02.03.2022 by Erwin Kaisersberger
Gas Analysis Systems Coupled to NETZSCH Instruments: How it all started
NETZSCH-Gerätebau GmbH consists of over half a century of development experience in coupling technology. In the month of March, find out in a historical summary how it all began, which systems were used then and which are used today, and read exciting contributions from our long-standing customers and partners.
NETZSCH-A Gerätebau GmbH possui mais de meio século de experiência em desenvolvimento de tecnologia de acoplamento.arcNo mês de maio, descubra em um resumo histórico como tudo começou, quais sistemas eram usados na época e quais são usados hoje, e leia contribuições interessantes de nossos clientes e parceiros de longa data.
Em 1973, o físico Erwin Kaisersberger ingressou no site NETZSCH e foi inicialmente responsável por aplicações e vendas na Alemanha e no exterior. Seguiram-se outras etapas na carreira, como chefe do laboratório de aplicações, chefe de vendas técnicas e "cientista sênior" na equipe mundial de suporte a serviços e aplicações. A partir de 2007, ele trabalhou para a empresa como consultor autônomo antes de se aposentar em 2012, após 39 anos de trabalho. Nesses últimos cinco anos, ele dedicou toda a sua energia especificamente à área de acoplamento TGA-GC-MS.
Erwin Kaisersberger compilou para nós o histórico do acoplamento de sistemas de análise de gás aos instrumentos NETZSCH:
Ponto de partida em 1970
Como você pode ver no relato da história da STA no artigo de aniversário de fevereiro de 2022, a primeira STA NETZSCH com o número de modelo 429 foi apresentada em 1970. Isso ocorreu por ocasião da Feira Internacional de Engenharia em Brno (outono de 1970), que naquela época e ainda muitos anos depois era um importante mercado para negócios com países do Leste Europeu, entre outros.
Até 1970, o site NETZSCH defendia a filosofia de que era melhor trabalhar separadamente com a DTA e a TGA, já que, para a DTA, taxas de aquecimento mais rápidas eram eficazes na obtenção de picos de larger; para a TGA, por outro lado, taxas de aquecimento mais lentas eram preferíveis para determinar as alterações de massa em um estado o mais próximo possível do equilíbrio. A aplicação simultânea de DTA e TGA em uma única amostra sob condições idênticas, no entanto, foi rapidamente estabelecida.
Com a introdução do STA 429, que foi projetado para ser à prova de vácuo e gás desde o início, entramos em um novo segmento de mercado e passamos a competir imediatamente com outros fabricantes da Europa Ocidental; esse também foi o caso na Europa Oriental com o derivatógrafo (Paulik e Erdey). Especialmente na faixa de temperaturas mais altas, a NETZSCH conseguiu trazer sua longa experiência nas áreas de inorgânicos, minerais e cerâmicas.
Mesmo antes de 1973, a NETZSCH tinha um amplo programa de produção, conforme consta no folheto do dilatômetro de 1973 (artigo de aniversário de janeiro de 2022). Isso também incluía instrumentos de detecção de gás em operação contínua para acoplamento com os modelos à prova de gás para DTA, TGA, STA e dilatômetros. É claro que esses detectores de gás, que registravam alterações na Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica (EGA), na DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade do gás (EGD) ou na radioatividade (ETA) de uma amostra de gás durante um experimento, não eram muito satisfatórios, apesar de sua simplicidade e do fato de alguns deles terem alta sensibilidade de detecção: Eles mostravam apenas que os gases haviam evoluído ou sido absorvidos, mas não quais!
A identificação de gases, no entanto, era um tópico tão atual naquela época quanto o é hoje. Mas quais sistemas de análise de gás estavam disponíveis inicialmente? O foco do trabalho de desenvolvimento rapidamente se voltou para o espectrômetro de massa quadrupolo devido à sua compactação e alta sensibilidade de detecção (1960: Invenção do filtro de massa quadrupolo pelo físico alemão e mais tarde ganhador do Prêmio Nobel, Wolfgang Paul, e seu colega de trabalho, Helmut Steinwedel, na Universidade de Bonn).
smallDesde 1970, o desenvolvimento de instrumentos no site NETZSCH também foi direcionado para dimensões mais compactas com fornos mais rápidos, câmaras de amostra reduzidas para melhor purga de gás e estanqueidade a vácuo para obter atmosferas de gás limpas nas amostras. Esse era um requisito básico para o acoplamento sensível de sistemas sensíveis de análise de gás. Também a partir de 1970, os componentes eletrônicos desenvolvidos por Karl Bayreuther e sua equipe internamente no site NETZSCH foram usados nos sistemas de controle dos instrumentos. Isso tornou os instrumentos mais flexíveis e mais precisos, especialmente no controle de temperatura e na aquisição de dados de medição.
