鄭曉康

重慶瑞臨計(jì)量檢測有限公司 重慶 401331

引言

多孔化合物或多孔化合物為主體的多孔材料是一種具有孔道結(jié)構(gòu)的固體材料，可以是粉末堆積物、單塊體等，如混凝土等都屬于多孔材料。這種材料的內(nèi)部孔徑結(jié)構(gòu)決定了其材質(zhì)的特殊性，使其能夠被廣泛地運(yùn)用于各領(lǐng)域之中。全自動比表面儀能夠檢測比表面儀以及孔徑分布等，提供有效的分析數(shù)據(jù)。

1 全自動比表面儀測試原理

全自動比表面儀的原理是低溫氮物理吸附靜態(tài)滴定法，也就是在液氮溫度下，樣品管中的樣品進(jìn)行高真空加熱脫氣，促使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到需要的真空度，之后將樣品管浸入到液氮浴之中，充入相應(yīng)含量的N2，此時(shí)樣品會吸附或脫附N2，導(dǎo)致壓力發(fā)生變化。等待吸附或脫附達(dá)到平衡的狀態(tài)在之后，進(jìn)行氣體平衡壓力的測試[1]，并根據(jù)吸附或脫附前后整體系統(tǒng)壓力的變化，進(jìn)行吸附量的計(jì)算，以壓力為橫坐標(biāo)、吸附量為縱坐標(biāo)，獲取相應(yīng)的吸附與脫附平衡等溫線，若測試的介孔樣品在0.4～0.9之間的相對壓力，則會出現(xiàn)毛細(xì)管凝聚的狀況，有著較為明顯的吸附或脫附之后的現(xiàn)象；若測試的微孔樣品在0～0.01的相對壓力之間，那么就會出現(xiàn)微孔填充的問題，吸附量會表現(xiàn)為開一個(gè)平臺狀態(tài)。顯而易見的是，壓力的準(zhǔn)確控制是進(jìn)行樣品測試準(zhǔn)確度控制的重要條件，因此在全自動比表面儀測試的過程中，對儀器氣路系統(tǒng)的高真空控制效果十分重要。全自動比表面儀的真空系統(tǒng)中通常包括兩個(gè)獨(dú)立的真空系統(tǒng)，分別為脫氣系統(tǒng)與分析系統(tǒng)。其中脫氣站真空采用油泵支持，分析站則采用的是干泵家分子渦輪泵的方式確保整個(gè)體系能夠達(dá)到一個(gè)較高的真空度，從而促使2個(gè)樣品的脫氣處理及1個(gè)樣品的分析能夠同時(shí)平穩(wěn)的運(yùn)行，提升測試效率。儀器開機(jī)抽真空的順序一般是在脫氣站達(dá)到真空的狀態(tài)后，在到分析站進(jìn)行抽真空[2]。但是在實(shí)際運(yùn)行的過程之中，常常會發(fā)生真空度異常的情況，例如脫氣時(shí)真空度抽不到或測試樣品的過程中分析站的真空狀態(tài)為異常狀況，致使樣品的處理或測試無法順利穩(wěn)定的運(yùn)行，那么就需要針對在測試及維護(hù)中常出現(xiàn)的各種異常狀況進(jìn)行針對性的分析，并找到其原因，從而進(jìn)行有效為維護(hù)，確保儀器能夠處于良好的狀態(tài)，能夠給出精準(zhǔn)度較高的分析數(shù)據(jù)，確保多孔材料的性能。

2 全自動比表面儀測試的過程

高純氮?dú)馐侨詣颖缺砻鎯x在進(jìn)行測試中做常用到的易總吸附質(zhì)氣體，在進(jìn)行日常測試的過程中，需要將鋼瓶的壓力值始終保持在0.1MPa的狀態(tài)為最佳，并且在測試開始之前應(yīng)當(dāng)使儀器保持一段時(shí)間的抽真空狀態(tài)，脫氣站的真空為0mmHg，分析站的真空為2μmHg，則表明此時(shí)的儀器為真空的狀態(tài)。

