Porosimétrie au mercure : Principes, applications et comment l’AutoPore répond

Comprendre la structure poreuse d’un matériau est essentiel pour prédire son comportement, de l’ajustement fin des taux de libération de médicaments dans les produits pharmaceutiques à l’optimisation du transport d’ions dans les batteries.

Une des méthodes les plus efficaces pour cela est la porosimétrie par intrusion de mercure, qui utilise la pression pour forcer le mercure à pénétrer dans les pores d’un matériau, générant ainsi des données précieuses sur la distribution des tailles de pores, le volume des pores et la porosité.

Cependant, la porosimétrie au mercure présente plusieurs défis opérationnels. Des protocoles de sécurité stricts, le potentiel de compression ou de dommages aux échantillons, et des hypothèses incorrectes sur la géométrie des pores peuvent tous affecter votre analyse.

Vous avez besoin des bons instruments – et de la bonne approche analytique – pour obtenir des résultats fiables en R&D et QC.

Dans ce blog, nous examinerons les principes clés de la porosimétrie au mercure pour vous aider à améliorer vos flux de travail de caractérisation des pores. Nous montrerons également comment le porosimètre à mercure de Micromeritics offre une rapidité, une sécurité, et une précision de référence sur une vaste gamme de mesures.

Qu’est-ce que la porosimétrie au mercure ?

La porosimétrie par intrusion de mercure, souvent abrégée en MIP, est une technique de porosimétrie puissante et polyvalente qui analyse l’architecture des pores des matériaux solides en appliquant une pression pour forcer le mercure à pénétrer dans leurs pores.

Cette méthode vous permet de caractériser vos matériaux :

• Distribution des tailles de pores
• Diamètre médian des pores
• Volume total des pores
• Densités des échantillons (en vrac et squelettiques)
• Surface totale des pores

Ces propriétés des pores indiquent l’architecture globale des pores d’un matériau, ce qui vous donne un aperçu de ses propriétés potentielles, depuis l’écoulement des fluides et la conductivité thermique jusqu’à la résistance mécanique et le transport d’ions.

Quelle est la plage de mesure de la porosimétrie par intrusion de mercure ?

Un porosimètre à mercure typique mesure la taille des pores d’environ 3 nm jusqu’à 1100 µm.

La limite supérieure de la mesure est généralement déterminée par la capacité de pression de l’instrument, et si la pression n’est pas suffisamment forte, le porosimètre à mercure peut ne pas être capable de remplir les mésopores plus petits et de fournir des données précises.

Le AutoPore de Micromeritics offre une plage de mesure de 3 nm jusqu’à 1100 µm, donnant aux opérateurs des informations approfondies sur les matériaux microporeux et mésoporeux. Cela est particulièrement important pour la caractérisation de matériaux tels que les séparateurs de batteries Li-ion, où le transport et l’écoulement à travers de grands macropores déterminent les propriétés du matériau.

Comment fonctionne le processus de porosimétrie au mercure ?

La porosimétrie par intrusion de mercure fonctionne en forçant le mercure liquide non-mouillant dans les pores d’un matériau sous pression contrôlée. Aux plus basses pressions, les plus grands pores se rempliront en premier, suivis par les plus petits à mesure que la pression augmente.

En augmentant progressivement la pression et en mesurant le volume de mercure intrudé à chaque étape, cette technique permet le calcul du volume total des pores, de la distribution des tailles de pores et de la porosité.

Étant donné que le mercure ne pénètre pas naturellement dans les pores sans pression appliquée, la quantité de pression requise par le porosimètre à mercure pour le forcer dans les pores est inversement proportionnelle à la taille des pores, et peut donc être calculée à l’aide de l’équation de Washburn :

Pd = –4𝑦cos⁡θ

Dans cette équation :

• d est le diamètre d’un pore
• P est la pression appliquée
• γ est la tension superficielle du mercure (généralement 485 dynes/cm dans des conditions contrôlées)
• θ est l’angle de contact entre le mercure et l’échantillon (généralement supposé être de 130° pour la plupart des solides)

Des instruments modernes tels que l’AutoPore V améliorent la précision de ce calcul en contrôlant précisément les rampes de pression, en mesurant le volume d’intrusion à haute résolution et en compensant des facteurs tels que la densité du mercure dépendante de la température.

