、透明多孔体の細孔パラメータの算出において、従来の細心の注意を払いつつ、長時間を要する前処理と、ほぼ一昼夜にわたる吸脱着等温線の測定とを経ることなく、透明多孔体の透過率を測定するだけで、平均細孔半径、細孔数密度、実効屈折率、及び比表面積などの細孔パラメータの概算値を簡易に短時間に得ることができる。   According to the technique of the present invention, in the calculation of the pore parameters of the transparent porous body, while paying close attention to the prior art, without undergoing pretreatment that takes a long time, and measurement of adsorption and desorption isotherm over almost all day and night, By simply measuring the transmittance of the transparent porous body, approximate values of pore parameters such as average pore radius, pore number density, effective refractive index, and specific surface area can be easily obtained in a short time.

本発明の1実施形態にかかる細孔パラメータの算出方法の工程を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the process of the calculation method of the pore parameter concerning one Embodiment of this invention. 実施例における細孔パラメータ算出の流れの詳細を示す図である。It is a figure which shows the detail of the flow of the pore parameter calculation in an Example. 透明多孔体の有機溶媒による前処理工程を示す図である。It is a figure which shows the pre-processing process by the organic solvent of a transparent porous body. 多孔質シリカガラス試料の希フッ酸によるライトエッチングを示す図である。It is a figure which shows the light etching by the diluted hydrofluoric acid of the porous silica glass sample. 本発明の実施例において使用する細孔パラメータ測定システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the pore parameter measurement system used in the Example of this invention. 透明多孔体試料の透過率スペクトルを示す図表である。It is a graph which shows the transmittance | permeability spectrum of a transparent porous body sample. 本実施例における、細孔パラメータ抽出の方法の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the method of a pore parameter extraction in a present Example. ln(1/T)/dの媒質内波長の逆4乗(1/λ)依存性を線型回帰分析した結果を示す図表である。ln e (1 / T) / medium in opposite fourth power of the wavelength of d (1 / λ 4) the dependence is a chart showing the results of linear regression analysis. 従来技術における容量式自動吸着量装置により測定した透明多孔体の窒素ガス吸脱着等温曲線を示す図表である。It is a graph which shows the nitrogen gas adsorption / desorption isothermal curve of the transparent porous body measured with the capacity | capacitance type automatic adsorption amount apparatus in a prior art. 従来技術により求めた細孔径分布を示す図表である。It is a graph which shows the pore size distribution calculated | required by the prior art.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の1実施形態にかかる細孔パラメータの算出方法の工程を示す流れ図である。図1に記載の細孔パラメータの算出方法は、評価対象の透明多孔体を平行平面板状に加工し、必要に応じて透明多孔体の透明度を向上させるための洗浄を行う「加工・洗浄工程」と、評価対象の多孔体の光の透過率を測定し、データ処理をする「測定・解析工程」とから構成されている。   FIG. 1 is a flowchart showing the steps of a pore parameter calculation method according to an embodiment of the present invention. The pore parameter calculation method shown in FIG. 1 is a “processing / cleaning step” in which a transparent porous body to be evaluated is processed into a parallel flat plate shape, and cleaning is performed to improve the transparency of the transparent porous body as necessary. And a “measurement / analysis step” for measuring the light transmittance of the porous body to be evaluated and processing the data.

また、「測定・解析工程」は、以下の6つの工程により構成される。
・第1工程:評価対象の多孔体の空隙率の該略値を与えた上で、可視領域(波長0.35〜0.8μm)にて波長掃引して、透過率スペクトルを測定する。
・第2工程:透明多孔体の透過率の対数を取って平行平板厚で除した値を、透明多孔体の骨格部材の屈折率で除した波長の逆4乗に対してプロットする。
・第3工程:第2工程で作成された対数透過率の波長逆4乗プロットを、線型回帰分析して傾きパラメータと縦軸切片を求める。
・第4工程:第3工程より得られた縦軸切片より、空気と多孔体界面での反射率を算出し、算出した反射率から、透明多孔体の実効屈折率を算出する。
・第5工程:第3工程より得られた傾きパラメータを用いて、透明多孔体の平均細孔半径並びに細孔数密度を算出する。
・第6工程:上記空隙率の該略値と第5工程で得られた平均細孔半径を用いて、透明多孔体の比表面積を算出する。
In addition, the “measurement / analysis process” includes the following six processes.
First step: After giving the approximate value of the porosity of the porous body to be evaluated, the wavelength is swept in the visible region (wavelength 0.35 to 0.8 μm), and the transmittance spectrum is measured.
Second step: A value obtained by taking the logarithm of the transmittance of the transparent porous body and dividing it by the parallel plate thickness is plotted against the inverse fourth power of the wavelength divided by the refractive index of the skeleton member of the transparent porous body.
Third step: The slope parameter and the vertical axis intercept are obtained by linear regression analysis of the inverse wavelength fourth power plot of the logarithmic transmittance created in the second step.
Fourth step: The reflectance at the interface between air and the porous body is calculated from the vertical axis intercept obtained in the third step, and the effective refractive index of the transparent porous body is calculated from the calculated reflectance.
-5th process: The average pore radius and pore number density of a transparent porous body are calculated using the inclination parameter obtained from the 3rd process.
-6th process: The specific surface area of a transparent porous body is calculated using this approximate value of the said porosity, and the average pore radius obtained at the 5th process.

透明多孔体の可視領域における透過率スペクトルの僅かな減少は、着色などの吸収性のものではなく、入射光波長の逆4乗に依存するものである。したがって、透過率スペクトルの僅かな減少は、ナノ細孔に起因するレイリー散乱によるものであるということができる(非特許文献3、特許文献3及び4参照)。よって、本実施形態においては、この事実を利用して、従来の吸脱着等温線の解析を用いずに、透過率スペクトルの測定結果から、透明多孔体の実効的な平均細孔半径、細孔数密度、実効屈折率、並びに比表面積などの細孔パラメータを求めることができ、その値も従来法と同程度のオーダである。   A slight decrease in the transmittance spectrum in the visible region of the transparent porous body is not an absorptive material such as coloring but depends on the inverse fourth power of the incident light wavelength. Therefore, it can be said that the slight decrease in the transmittance spectrum is due to Rayleigh scattering caused by the nanopores (see Non-Patent Document 3, Patent Documents 3 and 4). Therefore, in the present embodiment, by utilizing this fact, the effective average pore radius and pores of the transparent porous body can be obtained from the measurement result of the transmittance spectrum without using the conventional adsorption / desorption isotherm analysis. Pore parameters such as number density, effective refractive index, and specific surface area can be obtained, and their values are on the same order as the conventional method.

次に、「測定・解析工程」における、各細孔パラメータの算出について、透明多孔体の光学的性質に基づき、本発明が立脚する物理的性質と共に説明する。   Next, calculation of each pore parameter in the “measurement / analysis step” will be described together with physical properties on which the present invention is based on the optical properties of the transparent porous body.

