CN202939085U - 一种与分析仪器在线连接的固、液样品热裂解进样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种与分析仪器在线连接的固、液样品热裂解进样装置，所述热裂解进样装置包括热裂解套管、加热炉、载气气路及温度控制元件。热裂解腔室由热裂解套管和样品杯支架由可耐高温的O型垫圈密封形成，热裂解腔室内有固体样品杯和液体样品杯。外源载气与热裂解套管的上端相连接，途经热裂解套管和样品杯支架的气路通道将裂解气带出热裂解腔室。加热炉设置在热裂解腔室的周围，包括不锈钢外套、感温元件、加热棒、铝块和保温层。温度控制器与加热棒和感温元件连接，用于控制热裂解腔室的加热温度和时间。加热炉呈立式放置，即载气流向与水平面垂直，可以保证流出气结果较好的重复性。该装置的出口可以与质谱仪及离子迁移谱仪等在线连接。

Description

一种与分析仪器在线连接的固、液样品热裂解进样装置

技术领域

本实用新型涉及一种热裂解进样装置，属于在线分析仪器领域中一种将固、液样品转化为气体的进样装置，可以作为在线分析质谱仪、离子迁移谱仪等的进样装置。

背景技术

热裂解是一种利用热能将样品转变为另一种物质或多种物质的化学过程。热裂解造成的直接结果往往是分子量降低，或是通过一系列的化学反应形成分子量较高的物质，如交联反应。

热裂解技术属于一种样品前处理技术，利用热能将高分子材料分解为小分子物质，然后利用载气将其带入分析仪器对结果进行定性、定量分析。热裂解技术简化了样品的前处理过程，不需要任何溶剂，所需样品量极少，一般在mg量级，同时大大扩大了分析仪器如质谱仪、离子迁移谱仪、气相色谱仪和傅里叶变换红外光谱仪的分析对象范围，使得通常只能对气体样品采集分析的分析仪器应用更为广泛。目前，已有很多关于热裂解技术与气相色谱-质谱连接的文献，报道称热裂解-气相色谱-质谱连接技术应用领域涉及材料分析表征、石化塑化、刑事/火场鉴定、食品产业、光电/半导体、铸造业等等，主要用于聚合物、车用/家具油漆、涂料、墨水、化妆品、粘合剂、润滑油、纸张和灌筑液等的分析检测中，成为高分子材料剖析的重要手段。

目前，商品化的热裂解仪主要包括美国CDS公司的CDS 2000系列和5000系列裂解仪，采用白金丝加热方式，日本JHP公司的居里点热裂解仪和澳大利亚的SGE高温热裂解器，采用重力式加热法。但是，制作成本高，不适于广泛应用。而国内生产的热裂解器则大多数采用传统热丝加热方法，存在加热丝寿命短、加热温度低和结果重现性差的缺点。

本发明采用内置多根大功率加热棒同时加热的方法，并利用石英棉作保温层，整个加热炉均匀的分布在热裂解腔室的周围，能够快速加热至所需温度。冷却时，将热裂解腔室悬空固定在铁架台上，打开加热炉的扳扣，直接用风扇吹至室温即可，不影响热裂解腔室各部分的配合和密封。不锈钢外套上设置有三脚架，整个装置呈立式放置，即载气流向与水平面垂直，这样可以保证流出气结果较好的重复性。使用时不需样品萃取等复杂步骤，无溶剂等其他样品参与，操作简便，样品需求量低；若停止使用，拧开热裂解套管和样品杯支架，取出样品杯，清洗干净即可。另外，该装置制作成本低，使用寿命长，因此，可广泛用于实验室热裂解试验。

发明内容

本发明的目的是提供一种与分析仪器在线连接的固、液样品热裂解进样装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