Quelles sont les étapes d’un test de porosimétrie au mercure ?

Lors des tests sur un porosimètre à mercure, vos opérateurs passeront par six étapes clés.

1. Préparation de l’échantillon

L’échantillon est séché, éliminant l’humidité et les volatils pour éviter toute interférence de mesure.

Le pénétramètre (un récipient en verre ou en métal) est sélectionné et dimensionné pour l’échantillon. De nombreux instruments, comme l’AutoPore V, proposent une variété de tailles de pénétramètre pour optimiser la taille et la forme de l’échantillon.

Un scellage et une calibration soigneux du pénétramètre sont cruciaux, car les fuites, l’air piégé, ou des volumes de tige incorrects dégraderont la précision.

2. Remplissage de mercure

Le pénétramètre est évacué pour éliminer l’air piégé, signifiant que la pression correspond uniquement au remplissage des pores et non à la compression du gaz piégé.

Le mercure est introduit sous vide dans le pénétramètre.

3. Intrusion à basse pression

L’échantillon est d’abord soumis à des pressions pneumatiques basses de 0,2 à 50 psia pour pénétrer les macropores plus grands (~900 à 3,6 µm).

La pression est augmentée et le volume de mercure intrudé est enregistré. Le porosimètre traduit les changements de volume en volume de pores.

4. Intrusion à haute pression

Pour remplir les plus petits pores (mésopores et petits macropores), une pression beaucoup plus élevée est appliquée ; l’AutoPore V prend en charge des modèles évalués à 33 000 psia et 60 000 psia.

Tout au long du processus, un contrôle très fin de la pression et du volume est nécessaire pour résoudre précisément les petits pores.

La compensation d’effets tels que la compression du matériau et les changements de densité du mercure avec la température est cruciale.

5. Extrusion

Une fois la pression maximale atteinte, la pression est réduite et le mercure peut être extrudé des pores.

Cependant, en raison de l’hystérésis de l’angle de contact et des pores en « en-bouteille », une partie du mercure peut rester piégée.

La différence de volume de mercure entre l’intrusion et l’extrusion peut fournir un aperçu de la forme des pores, du rapport col/corps, de la connectivité et des effets d’hystérésis.

6. Analyse des données et calcul de la taille des pores

L’instrument utilise les données pression-volume et l’équation de Washburn pour calculer les diamètres des pores, les distributions du volume des pores par rapport à la taille des pores, le volume cumulé des pores, le diamètre médian des pores, la surface des pores, la porosité, et les densités en vrac et squelettiques.

Des métriques supplémentaires comme la tortuosité, la perméabilité, le volume piégé, la dimension fractale, ou les rapports col/cavité peuvent également être calculés.

Pourquoi l’efficacité et la précision sont-elles importantes dans le flux de travail de la porosimétrie par intrusion de mercure ?

Chaque étape d’un test de porosimétrie au mercure repose sur un contrôle précis de la pression, une mesure précise du volume, et une manipulation stable et sans contamination de l’échantillon et du mercure.

De petites inefficacités, telles qu’une évacuation incomplète, un mauvais scellage du pénétramètre, ou des pas de pression inexactes et un temps d’équilibre insuffisant, peuvent entraîner de grandes erreurs dans le calcul de l’architecture des pores.

Les instruments modernes de porosimétrie par intrusion de mercure utilisent l’automatisation, les diagnostics et les corrections intelligentes pour maintenir précision et rapidité.

