Для работы с высокореактивными аккумуляторными материалами используется исследовательский перчаточный бокс, наполненный сверхчистым аргоном, уровень кислорода и влаги которого измеряется в частях на миллион. Нагревательная плита, установленная внутри этой безупречной герметичной коробки, не может быть источником какого-либо загрязнения. Стандартный, окрашенный и замасленный промышленный стол бесшумно выделял бы облако влаги, растворителей и пластификаторов, отравляя чувствительный эксперимент. Выбор плиты для перчаточного бокса с инертной атмосферой требует исключительной чистоты материала.
В этой статье описаны необходимыеспецификация перчаточного ящика с нагревательной плитой в инертной атмосфередля применений, где любое выделение газа или выброс твердых частиц недопустимо. Рекомендации охватывают материалы, конструкцию нагревательного элемента, герметизацию и проверку чистоты.
Почему стандартные плиты непригодны для использования в перчаточном боксе
Источники загрязнения обычных плит
Типичная промышленная нагревательная плита содержит несколько материалов, которые при нагревании выделяют летучие органические соединения (ЛОС), влагу и другие загрязнения:
Краска или порошковое покрытиена внешней поверхности
Анодированная или гальваническая отделкакоторые улавливают химические вещества
Полимерная изоляция кабеля(ПВХ, резина или стандартный силикон), выделяющий пластификаторы.
Клеевые нагревателичто газы выходят из клеевого слоя
Остатки жира или маслаот механической обработки или сборки
Уплотнительные прокладкиизготовлены из обычных эластомеров (нитрил, EPDM, неопрен)
Когда такая плита нагревается до рабочей температуры в закрытом перчаточном боксе, эти материалы выделяют постоянный поток загрязнений, которые могут адсорбироваться на реактивных образцах, изменять химический состав поверхности или обнаруживаться в качестве фонового шума в аналитических приборах.
Последствия дегазации
Даже незначительное количество выделяющихся газов-водяных паров, углеводородов или силиконовых масел-может:
Окислять чувствительные к воздуху материалы (например, металлический литий, металлорганические соединения)
Ядовитые катализаторы или электрокатализаторы
Вызывают ложные показания масс-спектрометрии или газовой хроматографии.
Конденсат на оптических окнах, снижающий прозрачность
Поэтому валик, совместимый с перчаточным ящиком, должен быть спроектирован так, чтобы практически ничего не выделять в атмосферу.
Основные требования к нагревательной пластине, совместимой с перчаточным ящиком
Материал корпуса плиты
Корпус валика должен быть изготовлен из материала, который не выделяет газы и может быть тщательно очищен. Предпочтительный выбор:
нержавеющая сталь 316L, электрополирован до гладкой пассивной поверхности. Электрополировка удаляет поверхностные оксиды и въевшиеся частицы, создавая чистый, непористый слой. Другие приемлемые сплавы включают 304L или 316Ti, но 316L обеспечивает превосходную коррозионную стойкость.
На валу не должно быть краски, анодирования, полимерных покрытий или гальванопокрытий. Голый металл – единственная приемлемая поверхность.
Нагревательный элемент: минеральная изоляция, герметичный
Нагревательный элемент, встроенный в плиту или прикрепленный к ней, не должен выделять газ. Использование обычных нагревательных кабелей с полимерной изоляцией запрещено. Правильная технология:
Картриджный нагреватель с минеральной изоляцией (MgO)с оболочкой из нержавеющей стали.
Герметично закрытые торцевые крышки– сварка лазером или электронно-лучевая сварка для предотвращения проникновения влаги или выделения газа из внутреннего порошка MgO.
Никаких органических заливочных соединений.внутри терминальной области.
Минеральная изоляция (оксид магния) неорганична и стабильна при высоких температурах. При правильной герметизации он не впитывает и не выделяет измеримую влагу.
Проводка и изоляция кабеля
Вся проводка, входящая в перчаточный ящик (провода питания, провода термопары или термометра сопротивления), должна быть изготовлена из изоляционных материалов с низким выделением газов. Приемлемые варианты включают в себя:
Полиимид (Каптон®)– Низкое газовыделение, высокая температура (до 200 градусов на воздухе, выше в инертной атмосфере). Каптон широко используется в вакуумных и перчаточных камерах.
