Sistemi di analisi dei gas accoppiati a strumenti NETZSCH: Come è iniziato tutto

NETZSCH-Gerätebau GmbH vanta oltre mezzo secolo di esperienza nello sviluppo della tecnologia di accoppiamento. Nel mese di March, scoprite in un riassunto storico come tutto è iniziato, quali sistemi venivano utilizzati allora e quali vengono utilizzati oggi, e leggete gli emozionanti contributi dei nostri clienti e partner di lunga data.

Nel 1973, il fisico Erwin Kaisersberger è entrato a far parte di NETZSCH ed è stato inizialmente responsabile delle applicazioni e delle vendite in Germania e all'estero. Sono seguite altre tappe della carriera come responsabile del laboratorio di applicazioni, responsabile delle vendite tecniche e "Senior Scientist" nel team mondiale di assistenza e supporto alle applicazioni. A partire dal 2007, ha lavorato per l'azienda come consulente freelance prima di andare in meritato riposo nel 2012, dopo 39 anni di lavoro. Negli ultimi cinque anni, ha dedicato tutte le sue energie specificamente all'area dell'accoppiamento TGA-GC-MS.

Erwin Kaisersberger ha compilato per noi la storia dell'accoppiamento dei sistemi di analisi dei gas agli strumenti di NETZSCH:

Punto di partenza nel 1970

Come si può vedere dal resoconto della storia della STA nell'articolo sull'anniversario del febbraio 2022, la prima STA NETZSCH con il numero di modello 429 è stata presentata nel 1970. Ciò avvenne in occasione della Fiera Internazionale di Ingegneria di Brno (autunno 1970), che all'epoca e ancora molti anni dopo era un importante mercato per gli affari con i paesi dell'Europa orientale, tra gli altri.

Fino al 1970, NETZSCH sosteneva la filosofia secondo cui era meglio lavorare separatamente con DTA e TGA, poiché per il DTA, le velocità di riscaldamento più rapide erano efficaci per ottenere i picchi larger; per il TGA, invece, si preferivano velocità di riscaldamento più lente per determinare le variazioni di massa in uno stato il più possibile vicino all'equilibrio. L'applicazione simultanea di DTA e TGA a un singolo campione in condizioni identiche, tuttavia, si è rapidamente affermata.

Con l'introduzione dello STA 429, progettato fin dall'inizio per essere a tenuta di vuoto e di gas, siamo entrati in un nuovo segmento di mercato e ci siamo trovati subito in concorrenza con altri produttori dell'Europa occidentale; lo stesso è avvenuto nell'Europa orientale con il derivatografo (Paulik e Erdey). Soprattutto per quanto riguarda le temperature più elevate, NETZSCH è stata in grado di apportare la sua lunga esperienza nel campo degli inorganici, dei minerali e delle ceramiche.

Già prima del 1973, NETZSCH aveva un ampio programma di produzione, come indicato nella brochure del dilatometro del 1973 (articolo di anniversario del gennaio 2022). Questo comprendeva anche strumenti di rilevazione di gas in continuo funzionamento da accoppiare ai modelli a tenuta di gas per DTA, TGA, STA e dilatometri. Naturalmente questi rilevatori di gas, che registravano le variazioni della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica (EGA), della densità dei gas (EGD) o della radioattività (ETA) di un gas campione durante un esperimento, non erano del tutto soddisfacenti, nonostante la loro semplicità e il fatto che alcuni di essi avessero un'elevata sensibilità di rilevamento: Mostravano solo che i gas si erano evoluti o erano stati assorbiti, ma non quali!

L'identificazione dei gas, tuttavia, era un argomento attuale all'epoca come lo è oggi. Ma quali erano i sistemi di analisi dei gas inizialmente disponibili? Il lavoro di sviluppo si concentrò rapidamente sullo spettrometro di massa a quadrupolo, grazie alla sua compattezza e all'elevata sensibilità di rilevamento (1960): Invenzione del filtro di massa a quadrupolo da parte del fisico tedesco, poi premio Nobel, Wolfgang Paul e del suo collaboratore Helmut Steinwedel presso l'Università di Bonn).