一般に、組成が一様で構造的に均質な媒質内では、光の強度は、媒質内の光の透過距離Lによって指数関数的に減衰することが実験的に見出されており、ランバートの法則として、
meas=Iref・exp(−α・L)
と表示される。
In general, in a medium having a uniform composition and a homogeneous structure, it has been experimentally found that the intensity of light attenuates exponentially with the transmission distance L of light in the medium, and Lambert's law As
I meas = I ref · exp (−α · L)
Is displayed.

ここで、Irefは、入射光(参照光とも云う)の強度、Imeasは試料の透過光強度、Lは媒質内の光の透過距離(あるいは光路長)、そしてαは物質固有の性質で吸収係数と呼ばれる。 Here, I ref is the intensity of incident light (also referred to as reference light), I meas is the transmitted light intensity of the sample, L is the transmission distance (or optical path length) of light in the medium, and α is a property specific to the substance. Called absorption coefficient.

光源波長をλ(単位:μm)とするとき、透過率スペクトルT(λ)は、この波長λにおいて得られた透過光の強度Imeas(λ)および参照光の強度Iref(λ)の比で定義される。 When the light source wavelength is λ 0 (unit: μm), the transmittance spectrum T (λ 0 ) has an intensity I meas0 ) of transmitted light and an intensity I ref (reference light) of the reference light obtained at the wavelength λ 0 . λ 0 ).

媒質が透明である基本条件は、波長λでの吸収係数α(λ)が非常に小さいことであり、もし吸収係数α(λ)が可視光の波長によって大きく変化すれば、着色することになる。無色透明であれば、可視域の特定波長で吸収係数が変化することはない。透明な多孔体には、通常ナノサイズの多数の細孔群が媒体中に存在しているが、可視光に対して透明であるということは、媒体内の細孔群の分布が一様であり、構造的にも可視光の波長に匹敵するようなスケールでの不均一性が存在していないことを意味する。このような場合、多孔体は非吸収性で光学的に均一な媒体と見なせる。但し、ナノ細孔と媒体との屈折率の違いに起因する散乱は僅かであるが存在している。数十nmオーダの孔径に比較して入射光の波長は、短波長側でも350nm程度はあり、孔径に対する入射光の波長の比は、1/10程度である。このことから、ナノ細孔による散乱は、その形状には依存せず、レイリー型の散乱となることが判る。また、これらの細孔群はナノ孔多孔体内に一様ランダムに分布していると考えられ、各細孔による散乱はインコヒーレントに起こる。その結果、透明なナノ孔多孔体の単位体積当りの散乱強度は、各散乱体からの散乱効果の総和としてよい。単位体積当りの細孔(=散乱体)の個数をN(体積の逆数の次元を有する)とし、光の強度をIとする。散乱による光の強度減衰は、
−dI/dx=N・Csca・I
と記述できる。ここで、Cscaは一つの散乱体の散乱断面積で面積の次元を有する。散乱体の集団に対しては、上記の吸収係数の代わりに濁度τ(距離の逆数の次元を有する)を導入すると、
τ=N・Csca
と書ける。
The basic condition for the medium to be transparent is that the absorption coefficient α (λ 0 ) at the wavelength λ 0 is very small. If the absorption coefficient α (λ 0 ) varies greatly depending on the wavelength of visible light, the medium is colored. It will be. If it is colorless and transparent, the absorption coefficient does not change at a specific wavelength in the visible range. A transparent porous body usually has many nano-sized pore groups in the medium, but being transparent to visible light means that the distribution of pore groups in the medium is uniform. It means that there is no non-uniformity on a scale that is structurally comparable to the wavelength of visible light. In such a case, the porous body can be regarded as a non-absorbing and optically uniform medium. However, there is little scattering due to the difference in refractive index between the nanopore and the medium. The wavelength of incident light is about 350 nm even on the short wavelength side compared to a hole diameter on the order of several tens of nm, and the ratio of the wavelength of incident light to the hole diameter is about 1/10. From this, it can be seen that the scattering by the nanopores does not depend on the shape thereof and becomes Rayleigh type scattering. In addition, these pore groups are considered to be uniformly distributed in the nanoporous body, and scattering by each pore occurs incoherently. As a result, the scattering intensity per unit volume of the transparent nanoporous porous material may be the sum of the scattering effects from each scatterer. The number of pores (= scatterers) per unit volume is N (having a dimension that is the inverse of the volume), and the intensity of light is I. The light intensity attenuation due to scattering is
−dI / dx = N · C sca · I
Can be described. Here, C sca has a dimension of an area as a scattering cross section of one scatterer. For a scatterer population, introducing turbidity τ (having the dimension of the inverse of distance) instead of the above absorption coefficient,
τ = N · C sca
Can be written.

空気と透明なナノ孔多孔体の各境界面での表面反射率rを考慮して、この微分方程式を解くと、厚さdの物質に対して、透過率スペクトルT(λ)は次のようになる(第1工程)。
T(λ)=Imeas(λ)/Iref(λ)=(I−r)・exp(−τ・d)(1)
When the differential equation is solved in consideration of the surface reflectivity r at each interface between the air and the transparent nanoporous porous material, the transmittance spectrum T (λ 0 ) for the material of thickness d is (First step).
T (λ 0 ) = I meas0 ) / I ref0 ) = (I−r) 2 · exp (−τ · d) (1)

ここで、光ビームは屈折率nの媒質1(空気:n=1.0003)から、屈折率nの媒質2(透明多孔体での吸収がなければ実数の屈折率:n)へ垂直入射するので、表面反射係数rは Here, the medium 1 light beam refractive index n 1 (air: n 1 = 1.0003) from medium 2 of refractive index n 2 (absorption unless if real refractive index in a transparent porous body: n 2) The surface reflection coefficient r is

Figure 0006018565
Figure 0006018565

で表わされる。 It is represented by

レイリー散乱体に対して、その散乱断面積Cscaは、 For a Rayleigh scatterer, its scattering cross section C sca is

Figure 0006018565
Figure 0006018565

で与えられることが知られている(非特許文献4参照)。ただし、Vは散乱体として作用する細孔の体積で、平均半径rの球状単一散乱体を仮定して、 (See Non-Patent Document 4). However, V 1 is the volume of the pores acting as a scatterer, assuming spherical single scatterer average radius r p,

Figure 0006018565
Figure 0006018565

で与えられる。また、λは媒質2内部での光の波長であり、λを真空中での波長とすると、
λ=λ/n
で与えられる。また、mは媒質1の屈折率nと媒質2の屈折率nとの比で、
m=n/n
で与えられる。
Given in. Also, λ is the wavelength of light inside the medium 2, and λ 0 is the wavelength in vacuum,
λ = λ 0 / n 2
Given in. M is the ratio between the refractive index n 1 of the medium 1 and the refractive index n 2 of the medium 2;
m = n 1 / n 2
Given in.

