比表面积测试方法及其系统误差

比表面测试方法根据测试思路不同分为吸附法、透气法和其它方法，透气法是将待测粉体填装在透气管内震实到一定堆积密度，根据透气速率不同来确定粉体比表面积大小，比表面测试范围和精度都很有限；其它比表面积测试方法有粒度估算法、显微镜观测估算法，已很少使用；其中吸附法比较常用且精度相对其它方法较高；比表面积测试方法有透气法，粒度估算法，和吸附法等。

吸附法根据吸附质的不同又分为吸碘法，吸汞法，低温氮吸附法等。

低温氮吸附法根据吸附质吸附量确定方法不同又分为动态色谱法，静态容量法，重量法等，目前仪器以动态色谱法和静态容量法为主；
动态色谱法在比表面积测试方面比较有优势，静态容量法在孔径测试方面有优势。

实验二十六粉体比表面积的测定－透气法
每单位质量的粉体所具有的表面积总和，称为比表面积(m2·kg-1)。

比表面积是粉体的基本物性之一。

测定其表面积可以求得其表面积粒度。

在工业中，钢铁冶炼及粉末冶金；电子材料；水泥、陶瓷、耐火材料；燃料、磨料；化工、药品；石油化工中固体催化剂等很多行业的原料是粉末状的。

这些工业的有些中间产品或最终产品也是粉末状的。

在生产中，一些化学反应需要有较大的表面积以提高化学反应速度，要有适当的比表面积来控制生产过程；许多产品要求有一定的粒度分布才能保证质量或者是满足某些特定的要求。

粉体有非孔结构和多孔结构两种特征，因此粉体的表面积有外表面积和内表面积两种。

粉体比表面积的测定方法有勃氏透气法、低压透气法、动态吸附法三种。

理想的非孔性结构的物料只有外表面积，一般用透气法测定。

对于多孔性结构的粉料，除有外表面积外还有内表面积，一般多用气体吸附法测定。

一、目的意义
勃莱恩（Blaine)透气法是许多国家用于测定粉体试样比表面积的一种方法。

在无机非金属材料中，水泥产品是粉体。

水泥细度是水泥的分散度（水泥颗粒的粗细程度），是水泥厂用来控制水泥产量与质量的重要参数。

测水泥的比表面积可以检验水泥细度以保证水泥的强度。

水泥细度的检验方法有筛析法、比表面积测定法、颗粒平均直径与颗粒组成的测定等几种。

其中，勃氏透气法仪器构造简单、操作容易、测定方便、节省时间、完全不损坏试样、复演性好，国家标准规定在测试结果有争议时以该法为准。

国际标准化组织也推荐这种方法作为测定水泥比表面积的方法。

本实验采用勃氏透气法测定粉体的比表面积，实验目的如下：
①了解透气法测定粉体比表面积的原理；
②掌握勃氏法测粉体比表面积的方法；
③利用实验结果正确计算试样的比表面积。

二、基本原理
1．达西法则
当流体（气体或液体）在t秒内透过含有一定孔隙率的，断面积为A，长度为L的粉体层时，其流量Ｑ与压力降△P成正比。

即
（4-2）
这就是达西法则。

式中的η是流体的粘度系数，B是与构成粉体层的颗粒大小、形状、充填层的空隙率等有关的常数，称为比透过度或透过度。

上式称为柯增尼一卡曼公式，它是透过法的基本公式。

式中S W是粉体的质量比表面积，ρ是粉体的密度，W是粉体试样的质量。

由于η、L、A、ρ、W是与试样及测定装置有关的常数，所以，只要测定Ｑ、△P及时间t就能求出粉体试样的比表面积。

2．测试方法概述
根据透过介质的不同，透过法分为液体透过法和气体透过法，而目前测定粉体比表面积使用最多的是气体（空气）透过法。

该方法的种类很多，根据使用仪器不同分别有：前苏联的托瓦洛夫式T-3型透气仪、英国的Lea-Nurse透过仪、日本荒川－水渡的超微粉体测定仪、美国弗歇尔式的平均粒度仪、美国勃莱恩式的勃氏透气仪（该装置由于透过粉体层的空气容积是固定的，故称为恒定容积式透过仪）等。