Кабель с минеральной изоляцией (MI)– Лучший выбор для высочайшей чистоты. Кабель MI состоит из металлической оболочки (нержавеющая сталь), изоляции MgO и одного или нескольких внутренних проводников. Он совершенно неорганичен и герметичен.
Запрещенные изоляционные материалы:ПВХ, полиэтилен, стандартный силиконовый каучук, Teflon™ FEP (который выделяет газы при повышенных температурах) и любые материалы, содержащие пластификаторы.
Распределительная коробка: газонепроницаемая нержавеющая сталь с разъемом, рассчитанным на вакуум
Распределительная коробка, в которой соединяются провода питания и датчика, должна быть:
Твердая нержавеющая сталь(304 или 316L), сварная конструкция – без литых алюминиевых или пластиковых коробок.
Газонепроницаемый– способны поддерживать скорость утечки менее 1×10–61×10–6 мбар·л/с (испытание на утечку гелием).
Оснащен герметичным разъемом, рассчитанным на высокий вакуум.(например, многоконтактный ввод с керамической изоляцией или проходной кабельный ввод с минеральной изоляцией). Стандартные кабельные вводы или компрессионные фитинги неприемлемы, поскольку они негерметичны.
Соединитель должен быть рассчитан на рабочую температуру плиты и скорость утечки не менее 1×10–71×10–7 мбар·л/с. Общие варианты включают в себя:
Многоконтактные разъемы с керамическим уплотнением(например, MDC, Курт Дж. Лескер)
Проходные отверстия с минеральной изоляциейгде кабель MI проходит непосредственно через сварную трубку
Вся распределительная коробка должна быть приварена к корпусу валика или прикреплена металлической прокладкой (без эластомерных уплотнений). Если герметизация неизбежна, необходимо использовать медную или индиевую прокладку.
Проверка чистоты и документация
Испытание на дегазацию согласно ASTM E595
Готовый узел нагревательной плиты должен быть проверен на выделение газа в соответствии сASTM E595 – Стандартный метод испытаний на общую потерю массы и сбор летучих конденсирующихся материалов в результате газовыделения в вакуумной среде. Этот тест проводится в высоком вакууме при температуре 125 градусов в течение 24 часов и измеряет:
Полная потеря массы (TML)– Процент исходной массы пробы, потерянной в виде летучих веществ. Требования к использованию перчаточного бокса:< 1.0%(предпочтительно <0,5%).
Собранный летучий конденсационный материал (CVCM)– Процент летучих веществ, которые конденсируются на коллекторной пластине под углом 25 градусов. Требование:< 0.1%(предпочтительно <0,05%).
Извлечение водяного пара (WVR)– Необязательно, но часто сообщается. Желательна низкая дегазация воды.
Поставщик должен предоставить сертификат соответствия ASTM E595, включая фактически измеренные значения TML и CVCM.
Вакуумный обжиг
Перед поставкой весь узел плиты должен быть подвергнут процессу вакуумной термообработки, чтобы удалить любую остаточную влагу и летучие органические соединения, которые могли быть адсорбированы во время производства. Типичный цикл выпекания:
Температура:120–150 градусов (или максимальная рабочая температура, в зависимости от того, что ниже)
Давление:ниже 10–410–4 мбар (предпочтительно 10–510–5 мбар)
Продолжительность:24–48 часов
Охлаждение:под вакуумом или продувкой сухим аргоном
После обжига пластина запечатывается в чистый газонепроницаемый пакет, наполненный аргоном или азотом, и поставляется с пакетом с влагопоглотителем. Упаковку следует открывать только внутри перчаточного ящика.
Испытание на утечку гелия
Все герметичные уплотнения,-включая торцевые крышки нагревателя, сварные швы распределительной коробки и электрические выводы-должны быть проверены на герметичность гелием. Приемлемая скорость утечки для нагревательной плиты перчаточного ящика обычно составляет<1×10−8<1×10−8 mbar·L/s (or better). The test report should be included in the documentation.
Сертификат чистоты
Поставщик должен предоставить сертификат, в котором указывается:
Конструкционные материалы (марки сплавов, типы изоляции)
Не используются органические покрытия, клеи или герметики.
Сборка была обезжирена растворителем с низким содержанием остатков (например, ацетоном или изопропиловым спиртом) с последующей промывкой деионизированной водой и ультразвуковой очисткой.
Окончательная сборка проводилась в перчатках для чистых помещений и была упакована в среде, свободной от частиц (класс ISO 5 или выше).
