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    真密度的测量原理与方法
    来源:本站 时间:2021-06-19 12:04:49 浏览:11304次

    1 引言

    真密度(True Density)是相对于颗粒群的表观密度和堆密度而言的,指材料在绝对密实的状态下单位体积的固体物质的实际质量,即去除内部孔隙或者颗粒间的空隙后的密度。

    真密度是粉体材料最基本的物理参数,也是测定微粉颗粒分布等其他物理性质必须用到的参数,因此,对材料的真密度进行测量变得十分重要[1]。

    当然,除了作为粉体材料最基本测物理参数之外,测量材料的真密度还具有以下意义:

    1)真密度数值大小决定了材料化学组成及纯度,其值的大小也直接影响着材料的质量、性能及用途。因此测定粉末的真密度有重要的意义,它是保证许多产品尤其是粉体产品质量的重要物理指标之一。

    2)许多无机非金属材料都采用粉末原料来制造,因此在科研或生产中经常需要去除空隙,测定粉体真密度。

    3)在水泥或陶瓷材料制造中,需要对粘土的颗粒分布、球磨泥浆细度进行测定,也需要真密度的数据。

    4)真密度是粉体材料一项重要的物性指标,因为所有宏观物理性质几乎都与密度有关,同时密度也是测定微粉颗粒分布等其它物理性质必须用到的参数。

    5)对于水泥等部分建筑材料,其最终产品就是粉体,因此,测定水泥的真密度对生产单位和使用单位都具有很大的产业实用意义。

    6)在新材料的制造中,比如说精密陶瓷材料,求取总孔隙率测定时,都需要真密度的数据。

    7)在测定粉体或多孔材料的比表面积时,需要粉体真密度的数据进行计算。

    8)在粉末冶金的过程中,需要计算粉末体积比(如金属增材制造生产过程中,需要了解金属粉和塑料比例),从而计算混合粉的理论密度,所以每种粉末的真实密度是重要数据。

    在如此多的重要因素协同之下,真密度的概念已广泛应用于塑料、碳素材料、黑火药等粉体的特征评价中。作为一种重要的材料学参数,真密度涉及的领域也逐渐变得广泛,包括:锂电、陶瓷、催化剂、滤材、核燃料、石油化工、土壤、肥料、炭黑、焦炭、纤维、矿物、制药、化妆品、水泥、粉末食品、干燥剂、粉末金属、离子交换树酯、硅胶、氧化铝、二氧化钛、固体泡沫等等[2]。

    综上,不管是从真密度的测量意义,还是从真密度涉及的宽广领域来说,对真密度的测量都值得相关科研工作者的关注。因此,笔者将结合实例对其测量原理与方法进行详细的展开阐述。

    2 测量原理

    提及密度,大家肯定都知道:密度就是物体的质量除以体积。单位通常是g/cm³或kg/m³,计算公式为:

    ρ=m/v

    然而,看似简单的密度其实并不简单。密度一词,在“密度”大家庭里面只是最基础的一个概念。此外还有其他“密度”家庭成员,比如“振实密度”、“松装密度”、“堆积密度”、“压实密度”、“表观密度”、“体积密度”、“相对密度”等,均与“真密度”有所不同(图1)。

     

    因此,要掌握真密度的测量原理,上述这些容易混淆的基本相关概念必须要搞清楚。

    1)表观密度:表观密度是指材料的质量与表观体积之比。表观体积是实体积加闭口孔隙体积。一般直接测量体积,对于形状非规则的材料,可用蜡封法封闭孔隙,然后再用排液法测量体积。表观密度描述的是材料在长期自然干燥下的状态。

    2)振实密度:指在规定条件下容器中的粉末经一定压力振实后所测得的单位容积的质量,通常采用振实密度仪测量。振实密度是与超细颗粒尺寸、形貌及其尺寸分布和干燥程度(含水率)有关的可测量的宏观特性之一,也是超细粉末产品生产与应用最常用的质量控制参数。

    3)堆积密度:堆积密度又称体积密度,松密度,毛体密度,简称堆密度。是把粉尘或者粉料自由填充于某一容器中,在刚填充完成后所测得的单位体积质量。堆积密度受容器大小、填充方式等因素的影响,测定时应按一定的方法进行,通常是从一定的高度让试料通过漏斗定量自由落下。