其中，勃氏透气仪在国际中较为通用，在国际交往中，水泥比表面积一般都采用勃莱恩(Blaine)数值。

3．仪器工作原理
图4-2为Blaine透气仪示意图，图4-3为Blaine透气仪结构及主要尺寸。

测试时先使试样粉体形成空隙率一定的粉
体层，然后抽真空，使U形管压力计右边的
液柱上升到一定的高度。

关闭活塞后，外部
空气通过粉体层使U形管压力计右边的液
柱下降，测出液柱下降一定高度（即透过的空气容积一定）所需的时间，即可求出粉体试样的比表面积。

三、实验器材
①Blaine透气仪一台，它由透气圆筒、穿孔板、捣器、U形管压力计、抽气装置（小型电磁泵或抽气球组成）。

图4-2给出各部件的尺寸及其允许偏差。

②计时秒表。

精确到0.05s.
③滤纸。

采用符合国标的中速定量滤纸。

④烘干箱。

用于烘干试样。

⑤分析天平。

分度值为lmg
⑥压力计液体。

采用带有颜色的蒸馏水。

⑦基准材料。

标准试样。

四、实验步骤
1．仪器准备（仪器校准）
(1)漏气检查
将透气圆筒上口用橡皮塞塞紧安到压力计上，用抽气装置从压力计一臂中抽出部分气体，然后关闭阀门，观察是否漏气，如发现漏气，用活塞油脂加以密封。

(2)试料层体积的测定
用水银排代法。

将二片滤纸沿圆筒壁放入透气圆筒内，用一直径比透气圆筒略小的细长棒往下按，直到滤纸平整地放在金属穿孔板上，然后装满水银，用一小块薄玻璃板轻压水银表面，
使水银面与圆筒口平齐，并须保证在玻璃板和水银表面之间没有气泡或空洞存在。

从圆筒中倒出水银称量，精确至0.05g,重复几次，至数值基本不变为止。

然后取出一片滤纸，在圆筒中加人适量的试样。

再把取出的一片滤纸盖至上面，用捣器压实试料层，压到规定的厚度，即捣器的支持环与圆筒边接触。

再把水银倒人压平，同样倒出水银称量，重复几次至水银质量不变为止，圆筒内试料层体积可按下式计算：
试料层体积的测定，至少应进行二次，每次应单独压实，取二次数值相差不超过0.005cm3的平均值。