Dal 1970, lo sviluppo degli strumenti di NETZSCH è stato orientato anche verso dimensioni più compatte con forni smaller e quindi più veloci, camere di campionamento ridotte per un migliore spurgo dei gas e tenuta del vuoto per ottenere atmosfere di gas pulite sui campioni. Questo era un requisito fondamentale per l'accoppiamento sensibile dei sistemi di analisi dei gas. Inoltre, a partire dal 1970, l'elettronica sviluppata da Karl Bayreuther e dal suo team all'interno di NETZSCH è stata utilizzata nei sistemi di controllo degli strumenti. Ciò ha reso gli strumenti più flessibili e più precisi, soprattutto nel controllo della temperatura e nell'acquisizione dei dati di misura.

1973: Accoppiamento degli spettrometri di massa (MS)

Il Gruppo NETZSCH, composto dalle singole società tedesche Gebrüder NETZSCH-Anlagenbau, NETZSCH-Mohnopumpen, NETZSCH-Feinmahltechnik, NETZSCH-Newamatik, NETZSCH-Gerätebau e NETZSCH-Vertriebsgesellschaft, era di buon umore e festeggiò il suo ^100° anniversario il 1° luglio 1973 insieme alle sue filiali estere in quella che fu definita una "festa aziendale estremamente sfarzosa" a Selb. (Ho iniziato a lavorare per NETZSCH-Gerätebau 100 anni e un giorno dopo la fondazione di NETZSCH; cioè, esattamente il giorno dopo la celebrazione dei 100 anni. A tutt'oggi non so rispondere alla domanda sul perché non fossi presente...)

Già nei primi anni '70, la Balzers del Liechtenstein godeva di una buona reputazione per i suoi spettrometri di massa a quadrupolo (QMS) per il controllo dei processi. NETZSCH-L'interesse di Gerätebau a collaborare con Balzers per sviluppare un accoppiamento MS per lo STA 429 era molto alto e Balzers, a sua volta, rimase colpito dall'apertura mentale di NETZSCH per l'ottimizzazione dei sistemi di ingresso gas integrabili. Così, nel dipartimento tecnico di Gerhard Bräuer e del suo team, è stato costruito un sistema di ingresso del gas costituito da un capillare di platino e da una piastra orifizio in platino a valle.

Il risultato è stato un accoppiamento dello spettrometro di massa che funziona ancora a temperature molto superiori a 1000°C e un componente modulare meccanicamente di alta precisione da installare nel forno a 1600°C dello STA 429.

1974: Introduzione della prima ed unica accoppiata spettrometro di massa NETZSCH-Balzers

Lo scarico per la nuova interfaccia di accoppiamento è una pompa da vuoto rotativa a due stadi nel primo stadio (capillare di Pt). L'alto livello di vuoto necessario per lo scarico dell'orifizio di Pt, della sorgente ionica e del filtro di massa del quadrupolo è fornito da una pompa a diffusione con lubrificante a basso frammento (riferito allo spettro di fondo MS) in etere polifenilico come pompaggio medium.

Il forno, il sistema di accoppiamento e la pompa ad alto vuoto sono montati su un "ascensore" verticale per consentire il libero accesso al portacampioni per il cambio del campione nello STA. C'è anche spazio per ulteriori forni per i test STA "normali".