Par exemple, le porosimètre à mercure de Micromeritics, AutoPore V, utilise :

• Configuration guidée de la méthode pour minimiser les erreurs de l’opérateur, assurer des paramètres de test cohérents, une sélection correcte du pénétramètre et la bonne configuration pour la gamme de tailles de pores cible.
• Résolution fine de la pression pour éviter la mauvaise classification des tailles de pores, permettant des données d’intrusion et d’extrusion précises, même dans les matériaux avec des distributions de pores étroites ou complexes.
• Évacuation et remplissage automatiques pour éliminer les incohérences causées par la manipulation manuelle, améliorer la répétabilité et réduire les erreurs dues à une dégazage incomplet ou à des taux de remplissage variables.
• Compensation en temps réel de la compression du mercure et de l’échantillon pour éviter la distorsion des calculs du volume des pores, assurant que les structures de pores véritables sont mesurées même sous des conditions de haute pression.

Là où la caractérisation des macro-/mésopores affecte directement les performances des catalyseurs, la fiabilité des céramiques, la conception des électrodes de batteries et les propriétés de filtration, ces efficacités technologiques se traduisent par des informations plus fiables, un débit accru et une plus grande confiance dans les décisions matérielles.

7 avantages de l’utilisation de la porosimétrie par intrusion de mercure

Avec de nombreuses options de caractérisation des pores disponibles, pourquoi devriez-vous vous tourner vers la porosimétrie au mercure plutôt que vers d’autres méthodes ?

1. Large gamme de mesure des tailles de pores

Un avantage clé de la porosimétrie par intrusion de mercure est sa gamme de mesures exceptionnellement large : La porosimétrie au mercure peut caractériser des pores d’environ 1100 µm jusqu’à environ 0,003 µm (3 nm).

De nombreux matériaux présentent une porosité hiérarchique, où des pores de transport larges coexistent avec des pores plus petits. Peu de techniques peuvent couvrir plusieurs ordres de grandeur, de sorte que les chercheurs ont souvent besoin de plusieurs instruments pour couvrir toute la gamme.

Avec la porosimétrie au mercure, tous les types de pores peuvent être caractérisés en un seul test.

2. Résultats quantitatifs, haute résolution

La porosimétrie par intrusion de mercure relie directement la pression appliquée au diamètre de pores via l’équation de Washburn. À partir d’une seule mesure, elle peut fournir :

• Distribution des tailles de pores
• Volume cumulé des pores
• Porosité
• Densité en vrac et squelettique
• Diamètres médians des pores et analyse des gorges de pores
• Hystérésis entre l’intrusion et l’extrusion

Cette richesse d’informations quantitatives rend la porosimétrie au mercure précieuse tant pour le contrôle de qualité de routine que pour la recherche avancée.

3. Vitesse et efficacité supérieures

Des techniques telles que l’adsorption de gaz nécessitent souvent de longs temps d’équilibre ou des instruments séparés pour couvrir différentes plages de pores. La porosimétrie au mercure offre une analyse complète des tailles des pores à une vitesse soutenue.

Les systèmes automatisés modernes comme l’AutoPore V peuvent compléter un cycle complet en quelques heures, offrant une réponse rapide pour les flux de travail industriels et les programmes de R&D sensibles au temps.

Le mécanisme basé sur la pression de cette méthode permet également à l’instrument de parcourir rapidement le spectre des tailles de pores, réduisant les goulots d’étranglement et soutenant les flux de travail à haut débit.

4. Applicabilité à une large gamme de matériaux

Parce que la porosimétrie par intrusion de mercure repose sur l’intrusion sous pression plutôt que sur l’adsorption, l’évaporation ou l’écoulement capillaire de fluides mouillants, elle peut être appliquée à presque tout solide avec des pores accessibles, y compris :

• Électrodes de batteries et matériaux de séparation
• Céramiques
• Catalyseurs et supports
• Béton, ciment et matériaux de construction
• Polymères et membranes
• Médias de filtration et de séparation
• Échantillons géologiques et de sol

Cette polyvalence fait de la porosimétrie au mercure un outil universel pour les matériaux avec des porosités structurelles ou cruciales pour le transport.

