Sposoby wyznaczania gęstości
Sposoby wyznaczania gęstości
pozornej, rzeczywistej i
pozornej, rzeczywistej i
nasypowej materiałów
nasypowej materiałów
Gęstość jest jedną z podstawowych właściwości fizykochemicznych
materiałów. Jej znajomość wykorzystuje się w technologii do określenia
stopnia zagęszczenia lub stopnia spieczenia materiału.
W materiałach ceramicznych pomiary gęstości komplikuje obecność porów
o zróżnicowanych wymiarach (mikro, mezo i makroporów) oraz ich
charakter (pory otwarte, pory zamknięte). Gęstość materiału jest zatem
ściśle związana z jego teksturą i porowatością.
Do określenia gęstości wykorzystuje się metody opierające się na
pomiarach masy i objętości.
Gęstość rzeczywista
Gęstość rzeczywista
Do wyznaczania gęstości rzeczywistej wykorzystuje się:
" metody rentgenograficzne
" metody piknometryczne.
Wśród metod rentgenograficznych stosowana jest rentgenowska
metoda pomiaru zmian intensywności promieniowania i metoda
rentgenowskiej analizy strukturalnej. WyznaczonÄ… drugim sposobem
gęstość, często określa się mianem gęstości rentgenostrukturalnej .
Należy pamiętać, że gęstość rentgenostrukturalną można wyznaczyć
jedynie dla materiałów o strukturze mono lub polikrystalicznej.
Metoda rentgenowska
Metoda rentgenowska
Metodyka oznaczenia polega na pomiarze zmian intensywności
promieniowania.
WiÄ…zka promieniowania rentgenowskiego przechodzÄ…cego przez
ciało stałe o pewnej grubości (dx) ulega absorpcji na
napotkanych na swej drodze atomach i jej intensywność maleje,
co można opisać równaniem:
dI
=ð -ðmðdx
I
gdzie:
ź- współczynnik absorpcji,
I - intensywność promieniowania.
Metoda rentgenowskiei analizy strukturalnej
Metoda rentgenowskiei analizy strukturalnej
wykorzystuje zjawisko dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego na sieci
przestrzennej kryształów. W praktyce, badania sprowadzają się do
wyznaczenia parametrów sieci krystalicznej badanej substancji z położenia
odpowiednich linii na widmie rentgenowskim.
Znalazły one szerokie zastosowanie w analityce przemysłowej np. do badania
detekcji pęknięć w odlewach metalurgicznych i spawach lub badaniach
procesów destrukcji materiałów budowlanych.
W przypadku materiałów porowatych występują jednak pewne utrudnienia
interpretacyjne. Związane one są z niejednorodnością tekstury wielofazowych
ciał polikrystalicznych (obszary bardziej i mniej zagęszczone).
Dlatego w wielu wypadkach należy stosować inne techniki uzupełniające.
Zaletą metod rentgenograficznych jest nieniszczący charakter badań
i duża szybkość oznaczeń.
Piknometria
Piknometria
Dla większości materiałów o strukturze amorficznej i mieszanej wyznacza
się gęstość stosując pomiary piknometryczne. Substancje używane
jako media piknometryczne, w zależności od rozmiaru ich cząstek, dają
możliwość wyznaczenia objętości ciała stałego zbliżoną do objętości jego
szkieletu.
Stosowane media piknometryczne można podzielić na gazowe i ciekłe,
a techniki pomiarowe wykorzystujÄ…ce je, odpowiednio na piknometriÄ™
gazową i cieczową. Metody piknometryczne opierają się na określeniu
objętościowym lub wagowym ilości płynu lub gazu wypieranego przez
badane ciało. Pomiary piknometryczne są szeroko rozpowszechnione ze
względu na łatwość wykonywania oznaczeń oraz ich wysoką dokładność
i powtarzalność uzyskiwanych wyników.
Piknometria gazowa
Piknometria gazowa
W metodzie tej, objętość ciała stałego mierzona jest objętością gazu
wypartego przez badaną próbkę, z uprzednio wycechowanego naczynia
pomiarowego.
