CN104677806A - 核磁共振低温孔隙分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核磁共振低温孔隙分析系统，包括核磁共振系统，与核磁共振系统内部连通的样品温控系统，以及与核磁共振系统连接的控制系统；样品温控系统包括组合式气源系统，与组合式气源系统连通的低温液浴槽，外部设有加热电阻且将低温液浴槽和核磁共振系统内部连通的通气管路一，设于核磁共振系统内部的温度传感器，以及温控媒介；加热电阻和温度传感器与控制系统连接，同时温控媒介依次通过组合式气源系统、低温液浴槽、通气管路一进入核磁共振系统内部；其优点在于，不会破坏多孔材料的孔隙结构，且无污染，适合多种多孔材料的测量，同时运行平稳、操作简便、精确控温，且测量准确度高。

Description

核磁共振低温孔隙分析系统

技术领域

本发明涉及一种孔隙分析系统，尤其是涉及一种核磁共振低温孔隙分析系统。

背景技术

众所周知，多孔材料在众多工业及科研领域具有重大的技术重要性，如：可控药物释放、催化、气体分离、包括杀菌在内的过滤、材料技术、环境保护和污染控制、天然蓄储性岩石、建筑材料性质、高分子和陶瓷工业等。多孔材料可以是细的或粗的粉末、堆积体、挤出物、薄片或单块体等，其性能（如强度、反应性、渗透性或吸附容量）由其孔结构决定，已有多种方法用于表征孔结构，通常孔结构的表征包括测定孔径分布，以及总孔容或者孔隙率。

目前最常用孔结构表征方法有压汞法和气体吸附分析法。其中压汞法通过加压向孔内充汞，通过压力与孔隙大小之间的关系及充汞量来测量材料的孔隙结构。此方法适用于孔直径范围大约在3nm至400μm之间，尤其是0.1μm至100μm之间的大多数材料。另一种气体吸附法通过气体（通常为氮气）在多孔材料中的等温吸附或脱附过程来表征孔隙结构。吸附和脱附压力对应孔径大小，吸附量和脱附量用于计算孔隙体积。该方法可适用于测量孔径范围大约在0.4nm至100nm之间的孔。这两种方法都是完善的标准测量方法，各有其优点和不足之处。压汞法具有测试速度快（1h）、孔径测量范围广的优点，但同时会造成汞污染，高压也会破坏孔隙结构；气体吸附法的测试范围可以到达微孔，其对介孔的测试也非常准确，它不适用于大孔的测试，同时测试时间较长（40h）。

由于孔隙结构的复杂性，只用一种方法很难得到完整的孔隙结构信息，一般需要通过使用多种手段来表征材料的孔隙结构，因此，开发出基于不用理论基础的新孔隙结构分析方法可以作为现有方法的有效补充。本发明核磁共振低温孔隙分析系统这是一种新颖的孔隙结构测试方法，它的理论基础是Gibbs–Thomson方程，测试手段是核磁共振技术。与核磁共振低温测孔法类似的新孔隙结构分析方法有差示扫描量热孔隙分析法，它利用探针液体相变时释放或吸收的相变潜热来测量探针物质相变温度的变化及发生相变的物质含量从而得到材料的孔隙结构。由于相变潜热的释放或吸收是在一瞬间完成的，所以测试过程中这种方法不能任意延长测试时间以增加准确度，这就限制了这种方法的分辨率。

发明内容

本发明目的是：提供一种不仅不会破坏多孔材料的孔隙结构，无污染、运行平稳、操作简便、精确控温，而且适合多种多孔材料的测量，测量准确度高的核磁共振低温孔隙分析系统。

本发明的技术方案是：一种核磁共振低温孔隙分析系统，包括核磁共振系统，与所述核磁共振系统内部连通的样品温控系统，以及与所述核磁共振系统连接的控制系统；所述样品温控系统包括组合式气源系统，与所述组合式气源系统连通的低温液浴槽，外部设有加热电阻且将所述低温液浴槽和所述核磁共振系统内部连通的通气管路一，设于所述核磁共振系统内部的温度传感器，以及温控媒介；所述加热电阻和所述温度传感器与所述控制系统连接，同时所述温控媒介依次通过组合式气源系统、低温液浴槽、通气管路一进入核磁共振系统内部。

作为优选的技术方案，所述组合式气源系统包括空压机，与所述空压机连通的制冷式干燥机，以及与所述制冷式干燥机连通的吸附式干燥机，所述吸附式干燥机与所述低温液浴槽连通。