其特征在于：

热裂解套管为一上端密闭、下端开口的中空筒状结构，筒状结构的轴线按竖直方向放置，筒状结构的上端设有进气口；

于筒状结构内部空腔的中部设置有样品杯，于筒状结构内部空腔的下部、样品杯的下方设有样品杯支架；

于热裂解套管的外壁上依次套设有金属块、保温层、不锈钢外套；于金属块内设有加热棒、感温元件，加热棒和感温元件与温度控制器导线连接。

所述样品杯支架为液体样品杯支架，所述样品杯为液体样品杯；

所述热裂解套管下部中空腔室的径向截面为圆形，于下部的腔室内壁面上设有内螺纹；

液体样品杯与热裂解套管中部的中空腔室间留有气体通过的缝隙，

所述液体样品杯支架为带有外螺纹的圆柱体，于圆柱体上开设有气体通道，使通过缝隙的气体从热裂解套管内流出；液体样品杯支架与热裂解套管相螺合。

所述样品杯支架为固体样品杯支架，所述样品杯由同轴套设的固体样品内杯和固体样品外杯构成；

所述热裂解套管中部和下部的中空腔室的径向截面为圆形，于下部的腔室内壁面上设有内螺纹；所述固体样品杯支架为带有外螺纹的圆柱体，于圆柱体中部开设有轴向的气体通孔，使通过过滤垫片的气体从热裂解套管内流出；固体样品杯支架与热裂解套管相螺合；

固体样品内杯和固体样品外杯为两端开口圆筒结构，于固体样品外杯下端径向向内设有环状凸台，环状凸台上设有开有小孔的过滤垫片，固体样品内杯置于固体样品外杯中环状凸台上，将过滤垫片的四周紧压在环状凸台上；

固体样品内杯和固体样品外杯通过螺纹相螺合；

固体样品外杯外壁与热裂解套管中部的中空腔室内壁紧密贴合；环状凸台下端设置有带外螺纹的气体导管，气体导管一端经环状凸台、过滤垫片与固体样品内杯相连通，另一端与固体样品杯支架上的气体通孔相连通，气体导管与固体样品杯支架相螺合。

所述样品杯支架与热裂解套管间通过O型垫圈密封。

热裂解套管筒状结构的上部内径小于筒状结构的中部和下部的内径；筒状结构的上部内径较小处的空腔作为载气气路，其上端为进气口。

感温元件温度探测点设置于热裂解套管中部的外壁面上。

金属块为分体式结构，其可沿热裂解套管的径向方向拆卸与安装；

感温元件为热电偶。

液体样品杯支架或固体样品杯支架与热裂解套管之间通过O型垫圈形成密闭的热裂解腔室。

于热裂解套管两端分别径向向外设置有凸台，金属块套设于两凸台之间，两凸台可防止金属块于整个热裂解套管上的轴向滑动。

所述固、液样品热裂解进样装置中由热裂解套管流出的气体与质谱仪或离子迁移谱仪的进样口在线连接；

与质谱仪连接时，可以通过质谱仪的真空系统将热裂解腔室内气体抽空，实现真空裂解，无需其他真空装置。

其中，固体热裂解装置和液体热裂解装置的载气气路有所不同：对于液体样品，载气经由样品杯支架与热裂解套管之间的侧壁间隙和样品杯支架侧壁上的小孔将热裂解气带出；对于固体样品，固体热裂解装置中的固体样品杯支架和固体样品外杯的外壁与热裂解套管的腔体内壁紧密贴合，以防止载气流速过大将固体样品吹出，落至侧壁间隙中。由热裂解套管上端进气口进入热裂解腔室的载气通过带有微孔的过滤垫片和固体样品杯支架的中心通孔将热裂解气带出。另外，将固体样品杯和液体样品杯固定在样品杯支架上后，样品杯的顶端距离热裂解套管上部内径较小的的载气通道口很近，以防止两者之间空间过大造成热裂解气的滞留。所述热裂解进样装置提高加热速度可通过采用多根大功率的加热棒实现，温度控制器用于控制加热温度和时间，感温元件的温度探测点设置于热裂解套管的中部，即样品杯所在位置，以便于精确测温、控温。金属块与热裂解套管紧密贴合，便于快速传热、加热。不锈钢外套上设置有三脚架，整个装置呈立式放置，即载气流向与水平面垂直，这样可以保证结果的重复性。