ところで、空隙率φ(無次元量)は、多孔体試料全体の体積Vに対して、その骨格を成す固体部分以外の部分の体積比率として定義される。多孔体の固体骨格部分の体積がVskeltonのとき、空隙部分の体積(細孔の総体積)Vは、
=V−Vskelton
であるから、空隙率φは次式で定義される。
By the way, the porosity φ (dimensionalless amount) is defined as the volume ratio of the portion other than the solid portion constituting the skeleton with respect to the volume V of the entire porous body sample. When the volume of the skeleton portion of the porous body is V skelton, V p (total volume of pores) volume air gap portion,
V p = V−V skeleton
Therefore, the porosity φ is defined by the following equation.

Figure 0006018565
Figure 0006018565

そして、散乱体として作用する細孔の体積がVで、単位体積当りの細孔数(細孔数密度)がNであるから、その積N・Vは、多孔体の空隙率φに他ならない。
φ=N・V (6)
Since the volume of pores acting as a scatterer is V 1 and the number of pores per unit volume (pore number density) is N, the product N · V 1 is equal to the porosity φ of the porous body. There is nothing else.
φ = N · V 1 (6)

τ=N・Cscaで定義される濁度は、式(3)と(6)を考慮すると、
N・V =φ・V
に比例している。
The turbidity defined by τ = N · C sca takes into account equations (3) and (6),
N · V 1 2 = φ · V 1
It is proportional to

式(1)の両辺の自然対数をとって試料厚dで除した量を作ると、濁度τが波長の逆4乗に比例することから、横軸1/λに対して線型の依存性を示すはずである。即ち、 Taking the natural logarithm of both sides of equation (1) and dividing it by the sample thickness d, the turbidity τ is proportional to the inverse fourth power of the wavelength, so that the linear dependence on the horizontal axis 1 / λ 4 Should show gender. That is,

Figure 0006018565
Figure 0006018565

となる。つまり、透過率スペクトルTから、ln(1/T)/dを作成して、対応する媒質内波長(λ=λ/n)の逆4乗(1/λ)に対してプロットすると(第2工程)、傾きβ、縦軸切片Cの直線に載ることが期待される(第3工程)。 It becomes. That is, ln e (1 / T) / d is created from the transmittance spectrum T and plotted against the inverse fourth power (1 / λ 4 ) of the corresponding in-medium wavelength (λ = λ 0 / n 2 ). Then (second step), it is expected to be placed on a straight line with a slope β and a vertical intercept C (third step).

傾きのパラメータβは体積の次元を有し、式(3)、(4)、(6)を組み合わせると、   The slope parameter β has a volume dimension, and combining the equations (3), (4), (6),

Figure 0006018565
Figure 0006018565

となる。この式(8)を細孔の体積Vに対して解き、式(4)と組み合わせれば、散乱体、即ち、細孔の平均半径rが求まることになる(第4工程)。さらに、細孔の体積Vを式(6)と組み合わせれば、散乱体、即ち細孔の数密度Nも算出できることになる(第5工程)。 It becomes. Solving this equation (8) with respect to the volume V 1 of the pores, when combined with equation (4), the scatterer, that is, the average radius r p of the pores is obtained (step 4). Furthermore, when the pore volume V 1 is combined with the equation (6), the number density N of the scatterers, that is, the pores can be calculated (fifth step).

他方、縦軸切片Cは長さの逆数の次元を有し、式(7)の二番目の等式をrに対して、条件0<r<1を満足するように解くと、単一界面の反射率rとして、   On the other hand, the vertical axis intercept C has the dimension of the reciprocal of the length, and when the second equation of Equation (7) is solved for r so as to satisfy the condition 0 <r <1, As the reflectance r of

Figure 0006018565
Figure 0006018565

が得られる。式(9)を式(2)と等値して、多孔体の実効屈折率nに対して解けば、 Is obtained. If equation (9) is equivalent to equation (2) and solved for the effective refractive index n 2 of the porous body,

Figure 0006018565
Figure 0006018565

となる。 It becomes.

最後に、透過率測定より求めた諸量を用いて、多孔体の単位質量当りの内部表面積を表わす比表面積を導出する(第6工程)。   Finally, a specific surface area representing an internal surface area per unit mass of the porous body is derived using various amounts obtained from the transmittance measurement (sixth step).

球状細孔が単位体積当りN個開孔した多孔体の総内部表面積Sは、理論的には
=(4πr )・N
となる。他方、この多孔体の見掛密度をρ[kg/m]とすると、固体骨格部分の密度ρskelton[kg/m]とは、ρ=(1−φ)ρskeltonの関係にある。従って、この多孔体の単位質量当りの細孔総表面積を示す比表面積σ[m/kg]は、
The total internal surface area S p of a porous body having N spherical pores per unit volume is theoretically S p = (4πr p 2 ) · N
It becomes. On the other hand, the When the porous body apparent density and ρ [kg / m 3], and the density ρ skelton [kg / m 3] of the skeleton portion, a relationship of ρ = (1-φ) ρ skelton. Accordingly, the specific surface area σ [m 2 / kg] indicating the total pore surface area per unit mass of the porous body is

Figure 0006018565
Figure 0006018565

により算出される。 Is calculated by

球状細孔に対して総体積Vは、理論的には
=V・N
で与えられるので、式(11)の最終項に含まれる比(S/V)は、式(4)と組み合わせると3/rに等しくなる。なお、細孔として半径rの円筒状貫通細孔を仮定する場合には、この比(S/V)は、2/rに等しくなる。
The total volume V p for a spherical pore is theoretically V p = V 1 · N
Since given by the ratio contained in the final term of equation (11) (S p / V p) is equal to 3 / r p Combined with equation (4). Note that when assuming cylindrical through hole having a radius r p as the pores, the ratio (S p / V p) is equal to 2 / r p.

[実施例]
本発明の実施例として、上記原理の具体的適用例を、以下図面を参照して詳細に説明する。
[Example]
As an embodiment of the present invention, a specific application example of the above principle will be described in detail with reference to the drawings.

図2に、実施例における細孔パラメータ算出の流れの詳細を示す。本細孔パラメータ算出法の構成要素は、図1において説明した通り、第1に「加工・洗浄工程」、第2に「測定・解析工程」の二つである。まず「加工・洗浄工程」において、被検試料を作製し、前処理を行う。次に「測定・解析工程」において、被検試料の透過率スペクトルを測定し、測定された透過率スペクトルを解析して、細孔パラメータを算出する。なお、本実施例では、参考として「検証工程」を設けているが、「検証工程」では、本実施例のパラメータ算出法により抽出されたパラメータを、従来法である吸脱着等温線から求めた結果と比較して、その妥当性を評価している。   FIG. 2 shows details of the flow of pore parameter calculation in the embodiment. As described with reference to FIG. 1, there are two components of the pore parameter calculation method: a “processing / cleaning step” first and a “measurement / analysis step” second. First, in the “processing / cleaning step”, a test sample is prepared and pretreated. Next, in the “measurement / analysis step”, the transmittance spectrum of the test sample is measured, the measured transmittance spectrum is analyzed, and the pore parameters are calculated. In this example, a “verification step” is provided as a reference, but in the “verification step”, the parameters extracted by the parameter calculation method of this example were obtained from the conventional adsorption / desorption isotherm. Compared with the results, the validity is evaluated.