Дополнительные соображения по проектированию интеграции перчаточного бокса
Спецификация датчика температуры
Термопара или термометр сопротивления, используемые для контроля температуры, также должны соответствовать требованиям по дегазации. Рекомендуется использовать термопару типа K или типа N с минеральной изоляцией и нержавеющей оболочкой, с незаземленным спаем и герметичными уплотнениями. Термопары с полимерной изоляцией не принимаются. Выводы термопары должны выходить из перчаточного ящика через герметичный проход.
Проход питания в перчаточный ящик
Кабели питания и датчики валика должны проходить через стенку перчаточного ящика через сертифицированный герметичный проход. Распространенный подход заключается в установке многоконтактного вакуумного ввода (например, с керамической изоляцией) на фланце перчаточного ящика и подсоединении кабелей валика внутри ящика. Сам валик должен иметь ответный герметичный разъем, а не пигтейл, проходящий непосредственно через сальник.
Заземление для безопасности
Несмотря на инертную атмосферу, требуется надлежащее электрическое заземление. Корпус валика из нержавеющей стали необходимо соединить с заземлением перчаточного ящика с помощью чистой заземляющей ленты из оголенного металла. В точке заземления нельзя использовать токопроводящую смазку или противозадирный состав.
Контрольный список запрещенных материалов
Следующие материалы строго запрещены к использованию в нагревательных плитах, совместимых с перчаточным ящиком:
| Запрещенный материал | Причина |
|---|---|
| Покраска, порошковая покраска, анодирование | Дегазация, выделение частиц |
| Силиконовая резина | Высокая дегазация циклических силоксанов |
| ПВХ изоляция | Выбросы пластификаторов, выделение хлора |
| Стандартная заливка эпоксидной смолой | Дегазация, поглощение влаги |
| Неопреновые или нитриловые прокладки. | Дегазация серосодержащих соединений |
| Лента Teflon™ PTFE (желтая газовая лента) | Выделяет соединения фтора при нагревании. |
| Смазки или смазки | Дегазация, загрязнение |
| Нагреватели на клейкой основе | Дегазация клея, нарушение сцепления |
Практический пример: сводная таблица технических характеристик
Для типичной нагревательной плиты перчаточного ящика, которая должна работать при температуре 150 градусов в атмосфере аргона, в технических характеристиках должно быть указано:
| Компонент | Требование |
|---|---|
| Корпус плиты | Нержавеющая сталь 316L, электрополированная, без покрытия. |
| Нагревательный элемент | Герметичный картриджный нагреватель с MgO-изоляцией, оболочка из 316L, концы с лазерной сваркой |
| Электропроводка | Кабель с полиимидной (каптоновой) или минеральной изоляцией |
| Распределительная коробка | Нержавеющая сталь 316L, сварная, газонепроницаемая, проверена на герметичность гелием (<1×10⁻⁸ mbar·L/s) |
| Разъем | Высоковакуумный многоконтактный ввод с керамическим уплотнением |
| Испытание на дегазацию | ASTM E595: ТМЛ<0.5%, CVCM <0.05% |
| Выпечка | 120 градусов, 48 часов, ниже 10⁻⁴ мбар |
| Упаковка | Мешок для чистых помещений, заполнение аргоном, влагопоглотитель |
| Документация | Сертификаты на материалы, тест на герметичность, дегазацию, чистоту. |
Вывод: полностью герметичный термоприбор из голого металла
Нагревательная плита, совместимая с перчаточным боксом, — это шедевр чистоты материала, полностью герметичный термический прибор из голого металла, который не загрязняет самую чувствительную из инертных сред. За счет использования прочной электрополированной нержавеющей стали, герметичного нагревателя с минеральной изоляцией, полиимидной или минеральной проводки с низким выделением газов и газонепроницаемой сварной распределительной коробки с вакуумными проходными соединениями полученная плита не добавляет ничего, кроме точно контролируемого тепла. Проверка с помощью испытаний ASTM E595, проверки на утечку гелия и вакуумной прокалки обеспечивает документальное подтверждение чистоты. Самая совершенная среда требует инструментов, которые состоят только из основных элементов-а в случае перчаточного бокса с инертной атмосферой это означает нагревательную плиту, лишенную всех посторонних молекул, бесшумную, горячую и абсолютно чистую.
