全自動比表面儀測試及維護常見問題探討

鄭曉康

重慶瑞臨計量檢測有限公司 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構的固體材料，可以是粉末堆積物、單塊體等，如混凝土等都屬于多孔材料。這種材料的內部孔徑結構決定了其材質的特殊性，使其能夠被廣泛地運用于各領域之中。全自動比表面儀能夠檢測比表面儀以及孔徑分布等，提供有效的分析數據。

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滴定法，也就是在液氮溫度下，樣品管中的樣品進行高真空加熱脫氣，促使整個系統達到需要的真空度，之后將樣品管浸入到液氮浴之中，充入相應含量的N2，此時樣品會吸附或脫附N2，導致壓力發生變化。等待吸附或脫附達到平衡的狀態在之后，進行氣體平衡壓力的測試[1]，并根據吸附或脫附前后整體系統壓力的變化，進行吸附量的計算，以壓力為橫坐標、吸附量為縱坐標，獲取相應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，則會出現毛細管凝聚的狀況，有著較為明顯的吸附或脫附之后的現象；若測試的微孔樣品在0～0.01的相對壓力之間，那么就會出現微孔填充的問題，吸附量會表現為開一個平臺狀態。顯而易見的是，壓力的準確控制是進行樣品測試準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，對儀器氣路系統的高真空控制效果十分重要。全自動比表面儀的真空系統中通常包括兩個獨立的真空系統，分別為脫氣系統與分析系統。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體系能夠達到一個較高的真空度，從而促使2個樣品的脫氣處理及1個樣品的分析能夠同時平穩的運行，提升測試效率。儀器開機抽真空的順序一般是在脫氣站達到真空的狀態后，在到分析站進行抽真空[2]。但是在實際運行的過程之中，常常會發生真空度異常的情況，例如脫氣時真空度抽不到或測試樣品的過程中分析站的真空狀態為異常狀況，致使樣品的處理或測試無法順利穩定的運行，那么就需要針對在測試及維護中常出現的各種異常狀況進行針對性的分析，并找到其原因，從而進行有效為維護，確保儀器能夠處于良好的狀態，能夠給出精準度較高的分析數據，確保多孔材料的性能。

2 全自動比表面儀測試的過程

高純氮氣是全自動比表面儀在進行測試中做常用到的易總吸附質氣體，在進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的狀態為最佳，并且在測試開始之前應當使儀器保持一段時間的抽真空狀態，脫氣站的真空為0mmHg，分析站的真空為2μmHg，則表明此時的儀器為真空的狀態。

2.1 脫氣預處理

當樣品進行準確稱量之后，可以對樣品進行預處理工作，預處理的過程主要包括了高溫加熱以及抽真空兩個環節，主要目的是為了能夠將樣品中可揮發的有機模板劑、水、空氣等物質去除。因此在進行樣品選送時需要標注清楚樣品的處理溫度[3]，并在這個預處理的溫度下，確保樣品本身不會發生揮發或者分解的狀況，否則，可能會對真空泵以及儀器造成較為嚴重的破壞，進而影響到測試結果的準確性。預處理的過程將真空度作為標準，一般當真空度＜20μmHg時，可以進行相應的分析操作，但是在進行分析之前，需要使用氮氣進行回填，使其處于標準的大氣壓狀況下，否則樣品管難以進行拆卸。

2.2 分析實驗

分析實驗是在脫氣預處理之后進行的，將樣品管戴上保溫夾套之后，將其轉移到分析站上，分析站的液氮保溫套中加滿液氮，之后對分析軟件上在進行測試之前的管道壓力進行觀察，如果壓力值在2μmHg，那么則表示狀況為正常，可以進行分析操作。反之，則需要找到真空不足的原因，并進行調整后，達到正常狀態后進行分析操作，在分析實驗結束之后，儀器會自動關閉相應的閥門，并將樣品管的真空度回填到一個大氣壓的狀態，與此同時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行保護，冷凝管的主要作用是能夠在脫氣及分析時樣品中被真空抽出來的水汽或有機小分子在液氮的環境下進行冷凝，從而促使系統的真空度能夠在較短的時間內，達到標準要求的狀態[4]。進行冷凝管的拆洗之前，需要將干泵及油泵先進行關閉，之后將與脫氣站及分析站相連接的冷凝管，使用高純氮氣回填到一個大氣壓的狀態下，將軟件關閉后，關閉儀器的電源。方可將冷凝管拆下來，之后進行清洗，并將其烘干。與此同時將脫氣站與分析站的保溫套之中的冰采用溫水進行融化，并將其晾干。在所有工作完成之后，將冷凝管進行重新安裝，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，之后將脫氣站進行抽真空操作至0mmHg，分析站抽真空至2μmHg，穩定2個小時左右的時間之后，可以進行脫氣及分析實驗操作。