5. Complémentarité avec d’autres techniques de porosité

La porosimétrie par intrusion de mercure ne remplace pas l’adsorption de gaz ou la porométrie à flux capillaire – elle les complète.

Alors que la porosimétrie au mercure excelle dans l’analyse des macropores et des grands mésopores, l’adsorption de gaz offre une sensibilité plus élevée pour les micropores et les petits mésopores, et la porométrie à flux capillaire offre des informations directes sur la gorge et les pores traversants.

Combiner ces méthodes offre une compréhension plus complète des réseaux poreux hiérarchiques, aidant les chercheurs à concevoir de meilleurs catalyseurs, à optimiser la porosité des électrodes, à concevoir des céramiques plus solides et à développer des filtres plus efficaces, entre autres applications.

6. Préparation de l’échantillon simplifiée

Contrairement à l’adsorption de gaz, qui nécessite un dégazage long et à haute température, et au CFP, qui exige souvent un mouillage et un séchage soigneux, la porosimétrie par intrusion de mercure nécessite généralement une préparation d’échantillon minimale au-delà du séchage et du placement dans un pénétramètre.

Cela réduit la charge de travail de l’opérateur, le temps d’analyse et le risque de dommage à l’échantillon.

7. Compatibilité avec de grands volumes d’échantillon

Enfin, la porosimétrie au mercure peut accueillir des volumes d’échantillon relativement grands (selon la taille du pénétramètre).

Cela fournit des résultats plus statistiquement représentatifs qui reflètent la variabilité du monde réel que les techniques reposant sur de petites quantités de poudres. Ceci est particulièrement utile pour les matériaux hétérogènes comme le béton, les billes catalytiques ou les électrodes de batteries.

Porosimétrie au mercure vs adsorption de gaz BET : Quelle méthode utiliser ?

Une alternative courante à la porosimétrie au mercure est l’adsorption de gaz, qui mesure la surface spécifique en utilisant la méthode de Brunauer-Emmett-Teller (BET), ainsi que le volume de pores et la distribution des tailles de pores des mésopores et micropores utilisant des méthodes telles que Barrett-Joyner-Halenda (BJH) et la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT).

L’adsorption de gaz est la norme industrielle pour quantifier la surface exposée et la distribution des tailles de pores à l’échelle moléculaire, notamment avec les matériaux microporeux et mésoporeux.

Cependant, la porosimétrie par intrusion de mercure offre plusieurs avantages cruciaux par rapport à l’adsorption de gaz pour l’analyse de matériaux poreux réels tels que les catalyseurs et composants de batterie :

• Premièrement, la porosimétrie au mercure mesure une plage de tailles de pores beaucoup plus large que l’adsorption de gaz, des mésopores aux macropores, dépassant la plage de tailles de pores accessible par l’adsorption de gaz.
• De plus, comme la porosimétrie au mercure détecte la pression d’entrée des gorges des pores, elle révèle des caractéristiques structurelles que l’adsorption de gaz ne peut pas, y compris la perméabilité et la tortuosité.
• Enfin, la porosimétrie au mercure fournit des mesures directes de la porosité, du volume des pores et de la densité, et peut analyser des échantillons plus grands ou irréguliers sans broyage ou dégazage intense.

L’adsorption de gaz excelle toujours à l’échelle moléculaire de la surface et l’analyse de la microporosité, et devrait donc être la méthode de prédilection pour de nombreux matériaux, tels que les poudres hautement poreuses.

Cependant, si votre matériau présente une large distribution de tailles de pores, ou si vous avez besoin d’informations supplémentaires sur l’architecture des pores, la taille des gorges, ou la porosité en vrac, la porosimétrie au mercure est la technique la plus informative pour votre flux de travail.