2.1 脫氣預(yù)處理

當(dāng)樣品進(jìn)行準(zhǔn)確稱量之后，可以對樣品進(jìn)行預(yù)處理工作，預(yù)處理的過程主要包括了高溫加熱以及抽真空兩個(gè)環(huán)節(jié)，主要目的是為了能夠?qū)悠分锌蓳]發(fā)的有機(jī)模板劑、水、空氣等物質(zhì)去除。因此在進(jìn)行樣品選送時(shí)需要標(biāo)注清楚樣品的處理溫度[3]，并在這個(gè)預(yù)處理的溫度下，確保樣品本身不會發(fā)生揮發(fā)或者分解的狀況，否則，可能會對真空泵以及儀器造成較為嚴(yán)重的破壞，進(jìn)而影響到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。預(yù)處理的過程將真空度作為標(biāo)準(zhǔn)，一般當(dāng)真空度＜20μmHg時(shí)，可以進(jìn)行相應(yīng)的分析操作，但是在進(jìn)行分析之前，需要使用氮?dú)膺M(jìn)行回填，使其處于標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓狀況下，否則樣品管難以進(jìn)行拆卸。

2.2 分析實(shí)驗(yàn)

分析實(shí)驗(yàn)是在脫氣預(yù)處理之后進(jìn)行的，將樣品管戴上保溫夾套之后，將其轉(zhuǎn)移到分析站上，分析站的液氮保溫套中加滿液氮，之后對分析軟件上在進(jìn)行測試之前的管道壓力進(jìn)行觀察，如果壓力值在2μmHg，那么則表示狀況為正常，可以進(jìn)行分析操作。反之，則需要找到真空不足的原因，并進(jìn)行調(diào)整后，達(dá)到正常狀態(tài)后進(jìn)行分析操作，在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，儀器會自動關(guān)閉相應(yīng)的閥門，并將樣品管的真空度回填到一個(gè)大氣壓的狀態(tài)，與此同時(shí)會開啟抽真空的工作，直至為2μmHg的水平。

2.3 拆洗冷凝管

全自動比表面儀中一般包括兩根冷凝管，其中左邊的冷凝管與脫氣站相連接，右邊的冷凝管與分析站相連接，冷凝管的外部有液氮保溫套進(jìn)行保護(hù)，冷凝管的主要作用是能夠在脫氣及分析時(shí)樣品中被真空抽出來的水汽或有機(jī)小分子在液氮的環(huán)境下進(jìn)行冷凝，從而促使系統(tǒng)的真空度能夠在較短的時(shí)間內(nèi)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的狀態(tài)[4]。進(jìn)行冷凝管的拆洗之前，需要將干泵及油泵先進(jìn)行關(guān)閉，之后將與脫氣站及分析站相連接的冷凝管，使用高純氮?dú)饣靥畹揭粋€(gè)大氣壓的狀態(tài)下，將軟件關(guān)閉后，關(guān)閉儀器的電源。方可將冷凝管拆下來，之后進(jìn)行清洗，并將其烘干。與此同時(shí)將脫氣站與分析站的保溫套之中的冰采用溫水進(jìn)行融化，并將其晾干。在所有工作完成之后，將冷凝管進(jìn)行重新安裝，并將脫氣站的保溫套加好液氮之后放到冷凝管之中。所有的安裝工作完成之后，打開電源及軟件，之后將脫氣站進(jìn)行抽真空操作至0mmHg，分析站抽真空至2μmHg，穩(wěn)定2個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間之后，可以進(jìn)行脫氣及分析實(shí)驗(yàn)操作。