本実施例においては、具体的な適用対象の透明多孔体として公称細孔径4.2nmのコーニング社製Vycor7930(Thirsty Glass)多孔質シリカガラスを用いて、細孔パラメータの算出を行う。表1に示すように、このシリカガラス試料(透明多孔体試料)の平均細孔直径の公称値は4.2〜4.6nmで、従来法のBET法で測定すると、比表面積は約195〜200[m/g]とされる。 In this example, pore parameters are calculated using Corning Vycor 7930 (Thirsty Glass) porous silica glass having a nominal pore diameter of 4.2 nm as a specific transparent porous body to be applied. As shown in Table 1, the nominal value of the average pore diameter of this silica glass sample (transparent porous body sample) is 4.2 to 4.6 nm. When measured by the conventional BET method, the specific surface area is about 195 to 195. 200 [m 2 / g].

Figure 0006018565
Figure 0006018565

[加工・洗浄工程]
まず、「加工・洗浄工程」から説明する。
[Processing / cleaning process]
First, the “processing / cleaning process” will be described.

加工・洗浄工程において、試料の加工を行う(試料作成工程)。被測定対象である透明多孔体試料を平行平面板形状の加工するに当たり、試料の厚さdに関しては、透過率を測定可能な範囲内の厚みとし、試料の縦横の大きさについては、透過率測定の光学系に合わせて任意の大きさとする。なお、本実施例では、透過率スペクトルを測定する分光光度計の試料ホルダに適合させた。   In the processing / cleaning process, the sample is processed (sample preparation process). In processing the transparent porous body sample to be measured into a parallel flat plate shape, the thickness d of the sample is set to a thickness within a measurable range, and the vertical and horizontal sizes of the sample are measured for the transmittance. The size is arbitrarily selected according to the measurement optical system. In this embodiment, the sample holder of the spectrophotometer for measuring the transmittance spectrum was adapted.

本実施例では、試料準備として、試料となる透明多孔体を厚さ1mm程度、縦横幅8mm×8mm程度の平行平面板に加工する。   In this example, as a sample preparation, a transparent porous body serving as a sample is processed into a parallel flat plate having a thickness of about 1 mm and a width and width of about 8 mm × 8 mm.

次に、透明多孔体試料の洗浄を行うが(洗浄工程)、有機物の吸着とその酸化に起因する黄ばみなどが透明多孔体試料に見られる場合には、有機物そのものと黄ばみを取り除くため、有機溶媒による洗浄を行う。有機溶媒による洗浄工程として、アセトン、エタノール、超純水による洗浄を、それぞれ単独もしくは2つ以上を複数組み合せ、かつ各洗浄をそれぞれ複数回以上、被測定対象である透明多孔体試料に対して、測定前処理として実施する。   Next, the transparent porous material sample is washed (cleaning step). If the transparent porous material sample shows yellowing due to adsorption of organic matter and its oxidation, the organic solvent itself is removed to remove the yellowing. Wash with. As a washing process with an organic solvent, washing with acetone, ethanol, or ultrapure water, each alone or in combination of two or more, and each washing more than once, for a transparent porous body sample to be measured, Implemented as pre-measurement processing.

透明多孔体は、一般的に、大気中に長時間放置すると細孔内に有機物質を吸着し、そのために黄ばむ傾向がある。光透過率の測定に際して、これら有機物汚染の影響を取り除くために、透明多孔体試料は、最初にアセトン(純度99%)、エタノール(純度99.5%)、及び超純水(18MΩ・cm)を用いて洗浄する必要がある。ここでは、透明多孔体が、有機溶媒では侵食されないという前提で、実施例を展開する。   In general, when the transparent porous body is left in the atmosphere for a long time, the organic substance is adsorbed in the pores, and thus tends to yellow. In order to remove the influence of these organic contaminants when measuring the light transmittance, the transparent porous material sample was firstly acetone (purity 99%), ethanol (purity 99.5%), and ultrapure water (18 MΩ · cm). Need to be cleaned using Here, the examples are developed on the assumption that the transparent porous body is not eroded by the organic solvent.

なお、透明多孔体の素材が、これら有機溶媒によって侵食される場合には、以下の洗浄は実施できない。代わって、塩酸、硫酸などの酸による洗浄に切り替えることもあり得る。洗浄に用いる溶媒に関しては、洗浄対象となる多孔体の化学的組成を充分に検討して決定する必要がある。   When the transparent porous material is eroded by these organic solvents, the following cleaning cannot be performed. Instead, it may be switched to washing with an acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid. Regarding the solvent used for cleaning, it is necessary to determine the chemical composition of the porous material to be cleaned after careful examination.

図3は、透明多孔体の有機溶媒による洗浄工程を示す図であり、図3(a)は洗浄工程、図3(b)は洗浄後の乾燥工程を示している。   3A and 3B are diagrams showing a cleaning process of the transparent porous body with an organic solvent. FIG. 3A shows a cleaning process, and FIG. 3B shows a drying process after cleaning.

洗浄手順は、図3(a)に示すように、最初に、透明多孔体試料をアセトンで満たした容器内に浸漬し、さらにその容器そのものを、水を張った超音波洗浄器内に浸漬して、10分間超音波洗浄を行う。このステップを、10分後の洗浄終了毎に新しいアセトンに入れ替えて3回繰返す。次に、全試料を純水でリンスした後、再度図3(a)に示すように、エタノールを満たした新しい容器内に浸漬し、さらにその容器そのものを、水を張った超音波洗浄器内に浸漬して10分間超音波洗浄を実施する。このステップも3回繰り返す。試料を再度純水でリンスした後、微量の残留エタノールを取り除くために、再々度、図3(a)に示すように、超純水で満たされた容器内に透明多孔体試料を浸漬し、この容器を、水を張った超音波洗浄器内に浸漬して10分間超音波洗浄を実施する。これも3回繰返す。   As shown in FIG. 3A, the cleaning procedure is performed by first immersing the transparent porous material sample in a container filled with acetone, and further immersing the container itself in an ultrasonic cleaner filled with water. For 10 minutes. This step is repeated three times with fresh acetone after every 10 minutes of washing. Next, after rinsing all the samples with pure water, as shown in FIG. 3 (a), it is immersed again in a new container filled with ethanol, and the container itself is further placed in an ultrasonic cleaner filled with water. Soak and sonicate for 10 minutes. Repeat this step three times. After rinsing the sample again with pure water, in order to remove a trace amount of residual ethanol, again, as shown in FIG. 3 (a), the transparent porous body sample was immersed in a container filled with ultrapure water, This container is immersed in an ultrasonic cleaner filled with water and subjected to ultrasonic cleaning for 10 minutes. Repeat this three times.