本装置的工作过程：

将固、液体样品杯固定在样品杯支架上后，将极少量样品置于样品杯内。对于固体样品杯，样品位于固体样品内杯中，要保证过滤垫片位于固体样品外杯和固体样品内杯之间，并用固体样品内杯将过滤垫片压紧，防止固体样品粉末通过过滤垫片下的缝隙被载气带出。之后，将样品杯支架套入热裂解套管内，通过螺纹固定，并采用耐高温的O型垫圈密封，防止载气外泄。开始升温时，将加热炉两半圆柱形不锈钢外套紧紧扣在一起，热裂解腔室位于加热炉中心位置。加热至所需温度后，利用精密流量计调节载气的流量，打开热裂解腔室上、下两端的针阀，载气经由热裂解腔室内的气路通道将热裂解气体带出热裂解腔室，最后进入分析仪器进行分析检测。如果停止通入裂解气，则可以先关闭热裂解腔室下端的针阀，防止热裂解腔室内气体继续进入分析仪器。假如需要在特定的气体氛围下进行热裂解试验，需要在升温前事先通入一定时间该气体，使热裂解腔室内充满该种气体。

本发明的优点：

由本发明提供的热裂解进样装置，可以满足高分子固、液体样品的进样要求，实现高温、快速的热裂解过程，亦可进行程序升温探讨各温度下化学反应的不同产物。本装置操作简单，结果重复性好，制作成本低，使用寿命长，结构合理，适用性广，可以与各种分析仪器如质谱仪、离子迁移谱仪连接，在线分析各种裂解气体。

附图说明

图1为液体样品热裂解进样装置的剖面结构示意图，

图2为固体样品热裂解进样装置的剖面结构示意图，

图3为固、液样品热裂解进样装置与质谱仪连接示意图：

1锈钢外套；2—金属块；3—保温层；4—加热棒；5—感温元件；6—温度控制器；7—热裂解套管；8—液体样品杯支架；9—固体样品杯支架；10—液体样品杯；11—固体样品内杯；12—固体样品外杯；13—过滤垫片；14—热裂解腔室；15—载气气路；16—O型垫圈；17—固、液样品热裂解进样装置；18—质谱仪。

具体实施方式

首先，图1为液体样品热裂解进样装置的剖面结构示意图，图2为固体样品热裂解进样装置的剖面结构示意图，图3为固、液样品热裂解进样装置与质谱仪连接示意图：

热裂解套管为一上端密闭、下端开口的中空筒状结构，筒状结构的轴线按竖直方向放置，筒状结构的上端设有进气口；

于筒状结构内部空腔的中部设置有样品杯，于筒状结构内部空腔的下部、样品杯的下方设有样品杯支架；

于热裂解套管的外壁上依次套设有金属块、保温层、不锈钢外套；于金属块内设有加热棒、感温元件，加热棒和感温元件与温度控制器导线连接。

所述样品杯支架为液体样品杯支架，所述样品杯为液体样品杯；

所述热裂解套管下部中空腔室的径向截面为圆形，于下部的腔室内壁面上设有内螺纹；

液体样品杯与热裂解套管中部的中空腔室间留有气体通过的缝隙，

所述液体样品杯支架为带有外螺纹的圆柱体，于圆柱体上开设有气体通道，使通过缝隙的气体从热裂解套管内流出；液体样品杯支架与热裂解套管相螺合。

所述样品杯支架为固体样品杯支架，所述样品杯由同轴套设的固体样品内杯和固体样品外杯构成；

所述热裂解套管中部和下部的中空腔室的径向截面为圆形，于下部的腔室内壁面上设有内螺纹；所述固体样品杯支架为带有外螺纹的圆柱体，于圆柱体中部开设有轴向的气体通孔，使通过过滤垫片的气体从热裂解套管内流出；固体样品杯支架与热裂解套管相螺合；