    4)相对密度:指物质的密度与参考物质的密度在各自规定的条件下之比。通俗来讲,就是某个物质和某个已知密度的参照物(常见参照物为水)进行比较,然后进行简单的计算便得知此物质的密度。

    对比之下不难发现,真密度的测量原理其实很简单:首先测试出样品的质量,随后利用液体或者气体排出的办法,测量排出总体积,也就是样品在绝对密实状态下的体积,最后根据密度计算公式,即可得出样品材料的真密度。

    3 测量方法

    真密度的测量方法相对来说较为集中,主要有两种:气体容积法和浸液法,其中,浸液法又叫做比重瓶法(图2)[3]。

    3.1 浸液法(比重瓶法)

    浸液法适用于粉料,片料,粒料或制品部件的小切片。该法测定粉体真密度是基于阿基米德流体静力学原理(浸入静止流体中的物体受到一个浮力,其大小等于该物体所排开的流体重量,排出体积等于物体体积)。

    具体测量操作方法如下:将待测粉末浸人对其润湿而不溶解的浸液中,抽真空除去气泡,求出粉末试样从已知容量的容器中排出已知密度的液体体积,就可据此计算所测粉末的真密度。

    然而,使用该法测试材料真密度时存在许多问题,具体如下:

    1)由于操作步骤多,涉及的问题节点多,不同操作者的操作熟练程度不同和手法不同,会直接影响实验结果的准确性。

    2)不同的样品需要采用不同的浸润液体,以防止溶解、与材料起反应等问题;对无机粉体一般多选用有机溶剂、对水会引起反应的材料如水泥则可用煤油或二甲苯等有机液体介质等,若选错浸润液体,则会导致结果出现较大偏差。

    3)浸润液体要能够容易润湿材料内部孔隙的表面,如果选取的润湿液不恰当,会产生不易浸润表面的情况,影响测试结果的准确性。

    4)测试粉末状材料时,当粉末完全浸入液体中,必须完全排除其气泡,才能确定其所排除的体积,此时需要采用煮沸来排除其气泡,并要使用恒温水浴排除温度影响,操作起来做不到简单易行,易出纰漏,且计算过程易受到操作误差的影响。

    5)对于粒度小于5 μm的超细粉体,若样品研磨的太细,在其表面上有更多机会强烈地吸附气体,会使粉末浮于液体表面,沉降困难,在盖上比重瓶盖时会溢出损失,导致结果偏低,测定误差增大,重复性差。

    3.2 气体容积法

    气体容积法适用于各类粉体、片状、块状材料,尤其适合于多孔材料。该法的基本原理是以气体取代液体测定样品所排出的体积,气体能参入样品中极小的孔隙和表面的不规则空陷,因此测出的样品体积更接近样品的真实体积,从而可以用来计算样品的密度,相对来说,测试值更接近样品的真实密度。

    具体操作方法如下:将测试料置于真密度测试仪中,用氦气作为介质,在测量室里逐渐加压到一个规定值,然后氦气膨胀进入膨胀室内,两个过程的平衡压力由仪器自动记录,根据质量守恒定律,通过标准球校准测量室和膨胀室的体积后,再确定试料的体积,从而计算出真密度。

    气体容积法具有许多优点:

    1)此法排除了浸液法对样品溶解的可能性,具有不损坏样品的优点。

    2)采用该法的真密度分析仪测试过程中不会产生与材料反应的问题,不会对设备造成腐蚀,使用过程中安全系数高,且样品不会被污染可以直接回收,有利于贵重样品测试后的回收。采用这种方法的仪器操作更加简单,测试时间更短,测试结果准确,重复性更好。

    3)采用氦气代替浸润液,利用氦气是小分子惰性气体,具有易扩散、渗透性好、稳定性好的特点,迅速深入到材料的内部孔隙中,对常规方法无法测量的材料孔隙和不规则表面凹陷等均可迅速填充,测量出的样品体积与比重瓶法比较,会更加接近样品的真实体积,从而使得样品的真密度值更加贴近真实值。