Pour un aperçu le plus complet, combiner les informations de vos tests de porosimétrie par intrusion de mercure avec l’adsorption de gaz peut vous donner une image plus complète.

L’AutoPore de Micromeritics : Un porosimètre à mercure moderne

L’AutoPore de Micromeritics est un porosimètre à mercure de pointe conçu pour fournir une analyse de la structure poreuse rapide, précise et fiable sur une vaste gamme de mesures.

L’un des systèmes les plus largement adoptés de l’industrie, il combine une capacité à haute pression, un contrôle fin de la pression, une ingénierie de sécurité robuste, et un logiciel avancé pour une visualisation et un rapport de données transparents, soutenant à la fois les flux de travail QC à haut débit et la R&D avancée en matériaux.

Quelles sont les applications clés pour la porosimétrie au mercure ?

L’AutoPore V est largement utilisé dans les industries où la structure des pores affecte directement la performance, la durabilité, ou l’efficacité. Les domaines d’application clés incluent :

• Produits pharmaceutiques
  La porosité impacte la libération, la stabilité et la fabricabilité des médicaments.
• Catalyseurs
  L’activité catalytique dépend fortement de la surface active et de la structure des pores du catalyseur.
• Céramiques
  Pour les matériaux utilisés dans la filtration, l’isolation, les membranes, et les céramiques structurelles, la porosimétrie par intrusion de mercure quantifie la surface des pores et la porosité, qui impactent la résistance, la texture, l’apparence, et la densité.
• Adsorbants
  La connaissance de la surface des pores, du volume total des pores, et de la distribution des tailles de pores est importante pour le contrôle de qualité des adsorbants industriels et des processus de séparation, car la sélectivité d’un adsorbant dépend des caractéristiques de porosité et de surface.
• Aéronautique
  Le poids et la fonction des boucliers thermiques et des matériaux isolants dépendent de la surface et de la porosité.
• Électrodes de batterie et de pile à combustible
  Augmenter la densité de puissance dans les cellules à combustible et les électrodes Li-ion et les séparateurs nécessite une porosité contrôlée avec une grande surface.
• Géosciences
  Dans l’hydrologie des eaux souterraines et l’exploration pétrolière, la porosité indique combien de liquide une structure peut contenir et avec quelle facilité il sera extrait.
• Médias de filtration et de séparation
  Mesurer la taille, le volume, la forme, et la tortuosité des pores est crucial dans la fabrication de filtres, la taille des pores en particulier étant fortement corrélée à la performance de filtration.
• Matériaux de construction
  La distribution des tailles de pores joue un rôle important dans la perméabilité, la durabilité au gel-dégel, la résistance à la corrosion, et le comportement mécanique à long terme du béton, ciment et autres matériaux de construction.
• Papier
  La porosité du revêtement du média d’impression impacte le cloquage, la réceptivité de l’encre, et la rétention de l’encre, essentiels pour l’impression offset.

Les avantages de la porosimétrie au mercure : Tableau récapitulatif

Alors, quels sont les avantages globaux de la porosimétrie par intrusion de mercure, et comment l’AutoPore V les fait-il passer au niveau supérieur ? Voici un résumé.

Comprenez mieux vos pores grâce à une analyse de porosimétrie au mercure de pointe

Offrant des perspectives quantitatives et haute résolution sur la taille, le volume, la densité et la connectivité des pores, la porosimétrie au mercure est une technique indispensable dans la science des matériaux, les produits pharmaceutiques, le stockage d’énergie et la construction.

Des technologies telles que l’AutoPore font progresser cette capacité avec un contrôle précis de la pression, l’automatisation et la conformité aux normes de l’industrie.

Pour explorer comment la porosimétrie par intrusion de mercure peut renforcer vos flux de travail, découvrez-en plus sur l’AutoPore.

Pour voir l’AutoPore en action, explorez des études de cas et des notes d’application connexes dans notre centre de ressources.