Jako media piknometryczne wykorzystuje się substancje, które w warunkach
pomiaru mają właściwości zbliżone do właściwości gazu doskonałego,
nie ulegają adsorpcji i nie reagują z badanym materiałem.
Najczęściej stosowanym medium gazowym jest hel.
Hel charakteryzuje siÄ™: minimalnym wymiarem kinetycznym atomu (0,255nm) i bardzo
małą lepkością, a także niską zdolnością do adsorpcji zarówno
w temperaturze otoczenia jak i podwyższonej. Powyższe właściwości sprawiają, że hel
penetruje do najmniejszych porów w badanym materiale a uzyskane wartości gęstości
helowej są najbardziej zbliżone do oznaczeń rentgenostrukturalnych.
Liczne pomiary gęstości próbek ceramicznych o teksturze porowatej
takich jak peryklazowe, spinelowe, wysokoglinowe, fajansowe
i większości surowców ceramicznych wykazały, że ich porowatość
zamknięta nie przekracza 1,0%, zatem pory w większości mają
charakter porów otwartych. Dla takich materiałów gęstość helową
mierzoną na próbkach "kawałkowych" lub gruboziarnistych można
traktować jako gęstość rzeczywistą bez konieczności ich dokładnego
mielenia przed pomiarem. Odmiennie zachowują się próbki wyrobów
szamotowych, ogniotrwałych wyrobów topionych czy spieków
porcelanowych, których porowatość zamknięta jest znaczna.
Aparatem pomiarowym do wyznaczania gęstości jest piknometr
helowy AccuPyc produkcji amerykańskiej firmy Micromeritics
OPIS METODY: Zasada działania przyrządu oparta jest na wykorzystaniu
helu do precyzyjnego określenia objętości próbki umieszczonej w
komorze pomiarowej. Przed rozpoczęciem pomiaru badana próbka jest
kilkakrotnie przepłukiwana helem w celu zdesorbowania innych gazów z
jej powierzchni.
W komorze pomiarowej i ekspansyjnej ustala się ciśnienie Pa i
temperatura Ta otoczenia, a objętość komory pomiarowej Vkom. pom.
jest pomniejszona o objętość umieszczonej w niej próbki Vpróbki.
Po otwarciu zaworu doprowadzajÄ…cego hel do komory pomiarowej do
ciśnienia P1, zależność pomiędzy ciśnieniem gazu a jego objętością,
wyrażona jest wzorem:
P1(Vkom. pom -ðVpróbki ) =ð neRTa
gdzie: ne- liczba moli gazu w komorze pomiarowej, R - stała gazowa.
Zarówno ilość równoległych pomiarów objętości próbki, ilość cykli
desorbcji jak również czas ekwilibracji ciśnienia można każdorazowo
zaprogramować i przyrząd wykonuje je w trybie automatycznym.
Czas pomiaru w przypadku S-ciu równoległych oznaczeń i 5-ciu cykli
desorbcji wynosi około 30 min.
Piknometria cieczowa
Piknometria cieczowa
W metodzie tej objętość ciała stałego mierzona jest objętością cieczy
piknometrycznej, przy podstawowym założeniu braku zmiany jej
gęstości po wniknięciu do porów badanego materiału. Ponadto, nie
może ona reagować z badanym materiałem, musi wykazywać dobrą
zwilżalność powierzchni oraz niską lotność.
Gęstość materiału wyznacza się w naczyniach piknometrycznych
(piknometrach) o różnym kształcie i ściśle określonej objętości.
Objętość ciała stałego określa się na podstawie różnicy mas cieczy
wypełniającej piknometr przed i po umieszczeniu próbki, w stałej
temperaturze. Przed ważeniem zalanej cieczą próbki należy usunąć
uwięzione w niej powietrze. Dokonuje się tego przez podgrzewanie
zawartości piknometru do temperatury bliskiej temperaturze wrzenia
cieczy piknometrycznej, działanie próżni lub stosowanie ultradz
więków.