L'apparecchiatura è stata utilizzata all'Università di Costanza per l'indagine sui silicati ed è stata sottoposta a una manutenzione costante, attenta e affidabile da parte del Servizio Assistenza di NETZSCH per molti decenni.

il 1974 segna anche la fondazione di un'associazione no-profit per l'analisi termica nell'area di lingua tedesca, la GEFTA. Tra gli altri, due nomi hanno avuto un ruolo decisivo nella fondazione della nuova associazione: Il Prof. Dr. Ing. Hans Lehmann di Clausthal-Zellerfeld e il Dr. Wolf-Dieter Emmerich di NETZSCH a Selb, che hanno convinto diversi dipendenti di NETZSCH a diventare anch'essi membri fondatori di GEFTA; questo ha permesso all'associazione di iniziare con circa 20 membri.

L'Università di Costanza fu scelta come sede del^terzo incontro annuale del GEFTA già nel 1976, in omaggio alle attività nel campo dell'analisi termica in loco. Il GEFTA era già riuscito ad aumentare i suoi membri a oltre 50 persone ed era diventato un'associazione integrante di analisti termici attivi e di ricercaarcparallelamente alle organizzazioni nazionali dei paesi vicini.

1975: inizio di una tradizione di seminari sul tema dell'accoppiamento dei sistemi di analisi dei gas

Alla fine del 1975, questo accoppiamento per spettrometro di massa con capillare e orifizio in platino fu presentato a larger gruppo internazionale di interessati in occasione di un primo seminario intitolato "NETZSCH-Balzers-MTA High-Temperature Coupling Systems" (MTA sta per mass spectrometric thermal analysis, un'abbreviazione oggi non più utilizzata). Oltre a ciò, NETZSCH realizzò anche un accoppiamento per spettrometro di massa significativamente più semplice con capillare in acciaio e orifizio in platino, offerto in seguito da Balzers come modulo di ingresso gas separato o in una soluzione compatta con Thermostar. In questo caso, il campionamento del gas è stato effettuato all'uscita del gas del rispettivo forno, consentendo l'accoppiamento a tutti gli strumenti a tenuta di gas come DTA, TGA, STA e dilatometri. Un punto di forza rispetto alle offerte della concorrenza è stato il riscaldamento completo e regolabile a 200°C dell'uscita gas del forno.

Quali sono stati i passi successivi con il sistema di accoppiamento ad alta temperatura?

La soluzione tecnica trovata, l'esecuzione pratica e la sensibilità di rilevamento dello spettrometro di massa nella gamma dei ppm in combinazione con l'analisi termica sembravano più che adeguate per tutte le preoccupazioni e le applicazioni. I difetti minori nel progetto e nella valutazione sperimentale sono stati la lentezza della registrazione con le stampanti a punti multicanale, la velocità di scansione relativamente lenta dello spettrometro di massa e i picchi talvolta troppo numerosi nello spettro di fondo. Sì, a volte c'erano anche atomi, molecole e composti che semplicemente non riuscivano a passare attraverso il capillare e l'orifizio, che venivano distrutti termicamente durante il percorso o che non potevano essere riferiti in modo affidabile ai picchi MS registrati. A volte è stato necessario srotolare metri di carta di registrazione per trovare l'"unica" deviazione del segnale MS rilevante per il registratore.

Le discussioni con i potenziali interessati all'accoppiamento MS-STA integrato hanno portato a nuovi materiali nella progettazione del sistema di ingresso del gas nel forno dello STA. Per queste applicazioni, il platino era fuori questione a causa del suo effetto catalitico sui campioni e sui prodotti di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione da rilevare. I tubi di corindone sinterizzato di elevata purezza sono stati selecte ci si aspettava che avessero una buona resistenza per l'intervallo di temperature operative. Le sfide da affrontare, come la realizzazione di aperture small con il laser (orifizi) sul fondo dei tubi e la saldatura con flange metalliche, sono state risolte in collaborazione con produttori di ceramica e istituti specializzati. È stato creato un sistema a doppio orifizio.