    当然,气体容积法也有其缺陷:由于密度测量结果受温度影响较大,导致测量结果极大的不稳定;未经预处理的样品表面会吸

    收一层水份,形成水膜,在压力100 KPa(约一个大气压)的情况下,样品孔道内外的压力是相同的,内孔会被水膜隔绝成封闭的空间,如图3所示。且随着测试压力增加时,水膜的位置会被向孔道内部挤压,从而导致实际的内孔体积变小,参于置换的气体无法完全进入孔道内部,从而导致测量结果不准确。

    总而言之,不管采用比重瓶法还是气体容积法,都有许多重要的注意事项,只有细心细致,才能保证测量结果的有效性。

    4 应用实例

    随着真密度涉及的领域越发广泛,其应用也逐渐增多,尤其是在多孔材料以及多孔粉体等材料领域。

    1:

    真密度作为是矿物的重要物性之一,它不仅是矿物的重要鉴定特征之一,也是定量确定晶体结构中结构缺陷的数量和晶体结晶

    程度的重要判据之一。通过测量矿物的真密度可以有效地获得存在于晶体颗粒间的闭口孔隙和各种物理缺陷。

    为了分析矿物材料内部的孔隙及结构缺陷,中国地质大学材料科学与化学工程学院的刘昊等人[4]利用改进的比重瓶法,对所选矿物试样进行了真密度的测量。如表1所示,可以看到,所选的四种常见矿物试样的测量结果与理论计算结果十分接近,标准误差也均小于0.2%,这表明利用比重瓶法测量材料真密度的可行性,且结合该测量结果,作者也进一步分析了对应矿物中的孔隙结构。

    实例2:

    高纯硅微粉是一种新型高科技材料,因绝缘性高、耐高温、低密度、分散性好等特点,广泛用作集成电路封装材料、高分子复合材料、电力材料、化工填料等。真密度数值大小决定于材料化学组成及纯度,其值直接影响材料质量、性能及用途,对其测定有重要意义,它也是保证高纯硅微粉产品质量的重要物理指标之一。测定真密度的关键是真体积的测定,而测量真体积最重要的是将孔隙间的气泡排尽。目前国内对粉体材料真密度的测定研究

    很少,关于高纯硅微粉真密度的测定更是鲜有报道。

    有鉴于此,西南民族大学化学与环境保护工程学院的李晖等人[5]对高纯硅微粉的真密度进行了测量。如图4所示,作者同时探讨了不同粒径和温度对测试样真密度的影响。结果表明,测定真密度时试样的真体积不应存在闭口气孔,故样品必须磨细至一定粒度,使气体脱除完全,否则测得值偏低。但当粒度减小到250目时,真体积逐渐趋于真实值,真密度也趋于一致;然而,当粒度过小时,试样中太细的颗粒会浮于液体表面,沉降困难,在测量时会导致溢出损失,结果偏低,测定误差增大,重现性差。此外,不同测定温度对测定结果影响很小,故而可忽略温度对真密度的影响。

    5 参考文献

    [1] Zhu Jie, Komatsu, Keiji,Li, et al. True density of nanoporous carbon fabricated from rice husk. Measurement. 2021, 173.

    [2] Liu Donghua, Li Yanjun,Lv, Chunjiang,Chen, et al. Permeating behaviour of porous SiC ceramics fabricated with different SiC particle sizes. Ceramics International. 2021, 47.

    [3] Sun C. A novel method for deriving true density of pharmaceutical solids including hydrates and water-containing powders. Journal of Pharmaceutical Sciences. 2004, 93.

    [4] 刘昊, 何涌出. 矿物材料真密度测定方法的改进. 矿物学报. 2005, 25, 04, 321-324.

    [5] 李晖, 张嫦, 陈峰, 王晓东. 高纯硅微粉真密度的测定. 西南民族大学学报. 2007, 33, 2, 344-346.

     

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    12条评论
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    全部 3小时前 四川
    文字是人类用符号记录表达信息以传之久远的方式和工具。现代文字大多是记录语言的工具。人类往往先有口头的语言后产生书面文字,很多小语种,有语言但没有文字。文字的不同体现了国家和民族的书面表达的方式和思维不同。文字使人类进入有历史记录的文明社会。
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