显微孔径测量仪

近年来，多孔材料的开发和应用进展迅速，如多孔聚合物、多孔陶瓷、泡沫塑料、多孔金属材料等。这些材料具有一些共同的特点：密度小、孔隙率高、比表面积大，在化工、电化学、建筑、军工及航天等领域发挥着独特且重要的作用。与此同时，一些新兴领域也越来越多地应用多孔材料来解决相关问题，例如某新推出的电动汽车电池采用了多孔海绵状的纳米多孔硅，可抑制硅碳负极膨胀，从而大幅提高锂电池的容量，提升电动汽车的续航能力。多孔硅用于锂电池负极多孔材料孔结构的研究需要准确、简洁的表征技术。根据检测目的，一般可分为X射线小角度衍射法、气体吸附法、电子显微镜观察法、压汞法、气泡法、离心力法、透过法、核磁共振法等。目前，表征材料比表面积和孔径最普遍的方法是气体吸附法，即气体分子（吸附质）在被测材料（吸附剂）表面因为范德华力产生的吸附，通过测量样品的吸附等温线，采用等效代换的方法计算出材料比表面积和孔径的特征。当前国内比表面积的测量仪器主要分为2种，动态色谱法和静态法容量法均可，但孔径的测量方法则是国际通用的静态容量法，此方法测量孔径的范围从0.35nm到100nm以上，其中IUPAC对孔径做了分类，见下图， 纳米孔纳米孔：包括微孔、介孔和大孔；大孔：孔宽大于50nm的孔；Fe3O4、硅藻土等材料含此类孔；介孔：宽度介于2nm到50nm之间的孔；大多数超细粉体是在这一范围内；微孔：孔宽小于2nm的孔；活性炭，分子筛，沸石，MOF等材料中大都含有微孔，后面对微孔又做了细分和补充；极微孔：孔宽大于0.7nm的较宽微孔；超微孔：孔宽小于0.7nm的较窄微孔。1、 微孔测试难点对于微孔材料的孔径和孔体积进行分析是很困难的，如下图所示，在微孔内相对的两个孔壁距离很近，孔壁产生的作用势重叠，对吸附质分子的作用力比中孔和大孔大，在液氮温度77K下的N2吸附是微孔和介孔分析最常用的吸附质，此时气体分子的扩散速度和吸附平衡都很慢，填充0.35nm~1nm的孔要在相对压力10-9＜P/P0＜10-5间才会发生，为了达到微孔填充所需的较低相对压力需要涡轮分子泵级别真空，即整个真空系统需达到很高真空。2、 静态法高性能仪器针对微孔，超微孔以及极微孔的测试难点，国仪精测推出了静态法高性能UltraSorb仪器。静态法高性能UltraSorb仪器如上图所示，为保证整个测试过程的高真空度，UltraSorb仪器从分子泵、真空管路到样品管全体系采用金属面密封，通过VCR金属垫片连接。该仪器没有采用常规仪器所使用的石英样品管，而是采用了一种新型样品管——不锈钢焊接石英管。此样品管特点是：上部不锈钢部分与高性能UltraSorb仪器之间通过金属垫片进行硬连接，进一步提高整个仪器的密封性能，不锈钢焊接石英玻璃管的下部石英玻璃部分发挥石英玻璃样品管低导热性能，在实验测试中能够降低冷却液（液氮）挥发，从而提高液氮使用时间。为获取测试微孔所需较低相对压力，高性能UltraSorb仪器在提高真空系统真空度方面包括以下关键几点：1） 采用两级机械泵叠加涡轮分子泵协同工作实现更高真空。真空泵抽取真空将仪器系统降低到一定真空度后开启涡轮分子泵，通过高速旋转的旋叶将扩散至分子泵中的气体分子排出，从而减少真空体系中的气体分子，进一步实现更高的真空度。2）改进高真空涡轮分子泵连接方式。由于波纹管和O型密封圈在低真空下存在自身放气问题，将涡轮分子泵的连接方式进行了改进，传统仪器采用ISO-K连接方式，分子泵和波纹管通过O型圈密封；高性能仪器连接方式改为CF刀口法兰，即通过铜垫片将涡轮分子泵和高真空微焊管路系统进行连接，这种连接方式可以将分子泵极限真空度提高2个数量级。