最後に、透明多孔体試料を乾燥させる(乾燥工程)。乾燥工程は、図3(b)に示すように、透明多孔体試料を、乾燥窒素を流したデシケータ中に6時間程度保管することで、充分に乾燥させる。また、他の乾燥方法として、洗浄工程により洗浄した透明多孔体試料を、真空中で150度℃以上に6時間以上加熱し、過熱後に乾燥窒素保管して透明多孔体試料を乾燥させてもよい。   Finally, the transparent porous body sample is dried (drying step). In the drying step, as shown in FIG. 3B, the transparent porous body sample is sufficiently dried by storing it in a desiccator in which dry nitrogen is passed for about 6 hours. Further, as another drying method, the transparent porous body sample washed in the washing step may be heated to 150 ° C. or higher in a vacuum for 6 hours or longer, and stored in dry nitrogen after overheating to dry the transparent porous body sample. .

ここで、被測定対象の透明多孔体が、多孔質シリカガラスである場合、測定・解析工程を実施するに先立ち、洗浄工程に追加して、0.1%希釈フッ酸によるライトエッチング処理を測定前処理として実施することもできる。被測定透明多孔体が多孔質シリカガラスの場合には、試料表面を希フッ酸により化学的にエッチングすることにより、さらに透明度を向上させることができる。   Here, when the transparent porous body to be measured is porous silica glass, the light etching treatment with 0.1% diluted hydrofluoric acid is measured in addition to the cleaning step prior to performing the measurement / analysis step. It can also be implemented as a pretreatment. In the case where the transparent porous body to be measured is porous silica glass, the transparency can be further improved by chemically etching the sample surface with dilute hydrofluoric acid.

図4は、多孔質シリカガラスの透明多孔体試料の希フッ酸によるライトエッチングを示し、図4(a)は希フッ酸エッチング、図4(b)はエッチング後の流水による洗浄を示している。   4 shows light etching with dilute hydrofluoric acid on a transparent porous glass sample of porous silica glass, FIG. 4 (a) shows dilute hydrofluoric acid etching, and FIG. 4 (b) shows cleaning with running water after etching. .

エッチング工程としては、図4(a)に示すように、濃度1%の希釈フッ酸溶液を満たしたテフロン(登録商標)容器に1分間、透明多孔体試料を浸漬する。浸漬の際は、試料をハンドリングするためテフロン製のチップホルダーを用いる。   As an etching step, as shown in FIG. 4A, the transparent porous body sample is immersed in a Teflon (registered trademark) container filled with a diluted hydrofluoric acid solution having a concentration of 1% for 1 minute. When dipping, a Teflon chip holder is used to handle the sample.

次に、図4(b)に示すように、希フッ酸によるライトエッチングの後、試料を超純水の流水中に20分間浸漬してリンスし、これにより微量のフッ酸を除去する。   Next, as shown in FIG. 4B, after light etching with dilute hydrofluoric acid, the sample is immersed in ultrapure water running water for 20 minutes for rinsing, thereby removing a trace amount of hydrofluoric acid.

実際、この工程を経ることによって、透明多孔体試料を真空中で約450℃まで加熱した後でも光学的に透明な状態に保持することが可能である。   In fact, through this step, it is possible to keep the transparent porous body sample in an optically transparent state even after heating to about 450 ° C. in a vacuum.

最後に、図3(b)に戻って、試料を、乾燥窒素を流したデシケータ中に6時間程度保管することで、充分に乾燥させる。   Finally, returning to FIG. 3 (b), the sample is sufficiently dried by storing it in a desiccator in which dry nitrogen is passed for about 6 hours.

[測定・解析工程]
「測定・解析工程」について、詳細に説明する。
[Measurement and analysis process]
The “measurement / analysis process” will be described in detail.

まず、本実施例の測定・解析工程に使用する細孔パラメータ計測システムについて説明する。図5は、本実施例において使用する細孔パラメータ計測システムの構成を示すブロック図である。   First, the pore parameter measurement system used in the measurement / analysis process of the present embodiment will be described. FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the pore parameter measurement system used in this embodiment.

細孔パラメータ計測システム500は、透明多孔体試料501の透過率スペクトルを測定する分光光度計510と、分光光度計510により計測された透明多孔体試料501の透過率スペクトルから、透明多孔体試料の細孔パラメータを測定する解析用コンピュータ520とにより構成される。なお、分光光度計510と、解析用コンピュータ520とは、有線又は無線により接続されていてもよい。   The pore parameter measurement system 500 includes a spectrophotometer 510 that measures the transmittance spectrum of the transparent porous body sample 501, and the transmittance spectrum of the transparent porous body sample 501 that is measured by the spectrophotometer 510. And an analysis computer 520 for measuring pore parameters. The spectrophotometer 510 and the analysis computer 520 may be connected by wire or wirelessly.

分光光度計510は、透明多孔体試料501に、可視光を照射する光源511と、測定対象の透明多孔体試料501を挿入する試料室512と、透明多孔体試料501を透過した可視光を検出する検出部513と、検出した可視光から透過率スペクトルを算出する演算部とにより構成される。   The spectrophotometer 510 detects the visible light transmitted through the transparent porous sample 501, the light source 511 that irradiates the transparent porous sample 501 with visible light, the sample chamber 512 into which the transparent porous sample 501 to be measured is inserted, and And a calculation unit that calculates a transmittance spectrum from the detected visible light.

透過率スペクトルの測定を行う分光光度計510は、島津製作所製U−3500分光光度計を用いる。透明多孔体試料は8mm角程度の大きさとしたので、孔径6mmのアルミ製試料ホルダ(プレート)に取り付けて、測定した。   The spectrophotometer 510 for measuring the transmittance spectrum is a U-3500 spectrophotometer manufactured by Shimadzu Corporation. Since the transparent porous body sample had a size of about 8 mm square, it was measured by attaching it to an aluminum sample holder (plate) having a hole diameter of 6 mm.

次に、「測定・解析工程」の手順について説明する。   Next, the procedure of the “measurement / analysis step” will be described.

まず、可視領域の透過率スペクトルの測定を行う(図1の第1工程に該当)。本工程では、上記加工・洗浄工程を経た透明多孔体試料501を、分光光度計510の試料室512に挿入し、光源511の波長(λ)を可視領域0.35〜0.8μmの波長範囲で透明多孔体試料に照射し、検出部513において透過光強度Imeas(λ)を検出する。検出された透過高強度Imeas(λ)は、演算部514に入力され、演算部514において、透過光強度Imeas(λ)と参照光強度Iref(λ)とを式(1)に従って透過率T(λ)に変換する。これは標準的なダブルビーム分光光度計であれば、容易に実施できる測定である。 First, the transmittance spectrum in the visible region is measured (corresponding to the first step in FIG. 1). In this step, the transparent porous body sample 501 that has undergone the above processing / cleaning step is inserted into the sample chamber 512 of the spectrophotometer 510, and the wavelength (λ 0 ) of the light source 511 is a wavelength in the visible region of 0.35 to 0.8 μm. The transparent porous body sample is irradiated within the range, and the transmitted light intensity I meas0 ) is detected by the detection unit 513. The detected transmission high intensity I meas0 ) is input to the calculation unit 514, and the calculation unit 514 calculates the transmitted light intensity I meas0 ) and the reference light intensity I ref0 ) from the equation (1). ) To convert to transmittance T (λ 0 ). This is a measurement that can be easily performed with a standard double beam spectrophotometer.