作为优选的技术方案，所述核磁共振系统为低场永磁核磁共振系统。

作为优选的技术方案，所述温控媒介选自氮气或空气，本发明测试过程中多孔材料样品一直处与磁场之中，样品空间中不能有金属、不能有其它含氢的物质，因此核磁分析的多孔材料样品不能直接用热电阻或压缩机冷媒直接进行加热和降温，因此采用氮气或干燥空气气流作为温控媒介对多孔材料样品进行变温操作是比较合适的方法。

作为进一步优选的技术方案，所述温控媒介选自空气，由于测试时间较长（5h以上），气流量需求很大，使用氮气需要经常购置和更换氮气，这增加了实验的繁琐程度，流量稳定的干燥压缩空气是最合适的温控媒介，它能够为样品提供稳定的可长时间工作的温度环境。

作为优选的技术方案，所述空压机与所述制冷式干燥机通过通气管路二连通。

作为优选的技术方案，所述吸附式干燥机与所述低温液浴槽通过通气管路三连通。

作为优选的技术方案，所述加热电阻和所述温度传感器通过一温控器连接所述控制系统。

本发明具体工作过程如下: 空压机提供的流量稳定的空气气流首先经制冷式干燥机除去大量水分，再经由吸附式干燥机进一步去除残余水分，空气气流经低温液浴槽（温度-60℃）时，便不会在其中发生水分结晶现象，从而保证了干燥低温气流输出的稳定及设备的长时间工作，之后空气气流（温度稳定的冷气流温度-55℃）经过加热电阻升温进入核磁共振系统内部，温度传感器探测多孔材料样品所在空间的空气环境温度，温控器实时读取温度传感器传来的温度数据，并通过控制加热电阻的电流来控制核磁共振系统内部（样品空间）的环境温度（-20℃）。

本发明核磁共振低温孔隙分析系统的理论基础是Gibbs–Thomson方程，测试手段是核磁共振技术，在控制系统集成一套专业的核磁共振低温孔隙分析测试软件，用于完成低温孔隙测试的校正、变温、测试、计算及绘图，此软件界面友好，易于使用。

本发明的优点是：

1．本发明核磁共振低温孔隙分析系统，不会破坏多孔材料的孔隙结构，且无污染，适合多种多孔材料的测量，同时运行平稳、操作简便、精确控温，且测量准确度高；

2．本发明在孔隙结构测试中经常应用到矿物和水泥材料，这两种材料中多含有一定的顺磁性物质，所以不易受顺磁物质影响的低场永磁核磁共振系统比较适用于核磁共振低温孔隙分析的测试，同时相对于超导核磁系统，低场核磁共振系统在功能实现的前提下也极大的降低了成本；

3．本发明的组合式气源系统消除了对核磁信号产生干扰的水分，同时空气不会在经低温液浴槽时发生水分结晶现象，保证了干燥低温气流输出的稳定及设备的长时间工作；

4．本发明的加热电阻和温度传感器通过温控器连接控制系统，可以自动对样品空间进行控温以及自动采集样品信号。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明核磁共振低温孔隙分析系统结构示意图；

图2为本发明核磁共振低温孔隙分析系统原理图；

其中：1核磁共振系统，2控制系统，3低温液浴槽，4加热电阻，5通气管路一，6温度传感器，7空压机，8制冷式干燥机，9吸附式干燥机，10通气管路二，11通气管路三，12温控器，13样品。

具体实施方式

实施例：参照图1、2所示，一种核磁共振低温孔隙分析系统，包括核磁共振系统1，与核磁共振系统1内部连通的样品温控系统，以及与核磁共振系统1连接的控制系统2。

本发明的样品温控系统包括组合式气源系统，与组合式气源系统连通的低温液浴槽3，外部设有加热电阻4且将低温液浴槽3和核磁共振系统1内部连通的通气管路一5，设于核磁共振系统1内部的温度传感器6，以及温控媒介，加热电阻4和温度传感器6与控制系统2连接，同时温控媒介依次通过组合式气源系统、低温液浴槽3、通气管路一5进入核磁共振系统1内部。

本发明的组合式气源系统包括空压机7，与空压机7连通的制冷式干燥机8，以及与制冷式干燥机8连通的吸附式干燥机9，吸附式干燥机9与低温液浴槽3连通，空压机7与制冷式干燥机8通过通气管路二10连通，吸附式干燥机9与低温液浴槽3通过通气管路三11连通。