2.4 后處理

在全自動比表面儀分析測試結(jié)束之后，進(jìn)行樣品的回收，并將樣品管清洗干凈之后進(jìn)行烘干，進(jìn)行后期的預(yù)處理與分析備用。

3 全自動比表面儀測試中常見的問題

3.1 分析時(shí)間比較長

部分樣品進(jìn)行分析的過程中，所用的時(shí)間比較長，可能會達(dá)到十幾個(gè)小時(shí)甚至是更長的時(shí)間。這可能與因?yàn)闃悠奉A(yù)處理的時(shí)間及溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，或者是因?yàn)槔淠苤械囊旱靥滓约胺治稣局械谋靥孜茨芗訚M液氮，這就會導(dǎo)致在分析的過程中造成每一個(gè)分壓的時(shí)間比較長，進(jìn)而導(dǎo)致總體的分析時(shí)間過長。

3.2 測試結(jié)果的比表面積小

在部分樣品進(jìn)行測試結(jié)束后，得出的比表面積的測試結(jié)果會非常的小，機(jī)會接近于“0”。出現(xiàn)這種狀況得很原因主要是因?yàn)闃悠繁旧頉]有孔道、孔道被雜質(zhì)填滿導(dǎo)致真空狀態(tài)下，不易被抽取出來，樣品在反應(yīng)或處理的過程中出現(xiàn)孔道崩塌，在這樣的狀況之下，要求科研人員進(jìn)行產(chǎn)品合成過程的仔細(xì)分析，從而找到可能存在的原因進(jìn)行相關(guān)問題的解決。

3.3 遲滯環(huán)不閉合

在一些樣品檢測的過程中會出現(xiàn)遲滯環(huán)不閉合的狀態(tài)，這種情況下比較常見，需要結(jié)合吸收量以及孔徑分布狀況進(jìn)行分析。可能是因?yàn)闃悠吩诜治鰰r(shí)孔道部分會出現(xiàn)坍塌，進(jìn)而導(dǎo)致部分孔道內(nèi)的氮?dú)夥肿釉诿摳綍r(shí)未能處理干凈，進(jìn)而造成部分雜質(zhì)留出來會在孔道之中存留，形成類似與墨水瓶狀的小孔孔道，這樣就會造成脫附曲線不能與吸附曲線相重合的情況[5]，在反應(yīng)之后的催化劑上面會吸附了較多非常容易在真空下分解的物質(zhì)，若存在物質(zhì)分解的狀況，會出現(xiàn)遲滯環(huán)不閉合的問題。但如果出現(xiàn)孔徑分布曲線走勢較為相同的狀況下，吸附量會明顯減少，那么在這種狀況下，就表明內(nèi)部孔的數(shù)量會明顯減少。這也就是會內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)中的分布狀況未發(fā)生改善，但孔的數(shù)量缺明顯減少。

4 全自動比表面儀維護(hù)常見問題分析

4.1 脫氣站真空故障分析及日常維護(hù)

在全自動比表面儀在開機(jī)無樣品的狀態(tài)下進(jìn)行抽真空的操作，或者進(jìn)行樣品脫氣處理的過程中，如果長時(shí)間下的真空度都達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的狀況，那么就會導(dǎo)致儀器開機(jī)或樣品脫氣下無法進(jìn)行正常運(yùn)行。那么，就需要對冷凝管進(jìn)行清洗并更換油泵油氣阱中氧化鋁球及泵油，從而確保脫氣站恢復(fù)真空度在50μmHg以下的水平。

4.1.1 清潔冷凝管。若全自動比表面儀長期處于樣品脫氣冷處理工作，在冷凝管中會產(chǎn)生大量的水汽或低沸點(diǎn)溶劑類的雜質(zhì)，進(jìn)而會導(dǎo)致油泵在運(yùn)行中的負(fù)荷增加，因此難以達(dá)到抽取真空的效果。因此，需要每1－2個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行一次冷凝管系統(tǒng)的維護(hù)，進(jìn)行拆洗。在這個(gè)過程中需要將冷凝管中的液氮充滿，并定期使用溫水將杜瓦罐中的冰塊處理干凈，從而確保冷凝管在液氮的溫度之下。