図6は、本工程により測定された、透明多孔体試料の透過率スペクトルを示す図表である。この試料とした多孔質シリカガラスは、短波長側0.33μm以下には、シリカガラス自体に起因すると考えられる吸収がみられる。他方、0.35〜0.8μmの可視領域はほぼ透明で、この領域での透過率は90%を超える。   FIG. 6 is a chart showing the transmittance spectrum of the transparent porous material sample measured by this step. In the porous silica glass used as this sample, absorption considered to be caused by the silica glass itself is observed at 0.33 μm or less on the short wavelength side. On the other hand, the visible region of 0.35 to 0.8 μm is almost transparent, and the transmittance in this region exceeds 90%.

次に、上記工程により測定した透過率スペクトルから、細孔パラメータを算出する。図7は、本実施例における、細孔パラメータ算出の方法の詳細を示すフローチャートである。細孔パラメータ算出の方法は、透過率スペクトルを計測する分光光度計に接続された細孔パラメータ解析用コンピュータ520において行う。   Next, the pore parameter is calculated from the transmittance spectrum measured by the above process. FIG. 7 is a flowchart showing details of the pore parameter calculation method in the present embodiment. The pore parameter calculation method is performed by a pore parameter analysis computer 520 connected to a spectrophotometer for measuring a transmittance spectrum.

細孔パラメータ算出は、まずステップ701において開始し、ステップ702において、コンピュータ720に測定ファイル名と初期パラメータを入力する。初期パラメータとしては、試料厚(d)、空隙率(φ)、そして、解析対象の透明多孔体の実効屈折率nを入力する。 The pore parameter calculation is first started in step 701, and in step 702, a measurement file name and initial parameters are input to the computer 720. As initial parameters, sample thickness (d), porosity (φ), and effective refractive index n 2 of the transparent porous body to be analyzed are input.

ステップ703において、上記工程により得られた透過率スペクトルT(λ)が分光光度計510からコンピュータ720に取り込まれ、コンピュータ720において、式(7)に従って解析が進められる。 In step 703, the transmittance spectrum T (λ 0 ) obtained by the above process is taken into the computer 720 from the spectrophotometer 510, and the computer 720 proceeds with the analysis according to the equation (7).

ステップ704において、媒体内波長λ(=λ/n)の計算をおこなう。本実施例では、多孔質シリカガラスを被測定対象としていることから、暫定的にシリカ骨格の屈折率1.45を透明多孔体の実効屈折率nの第1の出発値として採用する。 In step 704, the in-medium wavelength λ (= λ 0 / n 2 ) is calculated. In this embodiment, employing a porous silica glass since it is targeted to be measured, as tentatively first starting value of the effective refractive index n 2 of the refractive index 1.45 of the silica skeleton transparent porous body.

ステップ705において、透過率スペクトルT(λ)を、式(7)の左辺に従って、対数を取り試料の厚dさで除した量ln{1/T(λ)}/dを縦軸に、媒体内波長λの逆4乗1/λを横軸にとってプロットする。図4のステップ703〜705は、図1の第2工程の詳細を示すものである。 In Step 705, the amount ln e {1 / T (λ 0 )} / d obtained by dividing the transmittance spectrum T (λ 0 ) by logarithm and dividing by the sample thickness d according to the left side of the equation (7) Then, the inverse fourth power 1 / λ 4 of the wavelength λ in the medium is plotted on the horizontal axis. Steps 703 to 705 in FIG. 4 show details of the second step in FIG.

ステップ705において得られたln{1/T(λ)}/dの媒質内波長の逆4乗1/λに対するプロットを、ステップ706において、式(7)の右辺に示す一次関数でカーブフィッティングすることによって、傾きのパラメータβおよび縦軸切片Cの値を求める。図7のステップ706は、図1の第3工程の詳細を示すものである。 A plot of ln e {1 / T (λ 0 )} / d obtained in step 705 with respect to the inverse fourth power 1 / λ 4 of the in-medium wavelength is a linear function shown in the right side of equation (7) in step 706. By curve fitting, values of the slope parameter β and the vertical axis intercept C are obtained. Step 706 in FIG. 7 shows details of the third step in FIG.

ステップ707において、線型回帰分析より求まる縦軸切片Cの値と式(9)とを用いて、単一界面の反射率rが求め、反射率rを式(10)に代入することにより、多孔体の新実効屈折率nを算出する。図7のステップ707は、図1の第4工程の詳細を示すものである。 In step 707, the reflectance r of the single interface is obtained using the value of the vertical axis intercept C obtained from the linear regression analysis and the equation (9), and the reflectance r is substituted into the equation (10). A new effective refractive index n 2 of the body is calculated. Step 707 in FIG. 7 shows details of the fourth step in FIG.

ステップ708において、線型回帰分析より求まる縦軸切片Cの値より、式(9)及び(10)を用いて求めた1番目の算出値である新実効屈折率nと第1の出発値nとを比較して屈折率の誤差|δ|を求める。差|δ|が許容誤差を超えているようであれば、ステップ709において、その誤差|δ|が小さくなるように、第1の算出値nと第1の出発値nの中間値を新たな第2の出発値nとして採用して、再度、ステップ704に戻る。ステップ704〜ステップ707による線型回帰分析を繰返し、再度、第2の算出値nを求める。この差|δ|が許容誤差内に小さくなるまで、この計算ループを繰返すことで、精度よく、最終解に到達できる。 In step 708, the new effective refractive index n 2 and the first starting value n, which are the first calculated values obtained using the equations (9) and (10) from the value of the vertical intercept C obtained from the linear regression analysis. 2 to obtain the refractive index error | δ |. If the difference | δ | exceeds the allowable error, in step 709, an intermediate value between the first calculated value n 2 and the first starting value n 2 is set so that the error | δ | The new second starting value n 2 is adopted and the process returns to step 704 again. The linear regression analysis in steps 704 to 707 is repeated to obtain the second calculated value n 2 again. By repeating this calculation loop until the difference | δ | becomes smaller than the allowable error, the final solution can be reached with high accuracy.

図8は、ステップ705のln{1/T(λ)}/dの媒質内波長の逆4乗1/λ依存性を線型回帰分析した結果を示す図表で、図8(a)が初回(第1の出発値で計算)、図8(b)が収束後の結果を示す図である。図8(a)は屈折率n=1.45を用いた際の初回の結果、図8(b)は上記の計算ループにより収束した実効屈折率n=1.3179に達した際の結果である。 FIG. 8 is a chart showing the results of linear regression analysis of the inverse fourth power 1 / λ 4 dependence of the wavelength in the medium of ln e {1 / T (λ 0 )} / d in step 705. FIG. Is the first time (calculated with the first starting value), and FIG. 8B is a diagram showing the result after convergence. FIG. 8A shows an initial result when the refractive index n 2 = 1.45 is used, and FIG. 8B shows a case where the effective refractive index n 2 = 1.3179 converged by the calculation loop is reached. It is a result.