固体样品内杯和固体样品外杯为两端开口圆筒结构，于固体样品外杯下端径向向内设有环状凸台，环状凸台上设有开有小孔的过滤垫片，固体样品内杯置于固体样品外杯中环状凸台上，将过滤垫片的四周紧压在环状凸台上；

固体样品内杯和固体样品外杯通过螺纹相螺合；

固体样品外杯外壁与热裂解套管中部的中空腔室内壁紧密贴合；环状凸台下端设置有带外螺纹的气体导管，气体导管一端经环状凸台、过滤垫片与固体样品内杯相连通，另一端与固体样品杯支架上的气体通孔相连通，气体导管与固体样品杯支架相螺合。

所述样品杯支架与热裂解套管间通过O型垫圈密封。

热裂解套管筒状结构的上部内径小于筒状结构的中部和下部的内径；筒状结构的上部内径较小处的空腔作为载气气路，其上端为进气口。

感温元件温度探测点设置于热裂解套管中部的外壁面上。

金属块为分体式结构，其可沿热裂解套管的径向方向拆卸与安装；

感温元件为热电偶。

液体样品杯支架或固体样品杯支架与热裂解套管之间通过O型垫圈形成密闭的热裂解腔室。

于热裂解套管两端分别径向向外设置有凸台，金属块套设于两凸台之间，两凸台可防止金属块于整个热裂解套管上的轴向滑动。

所述固、液样品热裂解进样装置中由热裂解套管流出的气体与质谱仪或离子迁移谱仪的进样口在线连接；

与质谱仪连接时，可以通过质谱仪的真空系统将热裂解腔室内气体抽空，实现真空裂解，无需其他真空装置。

其中，液体样品杯支架和固体样品杯支架中心均设置有载气流经通道，液体样品杯支架侧壁设置有小孔，载气流经侧壁间隙由液体样品杯支架的侧壁小孔流出。所用的载气导管材料为不锈钢管，避免外界空气的渗入和待测样品的吸附，热裂解气由热裂解腔室进入分析仪器的传输部分需要加热，一般在100~300℃。加热炉的加热温度在室温~800℃，加热速度可通过采用多根大功率加热棒提高。

实施例1

利用固体样品热裂解装置与质谱仪连接在线分析聚氯乙烯样品，如图3所示。将固体样品外杯固定于固体样品杯支架上，放入过滤垫片，用固体样品内杯将过滤垫片压紧，然后将5mg聚氯乙烯(PVC）样品置于固体样品内杯中。将固体样品杯支架套入热裂解套管中，将两者固定好，并用O型垫圈密封好。连接好载气气路，将热裂解腔室置于加热炉中心的凹槽中，后将加热炉两半圆柱型不锈钢外套扣紧。热裂解腔室上下两端的针阀均处于关闭状态，设最高加热温度为700℃，加热速度为10℃/min，观察PVC在不同温度下的裂解产物。升至200℃时打开两个针阀，载气携带热裂解气进入质谱连接装置中分析，一定时间后关闭针阀，继续升温采样。依次可得到不同温度下的裂解气谱图。

实施例2

利用液体样品热裂解装置与质谱仪连接在线分析炭黑墨水样品，如图3所示。将液体样品杯固定于液体样品杯支架上，然后将10μl炭黑墨水样品置于液体样品杯中。将液体样品杯支架套入热裂解套管中，将两者固定好，并用O型垫圈密封好。连接好载气气路，将热裂解腔室置于加热炉中心的凹槽中，后将加热炉两半圆柱型不锈钢外套扣紧。热裂解腔室上下两端的针阀均处于关闭状态，设最高加热温度为600℃。升至600℃时打开两个针阀，载气携带热裂解气进入质谱连接装置中分析，一定时间后关闭针阀，可得到该温度下的炭黑墨水裂解气谱图。