4.1.2 及時(shí)更換油泵泵油及氧化鋁球。若油泵泵油的特點(diǎn)下降到一個(gè)較低的刻度位置上，應(yīng)當(dāng)及時(shí)補(bǔ)充朋友，且油泵中的油氣阱中的氧化鋁球也應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行更換，當(dāng)氧化鋁球變顏色時(shí)，如果有超過一半異常的顏色發(fā)生的變化，則需要立即進(jìn)行更換。新氧化鋁球在使用之前需要先在350℃下烘干4個(gè)小時(shí)，不能更換已經(jīng)使用過的氧化鋁球。

4.2 分析站真空故障維護(hù)

全自動比表面儀在連續(xù)運(yùn)行的過程中，如果脫氣站真空狀況正常，但分析站真空狀況異常的狀況下，分子渦輪泵的指示燈不會亮，分子渦輪機(jī)沒有介入到運(yùn)行之中，可能是因?yàn)榉肿訙u輪機(jī)的前驅(qū)桿泵出現(xiàn)了異常狀況。將油泵和干泵回填到開一個(gè)大氣壓的狀況下，之后依次將油泵、干泵及主機(jī)關(guān)閉。將干泵的真空管路與油泵主機(jī)接口連接，也就是將干泵用于脫氣站抽真空工作之中，從而對干泵運(yùn)行故障進(jìn)行排除。連接好之后再次開機(jī)將脫氣機(jī)抽真空。脫氣站的真空度若達(dá)不到相應(yīng)的要求，那么就可以確認(rèn)是干泵真空出現(xiàn)了故障問題，因此需要對干泵進(jìn)行維護(hù)工作，待干泵泵體冷卻到室溫之后，從儀器背面腔體內(nèi)卸下干泵真空管路，并將干泵移動到干凈平坦的地板之上，進(jìn)行泵體的拆解。一般情況下，一起需要在適宜的溫度以及濕度下運(yùn)行，干泵的核心部件隔膜片的壽命通常在8年的時(shí)間左右，短期內(nèi)進(jìn)行的維護(hù)工作主要是清洗隔膜室的中間板及黑色塑料片為主。若是隔膜片使用的時(shí)間比較長，老化問題較為嚴(yán)重，就需要及時(shí)更換新的隔膜片，將隔膜室中間板及黑色塑料片充分的清洗干凈，需要注意的是在清洗時(shí)需要使用軟毛刷及棉簽進(jìn)行清洗，軟毛刷能夠有效地避免對中間板及塑料片的磨損，并使用棉簽將中間板上的孔洞上的污漬清洗干凈，首先使用大量的自來水進(jìn)行清洗，之后再使用蒸餾水及無水乙醇溶劑進(jìn)行清洗，自然晾干或吹風(fēng)機(jī)快速吹干。中間板的孔洞需要清洗干凈，這是因?yàn)楦舭寰奂念w粒物會附著在孔洞之中，會直接影響到泵本身的性能。等到中間板及塑料片清潔干凈，并確保干燥之后，可以進(jìn)行泵體的重新組裝，并將其連接到主機(jī)接口之上。儀器再次開機(jī)之后，需要將脫氣站抽真空之后，進(jìn)行分析站的抽真空，3分鐘左右的時(shí)間分析站就能夠完成抽真空，帶脫氣站及分析站抽真空正常之后，就可以使用標(biāo)樣對一起進(jìn)行校正之后進(jìn)行實(shí)際樣品的測試。

5 結(jié)束語

綜上所述，全自動比表面儀在測定微孔、介孔以及大孔樣品等多孔材料的測試中具有良好的效果，但在實(shí)際測試的過程中，對真空度具有較高的要求，因此在使用的過程中，需要確保干泵、油泵等均處于正常的運(yùn)行狀態(tài)，并對室內(nèi)的溫度、濕度等進(jìn)行嚴(yán)格的控制。在進(jìn)行測試中重視預(yù)處理及分析，確保樣品中的有機(jī)模板劑、水分及空氣等充分去除，確保分析時(shí)間、分析泵的正常運(yùn)行，確保能夠得到一個(gè)較為準(zhǔn)確的結(jié)果。