1973: Acoplamento de espectrômetros de massa (MS)
O Grupo NETZSCH, composto pelas empresas alemãs Gebrüder NETZSCH-Anlagenbau, NETZSCH-Mohnopumpen, NETZSCH-Feinmahltechnik, NETZSCH-Newamatik, NETZSCH-Gerätebau e NETZSCH-Vertriebsgesellschaft, estava animado e comemorou seu centésimo aniversário em 1º de julho de 1973, juntamente com suas subsidiárias estrangeiras, no que foi considerado uma "festa extremamente opulenta da empresa" em Selb. (Comecei a trabalhar para a NETZSCH-Gerätebau 100 anos e um dia após a fundação da NETZSCH; ou seja, exatamente no dia seguinte à comemoração de 100 anos. Até hoje, não sei responder à pergunta sobre o motivo de eu não estar lá...)
Já no início dos anos 70, a Balzers de Liechtenstein gozava de boa reputação por seus espectrômetros de massa quadrupolo (QMS) para controle de processos. NETZSCH-O interesse da Gerätebau em colaborar com a Balzers para desenvolver um acoplamento MS para o STA 429 foi muito grande e a Balzers, por sua vez, ficou impressionada com a mente aberta da NETZSCH para a otimização de sistemas de entrada de gás integráveis. Assim, no departamento técnico de Gerhard Bräuer e sua equipe, foi construído um sistema de entrada de gás composto por um capilar de platina e uma placa de orifício de platina a jusante.
Isso resultou em um acoplamento de espectrômetro de massa que ainda funciona em temperaturas muito acima de 1000°C e um componente modular de alta precisão mecânica para instalação no forno de 1600°C do STA 429.
1974: Introdução do primeiro e único acoplamento de espectrômetro de massa NETZSCH-Balzers
A exaustão para a nova interface de acoplamento é uma bomba de vácuo rotativa de dois estágios no primeiro estágio (capilar de Pt). O alto nível de vácuo necessário para a exaustão do orifício de Pt, da fonte de íons e do filtro de massa quadrupolo é fornecido por uma bomba de difusão com lubrificante de éter polifenílico de baixa fragmentação (referente ao espectro de fundo MS) como bombeamento medium.
O forno, o sistema de acoplamento e a bomba de alto vácuo são montados em um "elevador" vertical para permitir livre acesso ao suporte de amostras para troca de amostras na STA. Há até mesmo espaço para fornos adicionais para testes STA "normais".
O equipamento foi usado na Universidade de Constança para a investigação de silicatos e tem sido mantido de forma consistente, cuidadosa e confiável pelo Departamento de Serviços da NETZSCH ao longo de muitas décadas.
1974 também marca a fundação de uma associação sem fins lucrativos para análise térmica na área de língua alemã, a GEFTA. Entre outros, dois nomes tiveram um papel decisivo na fundação da nova associação: Prof.-Dr. Ing. Hans Lehmann, de Clausthal-Zellerfeld, e o Dr. Wolf-Dieter Emmerich, de NETZSCH, em Selb, que persuadiram vários funcionários de NETZSCH a também se tornarem membros fundadores da GEFTA, o que permitiu que a associação começasse com cerca de 20 membros.
A Universidade de Constança foi escolhida como local para a3ª reunião anual do GEFTA já em 1976, um tributo às atividades no campo da análise térmica no local. O GEFTA já havia conseguido aumentar seu número de membros para mais de 50 pessoas e se tornou uma associação integradora de analistas térmicos ativos earcsua paralela às organizações nacionais dos países vizinhos.
1975: Início de uma tradição de seminários sobre o tema do acoplamento de sistemas de análise de gás
largeNo final de 1975, esse acoplamento de espectrômetro de massa com capilar e orifício de platina foi apresentado a um grupo internacional de partes interessadas por ocasião de um seminário inicial intitulado "NETZSCH-Balzers-MTA High-Temperature Coupling Systems" (MTA significa análise térmica espectrométrica de massa, uma abreviação que não é mais usada atualmente). Além disso, o NETZSCH também realizou um acoplamento de espectrômetro de massa significativamente mais simples com capilar de aço e orifício de platina, como oferecido posteriormente pela Balzers como um módulo de entrada de gás separado ou em uma solução compacta com o Thermostar. Nesse caso, a amostragem de gás foi realizada na saída de gás do respectivo forno, permitindo o acoplamento a todos os instrumentos à prova de gás, como DTA, TGA, STA e dilatômetros. Um ponto de venda exclusivo em relação às ofertas da concorrência foi o aquecimento abrangente e ajustável a 200°C da saída de gás no forno.
Então, quais foram as próximas etapas do sistema de acoplamento de alta temperatura?
A solução técnica encontrada, a execução prática e a sensibilidade de detecção do espectrômetro de massa na faixa de ppm em combinação com a análise térmica pareciam mais do que adequadas para todas as preocupações e aplicações. Pequenas falhas no projeto experimental e na avaliação estavam por trás do registro lento com as impressoras de pontos multicanal, da velocidade de varredura relativamente lenta do espectrômetro de massa e dos picos às vezes muito numerosos no espectro de fundo. Sim, às vezes também havia átomos, moléculas e compostos que simplesmente não conseguiam atravessar o capilar e o orifício, que eram destruídos termicamente no caminho ou que não podiam ser referenciados de forma confiável a partir dos picos de MS registrados. Às vezes, era necessário desenrolar teias de papel de registro com metros de comprimento para encontrar "uma" deflexão relevante do registrador do sinal de MS.
