小中大微波消解系统和消解罐选择的参考意见
最近因为仿制消解罐(我用的原装消解罐是单一TFM材料一体罐,仿制相对比较简单),不得不了解了一些材料等特性,写出来供同行分享,可能对选择微波消解系统和消解罐有些帮助,毕竟消解罐是重要部件。
一、有内插消化罐的组合罐和一体罐:
组合罐的外壳(护套)和内插消化罐(insert)可以分开。一体罐可能是单一材料制成,但也可能有1种、2种或3种材质构成,但已组合为一体,不能拆开。
组合罐一般有外壳、框架(中间层)、内插消化罐组成,也有的组合罐不用中间层。外壳材质有复合纤维(CEM专利)、PEEK、高温陶瓷、Ultem- 100(Ultem材料基本已被淘汰)。框架主要用PFA。内插消化罐直接与样品、酸接触,耐酸、耐温和高压性能是首要考虑。
二、一般优缺点比较:
组合罐比单一材料的一体消解罐耐压高,内插消化罐可以取出更换(代价小)。但组合罐需要拆装,外壳耐酸性能总是不如氟塑料,有的外壳高温下有脆性。
一体罐不需要拆装,但成本较大、厚重、降温慢。单一材料一体罐只能由TFM或PTFE或PFA构成,耐酸、使用寿命长。氟塑料属于韧性材料,不易爆裂。
三、内插消化罐材质:
用作内插消化罐(或一体消解罐)的材质一般有4种,PTFE、TFM™ PTFE、PFA、石英。前三种都属于氟塑料类型。
1、PTFE:聚四氟乙烯,熔点320-340℃。
2、TFM™ PTFE(简称TFM):由PTFE添加不到1%的添加物制成,属于改性PTFE。熔点320-340℃。除了PTFE的所有优点外,还有一些值得注意的特性改进:高温高压下形变性更小、渗透性更小、高温下重压恢复性更好、很高的表面光洁度。
3、PFA:即全氟代烷氧乙烯,半透明,熔点约308℃,表面光洁度高。
4、石英:很好的热稳定性,熔点很高,但是在高压下易碎,也不能在使用HF制样的情况下。石英消化罐不能单独使用,要加护套。
对于最高实用使用温度,TFM和PTFE一样为260℃。PFA比前两者低10-20℃。石英的使用温度尽管可以很高,但受到密封件、托架等材料的限制,一般石英消解容器的最高使用温度为300℃。最高使用温度一般都是在使用硫酸时才能达到,通常的消解温度为170-220℃。
三种氟塑料相比,无疑TFM是最佳消化材质,所以目前一般进口微波消解系统高压消解罐的内插消化罐都是TFM材质。PFA、PTFE一般只能用作中低压消解容器。当然,如果一定要求有透明度,就只能用PFA了。
四、国外某品牌TFM和PTFE的某些性能比较:
1, 2175PSI下的形变(ASTM 621)
24h,TFM 8%,PTFE 15%;
100h,TFM 9%,PTFE 17%;
2, 渗透性(用1mm厚度薄膜按ASTM D 3985)
HCl(54°C),TFM:460 cm3/m2·bar·day;PTFE:640 cm3/m2·bar·day
SO2(23°C),TFM:210 cm3/m2·bar·day;PTFE:310 cm3/m2·bar·day
目前国内可以购到优质PTFE棒材,也能购买到PFA器皿,但尚未听说能购买到TFM。如有哪位同行了解,敬请告知。
五、内插消化罐的厚度及加工方式:
单一材料一体罐厚度大,没有问题。分层的一体罐和组合罐的内插消化罐应该有一定的厚度(至少应该有2-3mm),否则会有气体渗透。
罐体应该由均衡挤压生产的棒材加工,这样比较浪费材料,但高压性能比铸模加工的好。
国产PTFE棒材价格大约60-250元/公斤,差别很大,材质及负载下的性能(尤其在长期使用后)也就差别不小。
全新优质TFM、PTFE内插消化罐为纯白色,使用后内部颜色会相对变深,一般为氮氧化物吸附所致。全新消化罐如果使用机会不均,不相似的酸吸附会导致微波吸收不相似,从而导致不同消化罐中温压不一致。如果是单一参考罐测控温压,使用新消化罐尤其要注意尽量均等机会使用,否则可能产生严重后果。