本发明的核磁共振系统1为低场永磁核磁共振系统，在孔隙结构测试中经常应用到矿物和水泥材料，这两种材料中多含有一定的顺磁性物质，所以不易受顺磁物质影响的低场永磁核磁共振系统比较适用于核磁共振低温孔隙分析的测试，同时相对于超导核磁系统，低场核磁共振系统在功能实现的前提下也极大的降低了成本。

本发明的温控媒介选自空气，本发明测试过程中多孔材料样品一直处与磁场之中，样品空间中不能有金属、不能有其它含氢的物质，因此核磁分析的多孔材料样品不能直接用热电阻或压缩机冷媒直接进行加热和降温，因此采用氮气或干燥空气气流作为温控媒介对多孔材料样品进行变温操作是比较合适的方法。由于测试时间较长（5h以上），气流量需求很大，使用氮气需要经常购置和更换氮气，这增加了实验的繁琐程度，流量稳定的干燥压缩空气是最合适的温控媒介，它能够为样品提供稳定的可长时间工作的温度环境。

作为优选的技术方案，加热电阻4和温度传感器6通过一温控器12连接控制系统2，可以自动对样品空间进行控温及自动采集样品信号。

本发明具体工作过程如下: 空压机7提供的流量稳定的空气气流首先经制冷式干燥机8除去大量水分，再经由吸附式干燥机9进一步去除残余水分，空气气流经低温液浴槽3（温度-60℃）时，便不会在其中发生水分结晶现象，从而保证了干燥低温气流输出的稳定及设备的长时间工作，之后空气气流（温度稳定的冷气流温度-55℃）经过加热电阻4升温进入核磁共振系统1内部，温度传感器6探测多孔材料样品13所在空间的空气环境温度，温控器12实时读取温度传感器6传来的温度数据，并通过控制加热电阻4的电流来控制核磁共振系统1内部（样品空间）的环境温度（-20℃）。

本发明核磁共振低温孔隙分析系统的理论基础是Gibbs–Thomson方程，测试手段是核磁共振技术，在控制系统集成一套专业的核磁共振低温孔隙分析测试软件，用于完成低温孔隙测试的校正、变温、测试、计算及绘图，此软件界面友好，易于使用。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种核磁共振低温孔隙分析系统，其特征在于，包括核磁共振系统（1），与所述核磁共振系统（1）内部连通的样品温控系统，以及与所述核磁共振系统（1）连接的控制系统（2）；所述样品温控系统包括组合式气源系统，与所述组合式气源系统连通的低温液浴槽（3），外部设有加热电阻（4）且将所述低温液浴槽（3）和所述核磁共振系统（1）内部连通的通气管路一（5），设于所述核磁共振系统（1）内部的温度传感器（6），以及温控媒介；所述加热电阻（4）和所述温度传感器（6）与所述控制系统（2）连接，同时所述温控媒介依次通过组合式气源系统、低温液浴槽（3）、通气管路一（5）进入核磁共振系统（1）内部。

2.根据权利要求1所述的核磁共振低温孔隙分析系统，其特征在于，所述组合式气源系统包括空压机（7），与所述空压机（7）连通的制冷式干燥机（8），以及与所述制冷式干燥机（8）连通的吸附式干燥机（9）；所述吸附式干燥机（9）与所述低温液浴槽（3）连通。

3.根据权利要求1所述的核磁共振低温孔隙分析系统，其特征在于，所述核磁共振系统（1）为低场永磁核磁共振系统。

4.根据权利要求1所述的核磁共振低温孔隙分析系统，其特征在于，所述温控媒介选自氮气或空气。

5.根据权利要求1或4所述的核磁共振低温孔隙分析系统，其特征在于，所述温控媒介选自空气。

6.根据权利要求2所述的核磁共振低温孔隙分析系统，其特征在于，所述空压机（7）与所述制冷式干燥机（8）通过通气管路二（10）连通。

7.根据权利要求2所述的核磁共振低温孔隙分析系统，其特征在于，所述吸附式干燥机（9）与所述低温液浴槽（3）通过通气管路三（11）连通。

8.根据权利要求1所述的核磁共振低温孔隙分析系统，其特征在于，所述加热电阻（4）和所述温度传感器（6）通过一温控器（12）连接所述控制系统（2）。