微波消解核心技术.doc

1、微波消解仪的技术核心：关 于 控 温 、 控 压 技 术 ：温 度 控 制 保 证 消 解 的 完 全 性 ， 压 力 控 制 保 证 消 解 的 安 全 性一 . 微 波 消 解 配 置 温 度 测 控 系 统 的 必 要 性 ：不 同 的 样 品 具 有 不 同 的 消 解 温 度 ， 当 只 有 达 到 这 个 温 度 ， 样 品 才 能 被彻 底 消 解 完 全 。 例 如 ： 完 全 消 解 PP/PE/PVC 等 样 品 一 般 要 用 到220 。 200 能 完 全 消 解 吗 ？ 回 答 是 不 能 。 消 解 食 用 油 需 要 多 少 温 度 ？190 以 上 。 植 物

2、 类 样 品 170 以 上 。 所 以 并 不 是 “温 度 高 一 点 ， 低 一点 ”没 有 关 系 。 而 是 温 度 高 一 点 没 有 关 系 ， 低 一 点 却 不 行 。那 么 为 什 么 以 前 大 家 在 使 用 没 有 温 度 控 制 的 微 波 消 解 仪 一 样 在 做样 品 消 解 ， 而 且 样 品 也 可 以 被 消 解 掉 ？ 那 是 因 为 在 密 闭 系 统 中 ， 对 于一 个 特 定 样 品 ， 在 称 样 量 和 试 剂 量 已 经 确 定 的 前 提 下 ， 温 度 与 压 力 之 间 是有 一 个 固 定 关 系 式 。 （ 注 意 ： 样 品

3、种 类 的 改 变 及 称 样 量 和 试 剂 量 的 变 化都 将 直 接 改 变 这 个 温 度 与 压 力 的 关 系 式 ） 通 过 微 波 加 热 ， 密 闭 消 解 罐 罐 内温 度 随 即 上 升 ， 罐 内 反 应 物 分 解 产 生 的 气 体 越 来 越 多 ， 即 罐 内 压 力 也 越 来越 高 。举 个 例 子 ， 例 如 要 消 解 0.2 克 PVC， 加 6mL 硝 酸 2mL 盐 酸 ， 在没 有 温 度 控 制 的 情 况 下 ， 我 只 能 设 定 压 力 ， 那 么 我 们 怎 么 知 道 罐 内 消 解 温度 可 以 达 到 220 呢 ？ 当 然 不

4、 知 道 ， 只 能 自 己 摸 索 ， 1MPa， 2MPa.往 上 升 ， 假 设 在 3MPa 条 件 下 ， 样 品 被 完 全 消 解 掉 了 ， 那 就 说 明 罐 内 温度 已 经 超 过 220 了 。 那 么 我 们 想 先 问 一 个 问 题 ： 使 用 的 消 解 罐 能 够 承受 多 少 温 度 ？ 国 内 厂 家 一 般 都 建 议 用 户 使 用 温 度 不 得 超 过 240 。220 与 240 只 相 差 20 ， 所 以 在 这 种 没 有 温 度 控 制 的 情 况 下 ， 很 容易 超 温 ， 损 坏 消 解 罐 。 那 也 就 引 出 了 温 度 控

5、制 的 另 外 一 个 优 点 ， 不 会 让 仪器 超 温 使 用 ， 保 护 消 解 罐 。同 样 还 是 这 个 实 例 ， 不 同 厂 家 生 产 的 PVC， 其 中 的 添 加 剂 不 同 ，不 同 添 加 剂 与 酸 的 反 应 不 同 ， 产 生 的 气 体 压 力 也 各 不 相 同 ， 因 此 消 解 过 程中 产 生 的 压 力 就 会 不 同 。 也 许 A 厂 家 的 PVC 能 在 3MPa 条 件 下 被 消解 ， 而 B 厂 家 的 得 在 3.5MPa。 而 如 果 有 了 温 度 控 制 ， 那 么 在 220条 件 下 ， 样 品 就 能 够 被 消 解