As discussões com clientes em potencial interessados no acoplamento integrado MS-STA levaram a novos materiais no projeto do sistema de entrada de gás no forno do STA. Para essas aplicações, a platina estava fora de questão devido ao seu efeito catalítico sobre as amostras e os produtos de Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição a serem detectados. Os tubos de coríndon sinterizado de alta pureza foram selected, que deveriam ter boa resistência para a faixa de temperatura operacional. Os desafios futuros, como a perfuração de aberturas small a laser (orifícios) na parte inferior dos tubos e a soldagem em flanges de metal, foram resolvidos em cooperação com fabricantes de cerâmica e institutos especializados. Foi criado um sistema de orifício duplo.
Curiosamente, foi o sitearch sobre propriedades de estado sólido e as cerâmicas técnicas emergentes, com problemas como a queima de aglutinantes orgânicos e a volatilidade de auxiliares de SinterizaçãoA sinterização é um processo de produção para formar um corpo mecanicamente forte a partir de um pó cerâmico ou metálico. sinterização inorgânicos, que resultaram nessa solução de orifício duplo.
1978: Entregas do STA 429 com sistema de orifício duplo
O Max Planck Institute for Solid State Research, em Stuttgart, Alemanha, foi o primeiro cliente de nosso acoplamento de duplo orifício.
arcOutra área de pesquisa que se tornou um foco de atenção foi o descarte "seguro" de materiais de resíduos radioativos no contexto da pesquisa nucleararch.arcO Jülich Research Center (na época, ainda Jülich Nuclear Research Facility) adquiriu um STA 429 com sistema de orifício duplo para avaliar a liberação de gás de materiais de resíduos vitrificados.arcDr. Reinhard Odoj (1973 - 2009, diretor de segurança e tecnologia de reatores do Jülich Research Center) e seu colega fizeram uma contribuição significativa para a otimização do acoplamento MS de alta temperatura para essa área de aplicação. Um dos objetivos era um sistema de entrada de gás que permitisse a detecção confiável de vapores metálicos, como césio, selênio, telúrio, óxidos de rutênio e prata (como substâncias de referência com volatilidade semelhante à dos resíduos radioativos). O acoplamento MS de alta temperatura foi significativamente otimizado para essa aplicação em cooperação com professores do centro de pesquisaarch. Os estudos levaram a uma dissertação com uma descrição das várias etapas individuais até um "acoplamentoskimmer ", feito de metal com distâncias muito reduzidas entre a amostra, a entrada de gás e a fonte de íons MS, tudo com um forno correspondentemente curto.
A transferência dessa "solução do instituto" para um sistema de acoplamento skimmer fabricado comercialmente em NETZSCH foi muito sofisticada.arcO redesenho do forno e a busca por materiais Skimmer ideais para diferentes temperaturas e faixas de operação são apenas alguns dos principais pontos. Foram produzidos Skimmers feitos de metal resistente a altas temperaturas, vidro de quartzo, alumina e carbono vítreo. Posteriormente, a alumina e o carbono vítreo provaram ser os mais versáteis e práticos para diferentes faixas de temperatura e atmosferas de amostra.
O desenvolvimento de instrumentos se beneficiou do fato de que a linha de produtos de fornos da NETZSCH havia se expandido da faixa de baixa temperatura de -180°C para 2400°C, bombas turbomoleculares confiáveis começaram a ser usadas para geração de vácuo e dispositivos compactos de elevação também foram projetados.
1985: Introdução do primeiro e único acoplamento de alta temperatura do mundo com o sistema de entrada de gás Skimmer
arcParalelamente ao desenvolvimento do acoplamento de orifício para o acoplamento Skimmer descrito acima, um novo centro de excelência para pesquisa ambiental, de combustível e energia foi desenvolvido na Universidade (Integral) de Paderborn, Departamento de Química, liderado pelo Prof. Dr. Antonius Kettrup, com um acoplamento de orifício duplo STA 429 MS. Dr. Antonius Kettrup e sua equipe também resultaram em melhorias instrumentais (controle automático de pressão no sistema de entrada) e no redesenho dos instrumentos após a mudança da equipe do research para Neuherberg, perto de Munique, para o que era então conhecido como GASS Research Center for Environment and Health.arcPara a pesquisa ambiental (por exemplo, descarte de resíduos, solos contaminados), um large= STA de amostra (volume de amostra de até 170 cm³) com possibilidades de acoplamento de espectrômetros de massa, espectrômetros FT-IR e instrumentos GC-MS foi construído pela NETZSCH dentro da estrutura de financiamento da pesquisa da Bavieraarch.
Mas o que acontecerá em seguida? Que novos desenvolvimentos virão? Leia mais nas próximas semanas..