1978: Consegne della STA 429 con sistema a doppio orifizio

Il Max Planck Institute for Solid State Research, Stoccarda, Germania, è stato il primo cliente del nostro giunto a doppio orifizio.

arcUn'altra area di ricercaarch che divenne oggetto di attenzione riguardava lo smaltimento "sicuro" dei materiali di scarto radioattivi nel contesto della ricerca nucleare. Il Jülich Research Center (all'epoca ancora Jülich Nuclear Research Facility) acquistò uno STA 429 con sistema a doppio orifizio per ricercarearcil rilascio di gas di materiali di scarto vetrificati.arcIl Prof. Dr. Reinhard Odoj (1973 - 2009 direttore per la sicurezza e la tecnologia dei reattori presso il Jülich Research Center) e il suo collega hanno dato un contributo significativo all'ottimizzazione dell'accoppiamento MS ad alta temperatura per questo settore di applicazione. Uno degli obiettivi era un sistema di ingresso del gas che permettesse di rilevare in modo affidabile vapori metallici come cesio, selenio, tellurio, ossidi di rutenio e argento (come sostanze di riferimento con volatilità simile a quella dei rifiuti radioattivi). L'accoppiamento MS ad alta temperatura è stato ottimizzato in modo significativo per questa applicazione in collaborazione con i docenti del centro di ricercaarch. Gli studi hanno portato alla stesura di una tesi di laurea con la descrizione dei numerosi passaggi individuali fino a un "accoppiamentoskimmer ", realizzato in metallo con distanze notevolmente ridotte tra il campione, l'ingresso del gas e la sorgente di ioni MS, il tutto con un forno corrispondentemente corto.

Il trasferimento di questa "soluzione d'istituto" a un sistema di accoppiamento skimmer di produzione commerciale presso NETZSCH è stato molto sofisticato. La riprogettazione del forno e la ricerca diarcmateriali ottimali per Skimmer diverse temperature e intervalli operativi sono solo alcuni dei punti chiave. Skimmersono stati realizzati in metallo resistente alle alte temperature, vetro di quarzo, allumina e carbonio vetroso. L'allumina e il carbonio vetroso si sono poi rivelati i più versatili e pratici per i diversi intervalli di temperatura e le atmosfere dei campioni.

Lo sviluppo degli strumenti ha beneficiato del fatto che la gamma di prodotti per forni di NETZSCH si è ampliata dall'intervallo di basse temperature di -180°C a 2400°C, che si sono iniziate a utilizzare pompe turbomolecolari affidabili per la generazione del vuoto e che sono stati progettati dispositivi di sollevamento compatti.

1985: Introduzione del primo e unico accoppiamento ad alta temperatura al mondo con sistema di ingresso del gas Skimmer

arcParallelamente all'ulteriore sviluppo dell'accoppiamento a orifizio all'accoppiamento Skimmer sopra descritto, è stato sviluppato un nuovo centro di eccellenza per la ricerca ambientale, dei combustibili e dell'energia presso l'Università (Comprehensive) di Paderborn, Dipartimento di Chimica guidato dal Prof. Dr. Antonius Kettrup con un accoppiamento a doppio orifizio STA 429 MS. La collaborazione molto proficua con il Prof. Dr. Antonius Kettrup e il suo team ha portato anche a miglioramenti strumentali (controllo automatico della pressione nel sistema di ingresso) e alla riprogettazione degli strumenti dopo il trasferimento del team di ricercaarch a Neuherberg, vicino a Monaco di Baviera, in quello che allora era noto come il GASS Research Center for Environment and Health. Per le ricerchearcambientali (ad esempio, smaltimento dei rifiuti, terreni contaminati), è stato costruito un large=sample STA (volume del campione fino a 170 cm³) con possibilità di accoppiare spettrometri di massa, spettrometri FT-IR e strumenti GC-MS NETZSCH nell'ambito dei finanziamenti bavaresi per le ricerchearch.

Ma cosa succederà dopo? Quali nuovi sviluppi seguiranno? Per saperne di più nelle prossime settimane..