図8(b)に示すように、最終的にβ=9.499513×10−7[μm]、C=3.791246×10−5[μm−1]の値がそれぞれ得られる。 As shown in FIG. 8B, finally, values of β = 9.499513 × 10 −7 [μm 3 ] and C = 3.791246 × 10 −5 [μm −1 ] are obtained, respectively.

また、表2に、図7に示す反復計算ループ(ステップ704〜709)による、実効屈折率、縦軸切片、単一反射率を示す。縦軸切片の値は、反復計算によっても殆んど変化しないことが判る。   Table 2 shows the effective refractive index, the vertical axis intercept, and the single reflectance by the iterative calculation loop (steps 704 to 709) shown in FIG. It can be seen that the value of the vertical axis intercept hardly changes even after repeated calculation.

Figure 0006018565
Figure 0006018565

ステップ710において、上式(8)を体積Vに対して解き、式(4)と組み合わせることにより、散乱体、即ち、細孔の平均半径rを求める。また、体積Vを式(6)と組み合わせれば、細孔数密度Nも算出できる。シリカ骨格の密度ρskelton=2.65[g/cm]であるから、式(11)を用いると、比表面積σも算出できる。結果を表3にまとめる。 In step 710, it solves the above equation (8) with respect to the volume V 1, by combining with Equation (4), the scatterer, i.e., obtaining an average radius r p of the pores. Further, if the volume V 1 is combined with the equation (6), the pore number density N can also be calculated. Since the density of the silica skeleton ρ skelton = 2.65 [g / cm 3 ], the specific surface area σ can also be calculated using the equation (11). The results are summarized in Table 3.

Figure 0006018565
Figure 0006018565

図7のステップ710は、図1の第5の工程及び第6の工程の詳細を示したものある。   Step 710 in FIG. 7 shows details of the fifth step and the sixth step in FIG.

本実施例の細孔パラメータ算出の方法は、プログラム・モジュールの中に含まれ、細孔パラメータ解析用コンピュータ520において、目標の現実のプロセッサ上または仮想のプロセッサ上で実行されるコンピュータ実行可能命令の一般的な文脈で説明することができる。プログラム・モジュールのためのコンピュータ実行可能命令は、ローカルのコンピューティング環境内で、または分散コンピューティング環境において実行することができる。   The pore parameter calculation method according to the present embodiment is included in a program module, and a computer executable instruction executed on a target real processor or a virtual processor is executed in the pore parameter analysis computer 520. Can be explained in a general context. Computer-executable instructions for program modules may be executed within a local computing environment or in a distributed computing environment.

また、本実施例の細孔パラメータ算出の方法は、コンピュータ可読媒体の一般的な文脈で説明することができる。コンピュータ可読媒体は、コンピューティング環境内でアクセスすることが可能な任意の可用な媒体である。例として、限定としてではなく、コンピューティング環境内で、コンピュータ可読媒体には、メモリ、ストレージ、通信媒体、および以上のいずれの組合せも含まれる。   In addition, the pore parameter calculation method of this embodiment can be described in the general context of computer-readable media. Computer readable media can be any available media that can be accessed within a computing environment. By way of example, and not limitation, within a computing environment, computer-readable media includes memory, storage, communication media, and any combination of the foregoing.

「検証工程」
「検証工程」では、本実施例のパラメータ決定法により抽出されたパラメータを、従来法である吸脱着等温線から求めた結果と比較して、本実施例の細孔パラメータ決定法による結果の妥当性を評価する。
"Verification process"
In the “verification process”, the parameters extracted by the parameter determination method of this example are compared with the results obtained from the conventional adsorption / desorption isotherm, and the results of the pore parameter determination method of this example are validated. Assess sex.

細孔直径分布を求めるには、透明多孔体の比表面積と平均細孔半径を求めるために、容量式自動ガス吸着装置(BELSORP−mx)を用いて吸脱着等温線を決定する。この装置は、多孔体の孔内壁面への窒素ガスの吸着量を自動的に測定できる。次に、この吸着等温線から、Dollimore and Heal法(非特許文献2)を用いて細孔直径分布を求める。   In order to obtain the pore diameter distribution, an adsorption / desorption isotherm is determined using a capacity type automatic gas adsorption device (BELSORP-mx) in order to obtain the specific surface area and average pore radius of the transparent porous body. This apparatus can automatically measure the amount of nitrogen gas adsorbed on the inner wall surface of the porous body. Next, the pore diameter distribution is obtained from the adsorption isotherm using the Dollimore and Heal method (Non-Patent Document 2).

従来法では、本実施例にて使用したのと同一の多孔質シリカガラス試料に対して、吸脱着等温線を求めた。   In the conventional method, the adsorption / desorption isotherm was determined for the same porous silica glass sample used in this example.

この吸着量測定に先立ち、多孔質シリカガラス試料を、実施例に示した洗浄工程を施した後に、6時間に渡り約450℃で真空加熱し、細孔内部に吸着した水分を乾燥させた。乾燥後、多孔質シリカガラス試料について77Kにおける窒素ガスの吸脱着等温線を測定した。   Prior to this adsorption amount measurement, the porous silica glass sample was subjected to the washing step shown in the Examples, and then heated in a vacuum at about 450 ° C. for 6 hours to dry the moisture adsorbed inside the pores. After drying, the adsorption and desorption isotherm of nitrogen gas at 77K was measured for the porous silica glass sample.

図9に、多孔質シリカガラスの窒素ガス吸脱着等温線を示す。横軸に、液体窒素温度における飽和蒸気圧に対する窒素ガス圧の相対値を取り、縦軸に吸着量をとっている。吸着等温線と脱着等温線とはメソポーラス多孔物質に典型的なヒステリシス特性を示している。この吸着等温線を相対圧P/P=0.02〜0.5の範囲で、BET解析することによって、比表面積としてσ=207[m/g]の値を得る。 FIG. 9 shows a nitrogen gas adsorption / desorption isotherm of porous silica glass. The horizontal axis represents the relative value of the nitrogen gas pressure with respect to the saturated vapor pressure at the liquid nitrogen temperature, and the vertical axis represents the adsorption amount. The adsorption isotherm and desorption isotherm show hysteresis characteristics typical of mesoporous porous materials. The adsorption isotherm is subjected to BET analysis in the range of relative pressure P / P 0 = 0.02 to 0.5 to obtain a value of σ = 207 [m 2 / g] as the specific surface area.