6、掉 ， 而 无 需 考 虑 多 少 压 力 。 当 然 压 力 不 能 超 过消 解 罐 的 承 受 值 ， 否 则 就 要 爆 罐 了 。所 以 我 们 认 为 温 度 控 制 相 对 于 只 有 压 力 控 制 一 个 手 段 而 言 具 有 如 下 优点 ：1. 令 实 验 简 单 明 了 ， 简 化 实 验 过 程 ；2. 实 验 重 复 性 好 ， 不 会 因 为 样 品 的 称 样 量 和 试 剂 量 改 变 而 改 变 实 验 条件 ；3. 保 护 消 解 罐 不 会 超 温 使 用 ；4. 对 于 需 要 较 高 消 解 温 度 的 样 品 ， 如 只 有 控 压 ， 几 乎

7、无 法 实 现 样 品 的完 全 消 解 。压 力 控 制 只 是 保 证 仪 器 使 用 的 安 全 。为 什 么 进 口 仪 器 把 控 温 作 为 一 个 标 准 配 置 ， 而 控 压 作 为 选 项 ？ 如 果 消解 罐 能 够 承 受 足 够 的 压 力 ， 保 证 安 全 的 情 况 下 ， 可 以 不 选 择 压 力 控 制 系 统 。而 控 温 是 保 证 实 验 成 功 的 必 要 条 件 ， 必 须 安 装 。二 . 压 力 测 控 技 术 的 比 较 ：当 前 国 内 制 造 厂 商 使 用 的 三 种 压 力 测 控 技 术 ： 理 想 气 体 控 压 方 式 、 水

8、线 控 压 、 弹 性 体 控 压1. 理 想 气 体 控 压 ： 用 引 压 管 把 密 闭 溶 样 罐 中 的 高 温 、 高 压 、 强 腐 蚀 的气 体 直 接 引 至 专 用 压 力 传 感 器 的 感 压 膜 片 上 ， 将 罐 内 压 力 转 换 成 电信 号 ， 并 通 过 控 制 面 板 上 的 显 示 屏 直 接 显 示 出 压 力 数 值 ， 使 操 作 者能 实 时 观 察 到 罐 内 的 压 力 ， 并 使 其 保 持 在 设 定 的 数 值 范 围 内 。 这 是一 种 最 新 的 直 接 测 压 方 式 ， 工 作 压 力 高 、 测 压 准 确 度 高 、 操

9、作 简 便 ，明 显 优 于 其 它 测 压 方 式 。 这 种 测 压 方 式 也 是 CEM 和 Mileston采 用 的 测 压 方 式 。 美 国 90 年 代 末 技 术 。2. 水 线 控 压 ： 是 用 去 离 子 水 注 入 毛 细 导 管 ， 毛 细 导 管 置 于 溶 样 杯 内 。反 应 中 ， 罐 内 压 力 通 过 毛 细 导 管 传 递 到 炉 腔 外 的 电 子 压 力 传 感 器 上来 测 定 罐 内 压 力 ， 这 种 方 法 测 压 是 精 确 的 ， 但 是 每 次 都 须 清 理 、 更换 毛 细 管 中 的 用 水 ， 如 果 操 作 不 慎 可 能

10、 会 产 生 交 叉 污 染 。 另 外 ， 由于 毛 细 导 管 强 度 有 限 ， 这 类 仪 器 的 最 高 工 作 压 力 只 有 1.4MPa，比 较 低 。 美 国 80 年 代 末 技 术 。3. 弹 性 体 控 压 ： 采 用 位 移 传 感 原 理 对 消 解 罐 进 行 压 力 监 测 和 控 制 。 所谓 “位 移 传 感 ”， 就 是 测 量 罐 内 的 “弹 性 体 ”在 溶 样 罐 内 压 力 作用 下 产 生 的 压 缩 变 形 量 ， 再 将 变 形 量 转 化 为 电 信 号 ， 显 示 出 罐 内 压力 。 这 种 测 压 方 法 简 单 ， 但 其 问 题

