Способ изготовления кювет из графита для атомно- абсорбционного анализа

 

Использование: способ изготовления кювет для атомно-абсорбционного анализа из графита относится к производству изделий электро-технического направления. Сущность: кюветы работают в качестве печи сопротивления в непламенных атомно-абсорбционных стектрофотометрах как атомизаторы. Способ предусматривает использование для изготовления кювет крупнозернистого графита с размером зерна не менее 1,2 мм и коэффициентом линейного расширения не более 3,3 · 10^-6 1/^oС. Изготовление проводится в два этапа: на первом проводится обработка внутренней поверхности с предварительным покрытием пирографитом, а на втором - окончательная обработка кюветы с внешней поверхности и повторное покрытие пирографитом. Предлагаемые кюветы имеют чувствительность в два раза более высокую, чем кюветы известной фирмы Перкин - Элммер. 1 з. п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к производству изделий из углеграфитовых материалов электротехнического направления. Кюветы работают в качестве печи сопротивления в непламенных атомно-абсорбционных спектрофотометрах и выполняют функции атомизатора устройства для превращения в атомный пар химического элемента, определяемого в исследуемой пробе.

В практике потребителя точат кюветы из мелкозернистого графита, не применяя никаких специальных технологических приемов. Такие кюветы обладают рядом недостатков. Они малочувствительны, т.е. величина сигнала у них небольшая. Нет стабильности в величине сигнала при неизменной концентрации анализируемого элемента. Недостаточен срок службы. Кюветы из мелкозернистого графита покрывали пирографитом, что повышало их чувствительность, но срок их службы был невелик.

Известен другой способ изготовления кювет. Он включает получение графитовых заготовок и нанесение на эту заготовку двухслойного покрытия слоя из карбида вольфрама или тантала и покрытия из пирографита, получаемого из газовой смеси аргона и метана при 1900-2500^оС. Кюветы, выполненные по этому способу чувствительны, т.е. дают высокие значения сигнала, долговечны. Однако технология их изготовления очень сложна, дорогостояща и требует специального оборудования. Особенно сложной ее частью является нанесение карбидного покрытия. Кроме того, для устойчивости работы покрытия в качестве подложки требуется специальный графит с низким коэффициентом линейного расширения. Организация производства такого графита для очень малотоннажного производства, каким является производств кювет, нецелесообразна. Применение же серийных мелкозернистых графитов приводит к снижению срока службы кюветы из-за растрескивания покрытия, что связано с несовместимостью покрытия и подложки в этом случае в связи с разницей коэффициентов линейного расширения. Главный недостаток этого способа дороговизна. Для сравнительно небольшого объема выпуска кювет нужно организовать специальное многопередельческое производство на малопроизводительном оборудовании как специального графита для подложки, так и особенно барьерного карбидного покрытия. Пирографитовое же покрытие применяется в практике производства кювет довольно часто.

Целью предлагаемого способа изготовления кювет для атомно-абсорбционного анализа является повышение эксплуатационных характеристик, т.е. величины выходного сигнала и снижение стоимости их изготовления.

Указанная цель достигается тем, что при изготовлении кювет используются серийно-выпускаемые графиты с размерами зерна крупной фракции наполнителя не менее 1,2 мм и имеющие коэффициент линейного расширения не боле 3,5х10^-6 1/^оС. Низкий коэффициент линейного расширения (КЛР) исходного графита позволяет достаточно прочно удерживаться на поверхности кюветы осажденной пленке пиролитического графита, имеющего значения коэффициента линейного расширения при температурах 2600-2800^оС (1,35-1,5)1/^оСx x10^-6. К таким графитам относятся все графиты, изготавливаемые из электродного кокса КНПЭ, а также игольчатого. Пpичем крупное зерно создает возможность для растягивания планки пирографита при резких нагревах до 2800^оС при работе кювет. Поэтому работоспособность кювет по существу будет определяться химической стойкостью пирографитового покрытия. При размере зерна менее 1,2 мм прочность пленки уменьшается, так как увеличивается КЛР.

Предлагаемый способ предусматривает изготовление кюветы в два этапа. На первом этапе обрабатывают только внутреннюю поверхность, после чего проводят покрытие пирографитом. Это позволяет укрепить зерна материала и предохранит их от выкрашивания в процессе механической обработки внешней части кюветы. Поcле обработки кюветы еще раз покрывается пирографитом. Операция покрытия пирографитом в обоих случаях производится при температуре 2100-2100^оС в токе метана в течение 20-40 мин.

Снижение стоимости кювет достигается тем, что для их изготовления используется серийный электродный графит, стоимость которого из всех выпускаемых марок графита самая низкая. В то же время для производства кювет по способу, предлагаемому в прототипе, необходима специальная линия, включающая много единиц специального оборудования по подготовке наполнителя, смешиванию массы, прессованию, последующему обжигу и графитации, а также все операции по покрытию пленками карбида вольфрама или тантала и пирографита. Все эти операции достаточно дороги применительно к малотоннажному производству. К тому же используемое сырье (искусственные смолы, ингибиторы, соединения вольфрама, тантала, пластификаторы и т.д.) являются дорогостоящими по сравнению с сырьем, используемым в производстве электродов. Для вырезки заготовок для кювет можно и нужно использовать бракованные электроды, что еще более снижает стоимость кювет.