3）涡轮分子泵进气口采用轴向直连设置方式。较大的口径更便于气体分子的扩散，为了发挥涡轮分子泵的优势，设置分子泵轴向进气CF法兰连接方式，将工作口径优化到最大，且将涡轮分子泵和高真空微焊管路系统腔体采用CF刀口法兰直接连接的方式，可进一步提高整个系统真空度。4）优化气体管路，充分发挥分子泵优势。所有管路均为高真空微焊管路系统，全系统内管壁电抛光处理，管路之间采用金属面密封的VCR接口配件连接，克服O型圈密封在低真空下自身放气问题，确保高真空下漏气率达到1*10-11Pa.m3/S要求。5）配套的VCR接口气动阀门，消除电磁阀局部发热引入的测量误差。除此之外，高性能仪器还应用了高精度数字化压力测量以及数据采集系统，多量程压力传感器分段测量，工业标准RS485或RS232通讯模式，以及油浴控温腔，同位预处理方式等措施确保微孔测试数据的准确性。3、 总结静态法高性能UltraSorb仪器测试微孔标样测试结果见下图所示，相对压力P/P0最低可达到10-7，位于微孔分析相对压力区间，测试微孔的中值孔径为0.84nm，符合微孔标样的标准值，证明仪器在温度77K下氮气测试微孔完全可以满足要求。（国仪精测 供稿）

2010年9月，美国康塔仪器公司隆重推出最新的薄膜孔径分析仪器， Porometer 3G。该仪器是一款独特的全自动多功能分析仪，该仪器的测试原理为毛细管渗透法，利用可浸润液体测定薄膜孔径及渗透率。该方法没有污染，无需实验室改造，更安全更便捷。同时该方法也是ASTM薄膜测定的标准方法 。为了使广大用户更多地了解美国康塔仪器公司最前沿的测量技术, 我公司将于2010年12月14日9:30时在北京理化分析测试中心（北京市西三环北路27号），举办全自动薄膜孔径及渗透率测量仪新品发布暨技术讲座，届时将由我公司总部的专家Mr. Jeff. Dixon详细介绍该仪器原理及应用并解答有关问题。欢迎您的光临！

常规测定材料比表面积和孔径的方法有气体吸附法、压汞法、扫描电镜、小角X光散射、以及小角中子散射等，其中，气体吸附法是最常见的测试方法，尤其是针对具有不规则表面和复杂孔径分布的材料，其孔径测量范围从0.35nm到100nm 以上，涵盖了全部微孔和介孔，甚至延伸到大孔。近年来，受益于锂电池等新兴领域应用拓展，气体吸附分析仪市场迎来良好发展机遇。为满足逐渐丰富的应用场景和市场需求，诸多吸附表征仪器企业也在不断推陈出新，2022年上半年，多款比表面积和孔径分析类新品陆续上市，主要以气体吸附法为主。本文特对仪器信息网新品栏目中申报的相关产品进行梳理与盘点，以飨读者。（特别声明：受限于时间与资源，新品盘点范围仅限本网收录的不完全统计，如有遗漏，欢迎补充完善）（1）安东帕安东帕比表面和孔径分析仪：Nova系列2022年2月，安东帕发布最新一代比表面及孔径分析仪 Nova 系列。全新Nova 系列包含600BET、800BET、600、800四个型号，可对不同吸附质在不同温度下，相对压力范围从1x10-4至0.5或0.999的等温线进行测定，从而计算得到材料的比表面积、孔径分布和孔容的信息。全新Nova系列在保证测试精度的基础上，分析速度得以进一步提升，可在短短20分钟内对4个样品进行5点BET分析，且重复性2022年，理化联科（北京）仪器科技有限公司推出专为锂电行业设计的的iPore450超低比表面积与孔径分析仪。理化联科iPore450超低比表面积与孔径分析仪对于低比表面样品，样品管及仪器管路的背景吸附量不能忽略不计，会影响BET计算结果。