11、 在 于 ： 弹 性 体 的 变 形 量 与 压 力 的关 系 不 是 线 性 关 系 ， 离 散 性 大 ， 且 不 很 稳 定 ， 而 显 示 压 力 的 电 路 是线 性 刻 度 的 ， 所 以 测 压 结 果 不 准 确 。 其 原 因 是 ： 弹 性 体 的 弹 性(压 力 与 压 缩 量 之 间 的 关 系 )随 制 造 时 的 配 方 和 工 艺 而 变 , 即 使 是同 一 批 弹 性 体 它 们 的 弹 性 也 各 不 相 同 。 经 过 挑 选 , 即 使 有 少 量 弹性 体 的 弹 性 符 合 要 求 , 但 在 高 温 、 高 压 及 酸 气 环 境 中 又 很 容

12、易 老 化变 硬 ， 因 此 其 弹 性 无 法 保 证 ， 难 以 正 确 反 映 罐 内 压 力 。 这 样 会 误 导操 作 者 ， 即 实 际 罐 内 压 力 已 经 很 大 ， 而 由 于 弹 性 体 变 硬 ， 变 形 量 却不 大 ， 因 而 显 示 的 压 力 也 就 小 ， 实 际 上 往 往 罐 内 压 力 已 经 超 限 ， 而操 作 人 员 不 能 察 觉 , 结 果 造 成 “密 闭 罐 超 压 爆 炸 ”事 故 。 另 外 ，如 放 置 多 罐 ， 由 于 此 种 控 压 方 式 ， 控 压 罐 必 须 放 置 在 炉 腔 中 心 位 置 ，则 其 余 消 解 罐

13、只 能 放 置 在 周 边 圆 周 处 ， 另 各 罐 吸 收 微 波 能 量 不 相 同 ，造 成 控 压 罐 并 代 表 不 了 其 余 各 罐 内 压 力 ， 因 此 往 往 发 生 爆 炸 事 故 。所 以 为 了 安 全 起 见 ， 每 次 实 验 ， 只 能 放 置 一 个 消 解 罐 。 德 国 80年 代 初 技 术 。理 想 气 体 控 压 水 线 控 压 弹 性 体 控 压测 压 精 度 高 高 低测 压 准 确 度 高 高 低测 压 线 性 度 （ 范 围 ） 大 小 大消 耗 品 无 无 有使 用 方 便 性 方 便 繁 琐 方 便制 造 成 本 高 低 低技 术 推

14、出 时 间 美 国 90 年 代 末 美 国 80 年 代 末 德 国 80 年 代 初关 于 消 化 容 器 的 材 质 ：一 . 外 罐 ：目 前 国 内 微 波 消 解 生 产 商 主 要 采 用 二 种 材 料 ： PEEK 和 PSF1. 本 公 司 采 用 玻 纤 增 强 聚 醚 醚 酮 （ PEEK） 材 质 ： PEEK 具 有 高 耐热 性 （ 纤 维 增 强 后 其 热 变 形 温 度 为 300 ） 、 耐 热 水 性 （ 可 在200260 蒸 汽 中 使 用 ） 、 耐 疲 劳 及 耐 蠕 变 性 （ 是 热 塑 性 塑 料 中 最高 的 ） 、 耐 腐 蚀 性 （

15、除 浓 硫 酸 及 浓 硝 酸 外 无 溶 剂 能 侵 蚀 它 ） 、 耐辐 射 及 阻 燃 性 、 机 械 强 度 及 电 绝 缘 性 好 等 特 点 。 目 前 全 球 仍 然 只 有英 国 帝 国 化 学 公 司 （ ICI 公 司 ） 才 能 制 造 。 每 吨 售 价 达 100-120万 元 。2. 聚 砜 PSF： 是 略 带 琥 珀 色 非 晶 型 透 明 或 半 透 明 聚 合 物 ， 力 学 性 能 优异 ， 刚 性 大 ， 耐 磨 、 高 强 度 ， 其 范 围 为 100150 ， 长 期 使 用温 度 为 160 ， 短 期 使 用 温 度 为 190 。 国 产 每