Claims (10)

1.一种与分析仪器在线连接的固、液样品热裂解进样装置，其特征在于：

热裂解套管（7）为一上端密闭、下端开口的中空筒状结构，筒状结构的轴线按竖直方向放置，筒状结构的上端设有进气口；

于筒状结构内部空腔的中部设置有样品杯，于筒状结构内部空腔的下部、样品杯的下方设有样品杯支架；

于热裂解套管（7）的外壁上依次套设有金属块（2）、保温层（3）、不锈钢外套（1）；于金属块（2）内设有加热棒（4）、感温元件（5），加热棒（4）和感温元件（5）与温度控制器（6）导线连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述样品杯支架为液体样品杯支架（8），所述样品杯为液体样品杯（10）；

所述热裂解套管（7）下部中空腔室的径向截面为圆形，于下部的腔室内壁面上设有内螺纹；

液体样品杯（10）与热裂解套管（7）中部的中空腔室间留有气体通过的缝隙，

所述液体样品杯支架（8）为带有外螺纹的圆柱体，于圆柱体上开设有气体通道，使通过缝隙的气体从热裂解套管（7）内流出；液体样品杯支架（8）与热裂解套管（7）相螺合。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述样品杯支架为固体样品杯支架（9），所述样品杯由同轴套设的固体样品内杯（11）和固体样品外杯（12）构成；

所述热裂解套管（7）中部和下部的中空腔室的径向截面为圆形，于下部的腔室内壁面上设有内螺纹；所述固体样品杯支架（9）为带有外螺纹的圆柱体，于圆柱体中部开设有轴向的气体通孔，使通过过滤垫片的气体从热裂解套管（7）内流出；固体样品杯支架（9）与热裂解套管（7）相螺合；

固体样品内杯（11）和固体样品外杯（12）为两端开口圆筒结构，于固体样品外杯（12）下端径向向内设有环状凸台，环状凸台上设有开有小孔的过滤垫片（13），固体样品内杯（11）置于固体样品外杯（12）中环状凸台上，将过滤垫片（13）的四周紧压在环状凸台上；

固体样品内杯（11）和固体样品外杯（12）通过螺纹相螺合；

固体样品外杯（12）外壁与热裂解套管（7）中部的中空腔室内壁紧密贴合；环状凸台下端设置有带外螺纹的气体导管，气体导管一端经环状凸台、过滤垫片（13）与固体样品内杯（11）相连通，另一端与固体样品杯支架（9）上的气体通孔相连通，气体导管与固体样品杯支架（9）相螺合。

4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于：

所述样品杯支架与热裂解套管（7）间通过O型垫圈（16）密封。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

热裂解套管（7）筒状结构的上部内径小于筒状结构的中部和下部的内径；筒状结构的上部内径较小处的空腔作为载气气路，其上端为进气口。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

感温元件（5）温度探测点设置于热裂解套管（7）中部的外壁面上。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

金属块（2）为分体式结构，其可沿热裂解套管（7）的径向方向拆卸与安装；

感温元件（5）为热电偶。

8.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于：

液体样品杯支架（8）或固体样品杯支架（9）与热裂解套管（7）之间通过O型垫圈（16）形成密闭的热裂解腔室（14）。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

于热裂解套管（7）两端分别径向向外设置有凸台，金属块（2）套设于两凸台之间，两凸台可防止金属块（2）于整个热裂解套管（7）上的轴向滑动。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述固、液样品热裂解进样装置（17）中由热裂解套管（7）流出的气体与质谱仪（18）或离子迁移谱仪的进样口在线连接；

与质谱仪连接时，可以通过质谱仪的真空系统将热裂解腔室（14）内气体抽空，实现真空裂解，无需其他真空装置。

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