粉体材料の比表面積・細孔分布測定

粉体材料の比表面積・細孔分布測定とは

触媒担体、吸湿材、消臭剤等として利用される、活性炭、ゼオライト等の多孔質材料※の比表面積測定や細孔の大きさ・量を測定する事は、吸着性能を評価する上で極めて重要です。当社ではガス吸着法による比表面積および細孔分布(細孔の大きさ・量)測定、水銀圧入法による細孔分布、気孔率測定が可能です。また、セメント材料の物理試験としてブレーン法による比表面積測定も可能です。
※多孔質材料・・・・内部に大小様々な孔をもつ固体材料

測定法と測定項目

孔のサイズと測定方法

粉体材料の比表面積・細孔分布測定の適用分野

• 資源、燃料、エネルギー
• 食品、繊維、化学工業
• 金属加工(3Dプリンター)、電子材料(電池・電極・セパレータ)、塗料、医薬品

1.ガス吸着法

ガス吸着法による細孔分布、比表面積の測定原理

気相で動き回っているガス分子が固体表面に引きつけられる現象をガス吸着といいます。ガス吸着には物理吸着と化学吸着があり、物理吸着とは、低温での分子間力に基づく可逆的な吸着をいいます。
ガス吸着法とは、多孔質試料にガス分子を物理吸着させて吸脱着等温線を測定し、その曲線を各種解析方法により解析して比表面積,細孔容積,細孔分布などを得る手法です。

ガス吸着法の装置仕様

機種 : Quantachrome社製 MasterPrep MP-2-110
温度 :室温~425°C 
真空度 :1Torr以下
同時処理数:6検体

機種 : Quantachrome社製 autosorb iQ
測定性能 : 比表面積 N2ガス 吸着 0.01 m²/g以上
              Kr ガス吸着 0.0005 m²/g以上
細孔分布 : 0.35 nm<D < 500 nm
測定相対圧力 : 1×10^-7<P/P₀<1 (N₂吸着)
容積検出限界値 : 0.0001 mL/g以下

測定装置の仕様

サンプル仕様

• 微粉体からmmオーダーの粗粒
  ※測定用ガラスセルに入る大きさであれば板状でも可能
• 試料量:5mL程度/回

ガス吸着法の事例

事例1;無機粉体の比表面積測定(ガス吸着法)

等温線の一部(P/P₀=0.05~0.3)を測定し、BETプロット(図1)を作成して比表面積を算出します。(BET多点法)

試料:無機粉体 0.7634g
前処理:200°C 1時間加熱真空脱気
測定条件:N₂吸着 液体窒素77 K

測定結果

BET比表面積 4.5 m₂/g

事例2;活性炭の比表面積及び細孔分布測定(ガス吸着法)

既知量のガスを連続して試料セルに加えながら圧力を測定する操作を繰り返し、吸着等温線(図2)を得ます。吸着等温線は、細孔の有無や形状,大きさなどによりその形が変化し、細孔の大まかな情報が得られます。

試料:活性炭 0.01g
前処理:200°C、2時間加熱真空脱気
測定条件:N₂吸着 液体窒素77 K

測定結果

比表面積: 1104 m₂/g
全細孔容積(1点法): 0.65 cc/g
(P/P₀=0.993717)
平均細孔径: 23.6Å

また、DFT法を用いた解析により細孔分布を取得する事ができます(図3)。

2.水銀圧入法

水銀圧入法による細孔分布、気孔率の測定原理

小型容器に試料を入れ、そこへ固体を濡らさない性質をもつ水銀を満たします。低圧から高圧へステップで試料の大きな細孔から小さな細孔へと試料内に水銀を圧入させます。その際の圧力と試料へ圧入された水銀の体積を測定することで、細孔径分布が得られます。また、圧入前の試料(かさ)体積と圧入後の試料(みかけ)体積から気孔率が求められます。

装置仕様

機種 : 島津製作所社製 オートポアIV9500/9505型
測定媒質 : Hg
測定範囲:孔径Φ4nm~Φ400μm

測定項目、解析方法

サンプル仕様

• 測定セル:Φ15×15mm/Φ15×25mm/Φ25×25mm
• 試料量 :3mL/5mL/15mL

水銀圧入法の事例

備長炭の細孔分布測定(水銀圧入法)

小型容器に試料を入れ加圧して試料の細孔内に水銀を圧入させます。その際の圧力と試料へ圧入された水銀の体積を測定することで、細孔径分布が得られます(図4)。

3.ブレーン法

セルをマノメータから取り外し、その底部に有孔金属板及びろ紙を置き、その上に試料を秤取ります。その上に別のろ紙を置いて、プランジャーで静かに押します。ブランジャーを静かに抜き取ります。

セルをマノメータに密着させ、コックを開きゴム球を用いてU字管内のマノメータ液の液頭をA標線まで上げ、コックを閉じます。液頭がB標線からC標線まで降下する時間をストップウォッチを用いて0.5秒まで正確に測定します。

この空気の通り具合によって、B標線からC標線まで降下する時間が変化し、比表面積(cm²/g)を算出することができます。

比表面積大⇒細かい粉末
比表面積小⇒粗い粉末

ブレーン法の適用分野

• セメント、フライアッシュ、その他乾燥した粉体

装置仕様

機種 :東京理化精機製作所 ブレーン空気透過粉末度測定器
測定媒質 : 空気
測定範囲:比表面積球相当径 1~100μm

サンプル仕様

• セメントやその他乾燥した粉体
• 目開き850 μmの試験用ふるいでふるって雑物を除去したもの
• 試料量目安:約50g
  別途密度測定実施の場合は、追加で試料が必要です。ご相談ください。

公的規格

【ガス吸着法】

• ・JISZ8830 ガス吸着による粉体(固体)の比表面積測定方法
• ・JISZ8831-3 粉体(固体)の細孔径分布及び細孔特性-第3部:ガス吸着によるミクロ細孔の測定方法
• ・JISR1626 ファインセラミックス粉体の気体吸着BET法による比表面積の測定方法

【水銀圧入法】

• ・JISR1655 ファインセラミックスの水銀圧入法による成形体気孔径分布試験方法

【ブレーン法】

• ・JIS R 5201 セメントの物理試験

参考技術資料

• HRM-1627 ガス吸着法による粉体材料の比表面積・細孔分布測定