Изготовление кюветы по предлагаемому способу осуществляется следующим образом. Берут графитированный электрод и вырезают из него высверливанием полым сверлом заготовки. Для кювет диаметром 8 мм, длиной 28 мм диаметр заготовки берут не менее 1 мм, а длину не менее 40 мм. Затем на токарном станке обрабатывают окончательно внутреннюю поверхность. Заготовку кюветы помещают в реактор установки для пирографитовых покрытий, где процесс покрытия ведется в течение 20-40 мин. Покрытую пирографитом заготовку обрабатывают на токарном станке полностью, исключая только внутреннюю поверхность, после чего вторично помещают в реактор установки для покрытия пиролитическим графитом. Процесс также длится в пределах 20-40 мин. Общая толщина пленки пирографита составляет 40-50 мкм.

По предлагаемому способу были изготовлены две партии кювет. В качестве основы для их изготовления брали электродный графит марки ЭГ-0 в заготовках ⊘555х2200, размер зерна крупной фракции которой составляет 2,3-5 мм. Заготовки для кювет имели размеры: диаметр 15 мм и длина 50 мм. Кювета имела размеры: диаметр 8,2 мм, внутренний диаметр 6 мм, длина кюветы 28 мм. В соответствии с предлагаемым способом в заготовке cначала высверливалось отверстие ⊘5,5 мм, затем растачивалось до ⊘6 мм. Потом заготовки покрывали пирографитом в течение 35 мин при температуре 2150^оС в токе метана. После этого обрабатывалась внешняя поверхность, т.е. заготовка обтачивалась до ⊘8,2 мм и отрезалась. Затем уже обточенная кювета вторично покрывалась пирографитом при тех же условиях.

Во второй партии при изготовлении отличительной особенностью было то, что покрытие кювет пирографитом проводили не по 35 мин, а по 2 ч, так что общая толщина пирографитовой пленки составляла 100-120 мкм.

Сравнительные испытания кювет были выполнены при двух различных условиях на спектрофотометре "Перкин-Элмер". В первом случае использовали раствор меди в азотной кислоте, с концентрацией 0,1 мкг/мл. Результаты их приведены в табл.1. Во втором случае испытания велись в более жестких условиях. Испытывали с кобальтом с концентрацией 0,33 мкг/мл в азотной кислоте 1% В этих испытаниях также проверялась их работоспособность. Результаты их приведены в табл. 2. В обоих сериях опытов испытания проводились в сравнении со стандартными кюветами фирмы Перкин-Элмер, являющимися сегодня эталоном качества (размер зерна < 0,09 мм).

Как видно из приведенных в табл.1, 2 результатов кюветы из мелкозернистого графита дают низкие сигналы. Покрытие их пирографитом повышает чувствительность и работоспособность, если коэфф. линейного расширения невысокий (у МГ-1-ТМО- 4,5˙10^-61/^оС). При высоком коэффициенте линейного расширения (у МПГ-6-6,5˙10^-6 1/^оС) заметно снижается работоспособность.

Наилучшие результаты получены на кюветах, выполненных по предлагаемому способу.

Необходимо отметить, что кюветы в обязательном порядке проходят глубокую очистку путем нагрева до температур не ниже 2600^оС в атмосфере хлора или других галогенсодержащих газов. Так при обработке, например, фреоном-12, содержащим хлор и фтор уровень очистки, особенно от бора, бывает более высокий из-за большей эффективности воздействия фтора. При этом достигается суммарное содержание примесей не более 1 ppм, что соответствует классу ОС4-7-4 в принятых в России обозначениях. Контролируемые элементы (В, Mn, Mg, Al, Cu, Fe, Si) содержатся в кювете после глубокой очистки в количестве не более 1x10^-5 мас. каждый. Это обеспечивает необходимую точность анализов с применением кювет, изготавливаемых по описанному способу.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЮВЕТ ИЗ ГРАФИТА ДЛЯ АТОМНО-АБСОРБЦИОННОГО АНАЛИЗА, включающий изготовление заготовок, их механическую обработку и нанесение покрытия из пирографита при 2100 2200^oС в токе метана в течение 20 40 мин, отличающийся тем, что исходные заготовки выполнены диаметром и длиной не менее 1,3 соответствующих размеров кюветы из графита, имеющего коэффициент линейного расширения не более 3,5 · 10^-6 град^-1 и размер зерна крупной фракции наполнителя не менее 1,2 мм, а после покрытия пирографитом проводят глубокую очистку.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сначала обрабатывают внутреннюю поверхность заготовки и покрывают ее пирографитом, а затем проводят механическую обработку внешней поверхности и покрывают ее пирографитом.

РИСУНКИ

Рисунок 1