この値と表3に示された本発明の方法により導出された値とを比較すると、本発明による値は、従来法で求められた値の約7割程度(=145/207)であることがわかる。本パラメータ決定法では、細孔の幾何学形状として球形を想定しており、他方、従来法が円柱状の細孔形状を想定していることと考え合わせると、本評価法による値と従来法による値とは、全く同一の値を与えてはいないものの、同一オーダの値を与えていることから、簡易な手法による細孔パラメータ決定法としては充分な精度を有すると結論される。   When this value is compared with the value derived by the method of the present invention shown in Table 3, the value according to the present invention is about 70% (= 145/207) of the value obtained by the conventional method. I understand. In this parameter determination method, a spherical shape is assumed as the geometric shape of the pores. On the other hand, considering that the conventional method assumes a cylindrical pore shape, the values obtained by this evaluation method and the conventional method Although the values obtained by are not given the same value, they are given values of the same order, so it is concluded that the method has sufficient accuracy as a pore parameter determination method by a simple method.

図10に、上記多孔質シリカガラスの細孔直径分布を示す。これは、図9に示した吸脱着等温線をDollimore−Heal法(非特許文献2)により解析して求めたものである。   FIG. 10 shows the pore diameter distribution of the porous silica glass. This is obtained by analyzing the adsorption / desorption isotherm shown in FIG. 9 by the Dollimore-Heal method (non-patent document 2).

吸着等温線を解析すると、細孔直径6.4nm当りにピークを有するブロードな細孔径分布曲線が得られる。他方、脱着等温線を解析すると、細孔直径4.2nmに顕著なピークを有するシャープな細孔径分布曲線が得られる。   When the adsorption isotherm is analyzed, a broad pore diameter distribution curve having a peak per pore diameter of 6.4 nm is obtained. On the other hand, when the desorption isotherm is analyzed, a sharp pore size distribution curve having a remarkable peak at a pore diameter of 4.2 nm is obtained.

本発明のパラメータ決定法によれば、表3に示すように、平均細孔半径(r)として、初回は2.95nm、収束後は3.35nmが得られており、直径(d)換算すると、それぞれ5.9nm(初回)、6.7nm(収束後)が得られる。 According to the parameter determination method of the present invention, as shown in Table 3, the average pore radius (r p ) is 2.95 nm for the first time and 3.35 nm after convergence, and the diameter (d p ) When converted, 5.9 nm (first time) and 6.7 nm (after convergence) are obtained, respectively.

この結果から、本発明による細孔パラメータ決定法では、オーダ的にはほぼ同一であるが、吸着等温線に基づく細孔径分布に非常に近い結果が得られていることがわかる。   From this result, it can be seen that the pore parameter determination method according to the present invention is almost the same on the order, but the result is very close to the pore size distribution based on the adsorption isotherm.

501 透明多孔体試料
510 分光光度計
511 光源
512 試料室
513 検出器
514 演算部
520 解析用コンピュータ
501 Transparent porous body sample 510 Spectrophotometer 511 Light source 512 Sample chamber 513 Detector 514 Calculation unit 520 Computer for analysis

Claims (7)

分光光度計に接続されたコンピュータにより、透明多孔体の細孔パラメータを算出する方法であって、
平行平板状に加工された前記透明多孔体の平行平板厚と空隙率とを、予め前記コンピュータに入力するステップと、
前記分光光度計において測定した前記透明多孔体の透過率スペクトルを、前記コンピュータに入力するステップであって、前記透過率スペクトルは、可視領域において波長掃引して測定される、ステップと、
前記透過率スペクトルの対数を取って前記透明多孔体の平行平板厚で除した値を、前記透明多孔体の骨格部材の屈折率で除した波長の逆4乗に対してプロットするステップと、
前記プロットした前記透過率スペクトルの対数を取って前記平行平板厚で除した値を、線型回帰分析して、傾きパラメータと縦軸切片を算出するステップと、
前記縦軸切片から空気と多孔体界面とにおける反射率を算出するステップと、
前記多孔体界面での反射率から前記透明多孔体の実効屈折率を算出するステップと、
前記傾きパラメータから、前記透明多孔体の平均細孔半径並びに細孔数密度を算出するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
A method of calculating pore parameters of a transparent porous body by a computer connected to a spectrophotometer,
Inputting the parallel plate thickness and porosity of the transparent porous material processed into a parallel plate shape into the computer in advance;
Inputting the transmittance spectrum of the transparent porous body measured in the spectrophotometer into the computer, wherein the transmittance spectrum is measured by wavelength sweeping in the visible region; and
Plotting the logarithm of the transmittance spectrum and dividing by the parallel plate thickness of the transparent porous body against the inverse fourth power of the wavelength divided by the refractive index of the skeleton member of the transparent porous body;
A value obtained by taking the logarithm of the plotted transmittance spectrum and dividing by the parallel plate thickness is subjected to linear regression analysis to calculate a slope parameter and a vertical axis intercept;
Calculating the reflectance at the air and porous body interface from the vertical axis intercept;
Calculating the effective refractive index of the transparent porous body from the reflectance at the porous body interface;
Calculating the average pore radius and pore number density of the transparent porous body from the slope parameter;
A method comprising the steps of:
前記空隙率と前記平均細孔半径を用いて、前記透明多孔体の比表面積を算出するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, further comprising calculating a specific surface area of the transparent porous body using the porosity and the average pore radius. 前記透明多孔体は、アセトン、エタノール、及び超純水による、透明度を向上させるための洗浄であって、それぞれ単独もしく2つ以上を複数組み合せ、かつ各洗浄をそれぞれ複数回以上、洗浄を施されることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。   The transparent porous body is a cleaning with acetone, ethanol, and ultrapure water for improving the transparency, and each cleaning is performed individually or in combination of two or more, and each cleaning is performed more than once. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein: 前記透明多孔体が多孔質ガラスである場合、前記透明多孔体は、前記洗浄工程は、0.1%希釈フッ酸による前記透明多孔体のライトエッチング処理がさらに施されることを特徴とする請求項3に記載の方法。   When the transparent porous body is porous glass, the transparent porous body is further subjected to a light etching process of the transparent porous body with 0.1% diluted hydrofluoric acid in the cleaning step. Item 4. The method according to Item 3. 前記透明多孔体は、前記洗浄により洗浄したのち、真空中で150度℃以上に6時間以上加熱し、過熱後に乾燥窒素保管して乾燥させる乾燥工程がさらに施されることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。   The transparent porous body is further subjected to a drying process in which the transparent porous body is cleaned by the cleaning, heated to 150 ° C or higher in vacuum for 6 hours or more, and stored after being heated and dried and stored in dry nitrogen. The method according to any one of 1 to 4. 前記透明多孔体の透過率スペクトルを測定する分光光度計と、
前記分光光度計に接続されたコンピュータとを備え、
請求項1又は2に記載の方法を実行することを特徴とする細孔パラメータ計測システム。
A spectrophotometer for measuring the transmittance spectrum of the transparent porous body;
A computer connected to the spectrophotometer,
A pore parameter measurement system, wherein the method according to claim 1 or 2 is executed.
請求項1又は2に記載の方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを格納したことを特徴とするコンピュータ可読記憶媒体。   A computer-readable storage medium storing a program for causing a computer to execute the method according to claim 1.
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