2.4 后處理

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

3 全自動比表面儀測試中常見的問題

3.1 分析時間比較長

部分樣品進行分析的過程中，所用的時間比較長，可能會達到十幾個小時甚至是更長的時間。這可能與因為樣品預處理的時間及溫度遠遠未能達到相應的標準，或者是因為冷凝管中的液氮保溫套以及分析站中的保溫套未能加滿液氮，這就會導致在分析的過程中造成每一個分壓的時間比較長，進而導致總體的分析時間過長。

3.2 測試結果的比表面積小

在部分樣品進行測試結束后，得出的比表面積的測試結果會非常的小，機會接近于“0”。出現這種狀況得很原因主要是因為樣品本身沒有孔道、孔道被雜質填滿導致真空狀態下，不易被抽取出來，樣品在反應或處理的過程中出現孔道崩塌，在這樣的狀況之下，要求科研人員進行產品合成過程的仔細分析，從而找到可能存在的原因進行相關問題的解決。

3.3 遲滯環不閉合

在一些樣品檢測的過程中會出現遲滯環不閉合的狀態，這種情況下比較常見，需要結合吸收量以及孔徑分布狀況進行分析。可能是因為樣品在分析時孔道部分會出現坍塌，進而導致部分孔道內的氮氣分子在脫附時未能處理干凈，進而造成部分雜質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，若存在物質分解的狀況，會出現遲滯環不閉合的問題。但如果出現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，就表明內部孔的數量會明顯減少。這也就是會內部孔結構中的分布狀況未發生改善，但孔的數量缺明顯減少。

4 全自動比表面儀維護常見問題分析

4.1 脫氣站真空故障分析及日常維護

在全自動比表面儀在開機無樣品的狀態下進行抽真空的操作，或者進行樣品脫氣處理的過程中，如果長時間下的真空度都達不到標準的狀況，那么就會導致儀器開機或樣品脫氣下無法進行正常運行。那么，就需要對冷凝管進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，在冷凝管中會產生大量的水汽或低沸點溶劑類的雜質，進而會導致油泵在運行中的負荷增加，因此難以達到抽取真空的效果。因此，需要每1－2個月的時間進行一次冷凝管系統的維護，進行拆洗。在這個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 及時更換油泵泵油及氧化鋁球。若油泵泵油的特點下降到一個較低的刻度位置上，應當及時補充朋友，且油泵中的油氣阱中的氧化鋁球也應當及時進行更換，當氧化鋁球變顏色時，如果有超過一半異常的顏色發生的變化，則需要立即進行更換。新氧化鋁球在使用之前需要先在350℃下烘干4個小時，不能更換已經使用過的氧化鋁球。

4.2 分析站真空故障維護

全自動比表面儀在連續運行的過程中，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，分子渦輪機沒有介入到運行之中，可能是因為分子渦輪機的前驅桿泵出現了異常狀況。將油泵和干泵回填到開一個大氣壓的狀況下，之后依次將油泵、干泵及主機關閉。將干泵的真空管路與油泵主機接口連接，也就是將干泵用于脫氣站抽真空工作之中，從而對干泵運行故障進行排除。連接好之后再次開機將脫氣機抽真空。脫氣站的真空度若達不到相應的要求，那么就可以確認是干泵真空出現了故障問題，因此需要對干泵進行維護工作，待干泵泵體冷卻到室溫之后，從儀器背面腔體內卸下干泵真空管路，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行，干泵的核心部件隔膜片的壽命通常在8年的時間左右，短期內進行的維護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間比較長，老化問題較為嚴重，就需要及時更換新的隔膜片，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需要使用軟毛刷及棉簽進行清洗，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行清洗，之后再使用蒸餾水及無水乙醇溶劑進行清洗，自然晾干或吹風機快速吹干。中間板的孔洞需要清洗干凈，這是因為隔板聚集的顆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，可以進行泵體的重新組裝，并將其連接到主機接口之上。儀器再次開機之后，需要將脫氣站抽真空之后，進行分析站的抽真空，3分鐘左右的時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，就可以使用標樣對一起進行校正之后進行實際樣品的測試。

5 結束語

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行狀態，并對室內的溫度、濕度等進行嚴格的控制。在進行測試中重視預處理及分析，確保樣品中的有機模板劑、水分及空氣等充分去除，確保分析時間、分析泵的正常運行，確保能夠得到一個較為準確的結果。