Ograniczenia i dokładność metody wynikają z konieczności starannej
kalibracji piknometrów i ich długotrwałego termostatowania.
Gęstość pozorna
Gęstość pozorna
Gęstość pozorną porowatego ciała stałego oblicza się uwzględniając
masę próbki oraz jej objętość wraz z zawartymi w niej porami.
W przypadku próbek o stosunkowo dużych wymiarach, o regularnym
kształcie geometrycznym (np. kule, walce) wyznaczenie objętości jest
stosunkowo łatwą operacją. Po zmierzeniu podstawowych wymiarów bryły,
np. średnicy kuli, średnicy i wysokości walca, obliczamy jego objętość, a po
jej zważeniu znana jest jej masa.
Dla wyznaczenia objętości próbek o stosunkowo dużych rozmiarach lecz
nieregularnym kształcie można zastosować sposób oparty na wytworzeniu
na ich zewnętrznej powierzchni warstewki uniemożliwiającej wnikanie
cieczy do wnętrza, a następnie pomiaru ich objętości.
Substancjami impregnującymi porowate materiały mogą być parafina,
żelatyna itp. Trudno uniknąć w tej metodzie błędów wynikających choćby
z faktu wypełnienia pewnych porów impregnującą substancją oraz
powstaniem pewnej objętości warstewki pokrywającej powierzchnię próbki.
Przykład: analizator do wyznaczania
gęstości pozornej materiałów o nazwie
GeoPyc 1360 firmy Micrometrics.
Urządzenie w pełni zautomatyzowane
sterowane za pomocÄ… mikroprocesora.
Zebrane dane pomiarowe wykorzystane sÄ…
do wykonania obliczeń gęstości pozornej,
porowatości oraz objętości właściwej porów
W aparacie tym wykorzystuje się specjalny proszek o nazwie DryFlo, który
charakteryzuje się kulistym kształtem ziaren, brakiem ich odkształceń
w trakcie pomiaru oraz wysoką zdolnością płynięcia. Zasada pomiaru polega
na dokładnym wyznaczeniu objętości, odpowiednio dobranej ilości DryFlo
(blank run), a następnie objętości proszku łącznie z próbką (sample run).
W czasie pomiaru cylinder pomiarowy jest obracany tak, aby próbki ustawiały
się wewnątrz proszku, a proszek jest dociskany przez tłok z siłą o określonej
odpowiednio dobranej wartości.
Gęstość nasypowa
Gęstość nasypowa
W wielu procesach przemysłowych mamy do czynienia z rozdrobnionymi
materiałami sypkimi zajmującymi określoną objętość. Materiały sypkie są
uzyskiwane w procesach rozdrabniania lub granulacji. Tworzą one układ,
który określa się jako niespoisty ośrodek stały. Wielkością charakteryzującą go
jest gęstość nasypowa. Jest ona zależna od rodzaju materiału (gęstości
właściwej), od wielkości i kształtu jego ziaren oraz od sposobu ich upakowania
w określonej objętości. Jest odpowiednikiem gęstości pozornej, a określa
stosunek masy objętości badanego kruszywa w stanie luz
nym i zagęszczonym,
niezależnie od stopnia jego wilgotności. Zatem wyznaczana objętość obejmuje
objętość szkieletową ciała stałego, objętość zawartych w nim porów, jak też
objętość przestrzeni międzyziarnowych.
Pomiarów dokonuje się przy swobodnym
upakowaniu ziaren lub przy upakowaniu ziaren
 gęstym , spowodowanym siłami
zewnętrznymi warunkującymi najściślejsze
wypełnienie przestrzeni lecz nie powodującymi
deformacji lub zniszczenia ziaren.
W pierwszym przypadku, brak jest dobrej
powtarzalności uzyskiwanych wyników ze
względu na fluktuacje zmiennego ułożenia
ziaren względem siebie.
W drugim zaś, układ jest bardziej stabilny,
a wyznaczona gęstość pozwala lepiej
i jednoznacznie charakteryzować niespoisty
ośrodek stały.