16、 吨 售 价 15 万 元 。性 能 PEEK PSF长 期 使 用 温 度 260 160短 期 使 用 温 度 300 190力 学 性 能 优 优冷 却 速 度 （ 散 热 性 能 ） 快 慢售 价 高 低对 于 微 波 消 解 来 说 ， 经 常 使 用 温 度 都 在 180-220 ， 聚 砜 材 料 根本 无 法 满 足 长 期 使 用 ， 因 此 用 户 不 光 后 期 更 换 费 用 高 ， 而 且 如 果 不 能 及 时发 现 罐 裂 ， 还 存 在 爆 炸 危 险 ！二 . 内 罐TFM（ 改 性 聚 四 氟 乙 烯 ） 和 PTFE（ 聚 四 氟 乙 烯 ）TFM 最

17、高 使 用 温 度 不 低 于 PTFE， 表 面 光 洁 度 、 高 温 高 压 下 的 抗 渗透 性 、 高 温 高 压 下 的 抗 形 变 性 均 优 于 PTFE。 TFM 是 消 化 容 器 的 首 选材 质 。聚 醚 醚 酮 （ PEEK） 的 介 绍 聚 醚 醚 酮 属 于 聚 醚 酮 类 塑 料 中 的 主 要 品 种 ， 在 这 个 聚 合 物 的 重 复 单 元中 有 两 个 醚 键 和 酮 基 与 苯 环 交 互 连 构 成 线 型 大 分 子 ， 故 命 名 为 聚 醚 醚 酮 ，简 称 PEEK， PEEK 是 一 种 耐 高 温 的 结 晶 型 热 塑 性 工 程

18、塑 料 。 其 合 成 方法 主 要 有 两 种 ， 一 种 是 通 过 酚 盐 与 卤 代 芳 烃 进 行 亲 核 取 代 反 应 ； 另 一 种 是通 过 芳 香 酰 氯 或 酸 与 芳 烃 进 行 亲 电 取 代 反 映 。 聚 芳 醚 酮 由 于 分 子 链 中 含 有刚 性 的 苯 环 结 构 ， 因 此 结 晶 温 度 很 高 。PEEK 是 芳 杂 环 聚 合 物 中 却 是 较 晚 获 得 商 品 化 的 一 个 品 种 。 英 国 帝 国化 学 公 司 （ ICI 公 司 ） 的 Victrex PEEK 在 1978 年 才 投 放 市 场 。 虽 然各 公 司 研 究 开

19、 发 了 许 多 聚 醚 酮 品 种 ， 其 中 最 主 要 的 品 种 仍 然 是 聚 醚 醚 酮 。聚 醚 醚 酮 （ PEEK） 的 特 性 与 应 用一 . 特 性PEEK 具 有 高 耐 热 性 （ 纤 维 增 强 后 其 热 变 形 温 度 为 300 ） 、 耐 热水 性 （ 可 在 200260 蒸 汽 中 使 用 ） 、 耐 疲 劳 及 耐 蠕 变 性 （ 是 热 塑 性 塑料 中 最 高 的 ） 、 耐 腐 蚀 性 （ 除 浓 硫 酸 及 浓 硝 酸 外 无 溶 剂 能 侵 蚀 它 ） 、耐 辐 射 及 阻 燃 性 、 机 械 强 度 及 电 绝 缘 性 好 等 特 点 。

20、二 . 应 用PEEK 发 展 的 历 史 仅 为 十 几 年 ， 目 前 开 始 在 电 子 电 器 、 机 械 、 运 输 及宇 航 等 领 域 受 到 重 视 与 应 用 。 在 电 子 电 器 行 业 中 主 要 应 用 于 电 线 、 磁 导 线包 覆 、 高 温 接 线 柱 、 接 线 板 及 挠 性 印 刷 电 路 板 等 。 短 纤 维 增 强 的PEEK 可 以 制 作 轴 承 保 持 器 、 凸 轮 、 飞 机 操 纵 杆 等 。PEEK 还 可 以 制 成 长 纤 维 增 强 的 复 合 材 料 ， 英 国 ICI 公 司 已 经 推出 商 品 化 的 PEEK 树 脂