2．试样层制备
先将试样通过0.9mm方孔筛在（110±5）˚C下烘干后冷至室温。

按下式称取试样：
W=ρV(1-ε) （4-7）
式中W—需要的试样量，g；
ρ—试样真密度，g/cm3；
V一试料层体积，cm3；
ε－试料层孔隙率。

将穿孔板放人透气圆筒的边缘上，用一根直径比圆筒略小的细棒把一片滤纸送至穿孔板上，边缘压紧，将称取的试样（精确至0.001g）倒人圆筒。

轻敲圆筒边，使试样层表面平坦，再放人一片滤纸，用捣器均匀捣实试料，直至捣器支持环紧紧接触圆筒顶边并旋转二周，慢慢取出捣器。

注：穿孔板上的滤纸，应是与圆筒内径相同，边缘光滑的圆片。

穿孔板上滤片如比圆筒小时，会有部分试样粘于圆筒内壁高出圆板上部；当滤纸直径大于圆筒内径时会引起结果不准。

每次测定需用新的滤纸。

3．操作步骤
①把装有试料层的透气圆筒连接到压力计上，为保证紧密连接不漏气，可先在圆筒下锥面涂一薄层活塞油脂，然后把它插人压力计顶部锥形磨口处，旋转二周。

并注意不振动所制备的试料层。

②打开微型电磁泵慢慢从压力计一臂中抽出空气，或人工抽吸，直到压力计内液面上升到扩
大部下端时关闭阀门。

当压力计内液体的凹月面下降第一个刻线时开始计时，当液面凹面下降到第二条刻线时停止计时，记录液面从第一条刻线到第二条刻线所需的时间。

以秒表记录，并记下实验时的温度。

五、测试结果处理
1．数据处理
比表面积按下式计算：
说明：试样比表面积应由二次透气试验结果的平均值确定。

如果二次试验结果相差2％以上时，应重新试验。

计算应精确至l0cm2/g，cm2/g以下的数值按四舍五入计。

以cm2·g-1为单位算得的比表面积换算为cm2·g-1单位时需乘以0.1.
表4-2为不同温度下的空气粘度和水银密度值，表4-3为不同（空隙率）所对应的值。

2．结果分析
用透气法测定比表面积的主要缺点，是在计算公式推导中引用了一些实验常数和假设。

空气通过粉末层对粉末颗粒作相对运动，粉末的表面形状、颗粒的排列、空气分子在颗粒孔壁之间的滑动等都会影响比表面积测定结果，但这些因素在计算公式中均没有考虑。

对于低分散度的试料层，气体通道孔隙较大，上述因素影响较小，测定结果比较准确；但对子高分散度的物料、空气通道孔径较小，上述因素影响增大，用透气法测得的结果偏低。

物料越细，偏低越多。

因此，测定高分散度物料的比表面积，特别是多孔性物料的比表面积，可以用低压透气法和吸附法。

表4-2 不同温度下的空气粘度和水银密度值
温度/℃空气粘度
水银密度
/g·cm-3
温度/℃
空气粘度
水银密度
g·cm-3
8 10 12 14
16
17 20 0.000174
9
0.000017
59
0.000017
68
0.000017
78
0.000017
88
0.000017
98
0.000018
08
75.64
75.41
75.21
75.00
74.79
74.58
74.37
13.58
13.57
13.57
13.56
13.56
13.55
13 .55
22
24
26
28
30
32
34
0.0000181
8
0.0000182
8
0.0000183
7
0.0000184
7
0.0000185
7
0.0000186
7
0.0000187
6
74.16
73 .96
73 .78
73 .58
73 .38
73 .19
73 .10
13.54
13.54
13.53
13.53
13.52
1352
13.51
表4－3 不同（空隙率）所对应的值
0.450 0.451 0.452 0.453 0.454 0.455 0.56 0.457 0.458 0.459 0.460 0.461 0.462 0.463 0.549
0.552
0.554
0.557
0.560
0.563
0.566
0.569
0.572
0.575
0.578
0.581
0.584
0.587
0.474
0.475
0.476
0.477
0.478
0.479
0.480
0.481
0.482
0.483
0.484
0.485
0.486
0.487
0 .620
0.624
0.627
0.630
0.633
0.636
0.639
0.643
0.646
0.649
0.652
0.656
0.659
0.662
0.498
0.499
0.500
0.501
0.502
0.503
0.504
0.505
0.506
0.507
0.508
0.509
0.510
0.511
0.700
0.704
0.707
0.711
0.714
0.718
0.721
0.725
0.729
0.733
0.736
0.739
0.743
0.747
0.522
0.523
0.524
0.525
0.526
0.527
0.528
0.529
0.530
0.531
0.532
0.533
0.534
0.535
0.789
0 .793
0 .797
0 .801
0 .805
0.809
0 .813
0.817
0.821
0.825
0.829
0.833
0.837
0.842
0.464 0.465 0.466 0.467 0.468 0.469 0.470 0.471 0.472 0.473 0.590
0.593
0.596
0.599
0.602
0.605
0.608
0.611
0.614
0.617
0.488
0.489
0.490
0.491
0.492
0.493
0.494
0.495
0.496
0.497
0.666
0.669
0.672
0.676
0.679
0.683
0.687
0.690
0.693
0.697
0.512
0.513
0.514
0.515
0.516
0.517
0.518
0.519
0.520
0.521
0.751
0.755
0.758
0.762
0.766
0.770
0.774
0.777
0.781
0.785
0.536
0.537
0.538
0.539
0.540
0.541
0.542
0.453
0.544
0.545
0.845
0.850
0.854
0.858
0.863
0.867
0.871
0.875
0.880
0.884
六、思考题
1．透气法测定粉体比表面积的原理是什么？
2．测试前为什么要进行漏气检查？如有漏气应如何处理？
3．试料层如何正确制备？
4.如何根据测试结果计算被测试样的比表面积？
5．透气法测试粉体表面积的局限性？
6.影响测试结果的因素有哪些？
比表面积（SSA）是指颗粒的总面积与总重量的比值。

SSA=[∑(V i/d i)/∑V i]*(6/ρ)
其中：
d i是第i级的平均直径；
V i是第i级的相对体积含量；
ρ是颗粒的密度；
另：粒度仪器所得的比表面积值是个推导值，仅起参考作用。

严格地讲，不规则形状的颗粒的粒度与比表面积之间的关系是很难用公式来描述的。

粒度分析仪器所得到的颗粒直径通常是某种等效球径，然后按照球形颗粒来推导出比表面积，因此，该比表面积并不是真正意义上的比表面积，只能起参考作用。

粒度和比表面从理论上是成反比关系，现实当中这个仅仅对球形粒子有用的。

所有的测试仪器都有他们的专长，像有些粒度仪可以检测出表面积、有的比表面可以检测出粒度。

但是这样的话都是理论值都只能做参考如果颗粒有通透的孔隙，则比表面积会增加，这与粒径没有相关性。