概要
食品などの乾燥剤として用いられるシリカゲルは、細孔を多数有する多孔質材料です。シリカゲルはA型とB型に大別され、それぞれ異なる吸湿特性をもっています。吸湿特性は多孔質構造に影響を受けるため、比表面積や細孔分布を解析することが重要となります。
本資料では、吸湿性の異なるシリカゲルA型とB型の細孔分布を、2種類の手法（窒素吸着法と水銀圧入法）で比較した事例を紹介します。
窒素吸着法と水銀圧入法の違い
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窒素吸着法 |
水銀圧入法 |
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装置 |
BELSORP-mini II （マイクロトラック・ベル(株)製） |
Poremaster GT-60 （Quantachrome社製） |
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測定範囲 （細孔径） |
0.4nm～2nm：マイクロポア解析 2nm～100nm：メソポア解析 ※解析理論が異なる |
4nm～950μm |
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前処理 |
真空下で加熱乾燥 |
真空下で乾燥 |
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試料セル |
1.8cm3（標準） 0.5cm3（小容量） |
φ15mm×10mm又は20mm |
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得られる結果 |
比表面積、細孔分布、吸着特性 |
比表面積、細孔分布、空隙率 |
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特徴 |
ナノレベルの細孔を評価 サンプル回収が可能 |
短時間で広範囲を測定可能 解析に仮定が少ない |
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注意点 |
解析理論に仮定が多い |
サンプル回収ができない 高圧測定のため細孔がつぶれる可能性有 |
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モデル図 （原理） |
真空下で徐々に窒素ガスを導入し、表面に吸着させる。細孔径によって異なる窒素分圧で凝縮する。 （凝縮する分圧 細孔径：小＜細孔径：大） |
水銀は圧力をかけることで細孔内に侵入。 細孔径によって水銀を押込むのに必要な圧力が異なる。 （必要な圧力 細孔径：大＜細孔径：小） |
測定サンプル
シリカゲルA型 低湿度において湿気を吸着する力の強いもの
シリカゲルB型 高湿度において多量の湿気を吸い、吸着容量が大きいもの
測定結果
【窒素吸着法】
試料の吸着等温線（吸着、脱着）を図1に示しました。A型は相対圧（p/p0）0.4までなだらかに立ち上がっていますが、B型は相対圧0.6～0.8で立ち上がっています。この結果から、A型はマイクロポア～メソポアを、B型はメソポアを持っていることがわかります。
吸着等温線の吸着側の結果を用いて、細孔分布を解析しました（図2,3）。マイクロポアの解析ではA型で1.2nmピークがみられ、メソポアの解析では、A型は分布の一部が、B型は7nmにピークを持つ分布が得られました。（解析理論が異なっているため、グラフは重ならない）。この細孔分布の違いが、シリカゲルの吸湿性に影響を与えていると考えられます。
【水銀圧入法】
水銀圧入法による細孔分布の解析結果（図4）から、100nm以上には分布が無いことがわかります。100nm以下を拡大すると、窒素吸着法と同様に、A型はピークの裾が検出され、B型は10nm付近にピークを持つ分布であることが確認されました。窒素吸着法の結果と比較すると、サンプルによらず、細孔分布が広く、大きめに観測される傾向がありました。
以上の結果から、A型は小さい細孔を有するため、低圧（低湿度）での吸着が可能であり、B型は大きい細孔を有するため、吸着容量が大きいと推察できます。このような細孔分布の測定から、構造と吸着特性の関係を把握することが出来ました。
TARCでは測定の目的（ナノオーダーの分布を見たい、広い範囲で測定したい、など）に応じて、これらの手法を使い分けることが可能です。