样品比表面值越小，影响越显著；样品称样量越小，偏差越大。iPore 450采用背景校准技术，消除了电池材料比表面值的质量非线性影响。该设备还采用了气密式一体化填塞棒、快紧接口连接，以及移除式杜瓦瓶托架等全新技术，减少人员操作产生的误差，克服仪器环境引起的的偏差，实现了超低比表面样品的精确测量，重复性可达0.05% ，重现性优于0.5%。（3）国仪精测6月17日，国仪精测发布高性能微孔分析仪Ultra Sorb、蒸汽吸附仪S-Sorb、高温高压气体吸附仪H-Sorb升级版、动态法比表面积测试仪F-Sorb CES直管升级版四款重磅新品。高性能微孔分析仪Ultra Sorb聚焦于微孔材料的表面特性表征，设备在不锈钢管路基础上，突破性设计VCR金属面密封样品管，提升气体管路的整体密封性，具有高真空长时间可保持性、极低的系统漏气率控温精度高、高通量等独特优势。系统漏气率低至1x10-11Pa.m3/s, P/Po低至1x10-9准确测定，让极限0.35nm微孔分析成为可能。可广泛应用于环保、燃料电池、医药和催化等行业。蒸气吸附仪S-Sorb是测定水和有机蒸气等温吸附曲线的设备，可测试材料对水蒸气、有机蒸汽及各种气体的吸脱附量、吸脱附速度等参数。该设备使用不锈钢管路通过VCR接口连接，提升管路真空度。核心系统器件125℃下恒温，具有耐压耐腐蚀型蒸汽发生器，系统漏气率低至1x10-11Pa.m3/s 。可广泛应用于食品、药品和水净化等行业。高温高压气体吸附仪H-Sorb主要是在高温高压场景下使用静态容量法进行材料吸附量的测试，可以测试分析吸脱附等温线、Langmuir模型回归等温线、PCT曲线、吸脱附动力学曲线、吸氢及放氢压力平台、TPD程序升温脱附、吸放氢循环试验和吉布斯超临界吸附等。具备高度集成的测试系统，可实现高精度宽温控温，高压下系统漏气率仍低至1x10-10Pa.m3/s。设备可以应用在煤层气、页岩气和储氢材料等行业。动态法比表面积测试仪F-Sorb采用动态色谱法测试原理，可以通过直接对比法、单点和多点BET快速测试样品的比表面积。设备测试效率高；独有的直管样品管，易安装、易装样、易清洗；配备全自动步进电机，实现精准流量调节。可广泛应用于锂电池、陶瓷、医药等粉末材料的生产质检中。（4）MicromeriticsAutoChem III 化学吸附系统2022年6月，全球领先的材料表征技术公司 Micromeritics宣布新品 AutoChem III 的上市。AutoChem III 的全新设计旨在简化关键实验步骤，每天能够为用户节省几个小时，减少测试时间，提高实验效率。新型 Autocool 高度集成空气冷却系统不需要额外的低温液体或外部冷却介质，即可将实验时间缩短 30 分钟或更长时间；独特的 AutoTrap 为 TPR 实验提供高效的蒸汽捕获，无需制备冷却浴；获得研发专利的KwikConnect 样品管安装一体式设计保证了密封性，规避了由传统螺纹接头带来的泄漏风险。AutoChem III 的动态化学吸附和程序升温分析在开发新催化剂材料至关重要的性能指标中发挥着极其重要的作用，助力碳捕获和利用、氢清洁能源以及其他净零等技术的发展。（5）真理光学 微孔径快速测量仪2022年6月，珠海真理光学仪器有限公司发布微孔径快速测量仪 。测试方法为真理光学团队首创研发的光通量微孔径测量法（专利申请号：CN202110766064.2），测量方法快速可靠，比传统的显微镜和电镜检测方法快10倍以上，且能够输出全部孔的孔径、分布及位置，这是其他方法不具备的。