21、基 的 复 合 增 强 材 料 ， 用 于 制 作 直 升 飞 机 的 尾 翼 等结 构 件 。PEEK 可 以 挤 出 成 型 的 特 点 ， 可 以 挤 出 高 强 度 的 单 丝 ， 具 有 优 良 的 耐化 学 药 品 性 、 耐 热 性 ， 适 于 制 造 化 工 设 备 中 的 过 滤 器 部 件 ； 挤 出 的 高 强 度膜 经 硫 酸 磺 化 后 ， 可 以 用 作 离 子 膜 ， PEEK 吹 塑 成 型 的 容 器 ， 可 以 用来 装 运 核 反 应 堆 的 废 料 ， 这 种 容 器 耐 腐 蚀 、 耐 辐 射 、 质 轻 而 安 全 可 靠 。PEEK 阻 燃 性 好

22、 ， 不 加 阻 燃 剂 可 达 到 V-1 或 V-0 级 ， 而 且 燃 烧 时发 烟 少 ， 毒 气 少 。 综 合 PEEK 的 耐 高 温 、 耐 腐 蚀 、 电 绝 缘 性 能 及 机 械 强度 高 、 耐 辐 射 及 阻 燃 等 优 异 性 能 ， 它 又 是 宇 航 领 域 应 用 的 新 材 料 。聚 醚 醚 酮 （ PEEK） 的 成 型 加 工PEEK 由 于 其 结 晶 性 而 必 须 熔 融 温 度 以 上 的 温 度 进 行 加 工 ， 与 其 他 结晶 聚 合 物 一 样 可 以 对 其 进 行 模 压 、 注 塑 、 挤 出 成 型 及 粉 末 喷 涂 和 熔

23、融 纺 丝等 。 对 于 PEEK 在 剪 切 速 率 为 1000s-1 时 ， 在 370400 之 间 其 熔体 粘 度 为 480350pa“ s,有 很 好 的 加 工 性 能 。关 于 变 频 ：目 前 国 内 厂 家 推 出 的 “连 续 微 波 输 出 技 术 ”均 来 自 于 松 下 公 司 于2002 年 推 出 的 其 应 用 于 家 用 微 波 炉 的 “变 频 技 术 ”（ 参 见 附 录 资 料 ） ，通 过 改 变 电 源 频 率 来 控 制 输 出 功 率 的 大 小 ， 变 频 电 路 可 以 将 50Hz 的固 定 频 率 任 意 转 换 成 20000-4

24、5000Hz 的 高 频 率 ， 因 此 得 到 不 同 的 、 连续 的 功 率 输 出 。 本 公 司 于 2002 年 推 出 的 WX-3000 型 微 波 消 解 仪 既 开始 采 用 此 技 术 ， 但 是 此 技 术 缺 点 在 于 ：1. 并 非 真 正 的 输 出 连 续 微 波 ， 如 应 用 于 家 用 微 波 炉 没 有 问 题 ， 但 作 为专 业 微 波 化 学 设 备 上 应 用 ， 仍 称 为 连 续 输 出 ， 则 有 违 实 事 求 是 的 精神 ；2. 如 在 400W 功 率 以 下 仍 然 采 用 此 技 术 ， 则 磁 控 管 寿 命 大 大 减 少

25、 ， 所以 松 下 公 司 在 400W 以 下 的 小 功 率 仍 然 使 用 传 统 技 术 。磁 控 管 改 变 功 率 输 出 ， 目 前 微 波 届 内 只 公 认 一 种 技 术 ： 即 通 过 改 变 磁控 管 的 阳 极 电 流 大 小 而 改 变 磁 控 管 的 输 出 功 率 大 小 。 此 技 术 约 于 5年 前 由 国 外 引 入 中 国 ， 目 前 国 内 掌 握 此 技 术 的 不 会 超 过 5 个 工 业 微 波制 造 厂 商 。 本 公 司 于 2003 年 开 始 投 入 研 发 此 技 术 ， 研 发 部 多 位 微 波 电子 工 程 师 耗 费 二 年 心 血 终 于 研 发 出 “结 合 高 频 闭 环 反 馈 微 波 功 率 自 动可 调 ”技 术 ， 此 技 术 的 研 制 成 功 表 明 我 国 微 波 化 学 设 备 制 造 技 术 已 经 不落 后 于 欧 美 先 进 水 平 ！