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实验室粉碎机采购浅谈

2011-11-03 14:46
逆光飞舞
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  越来越多的事实证明,分析的误差主要来自于样品前处理。固体样品的取样和制样技术,对于整个分析实验结果有着相当大的影响,本文将从不同的应用领域出发,谈一谈研磨粉碎仪器的选型要点和注意事项,希望能对您的实验工作有帮助,如有不全之处,请指正。

  为什么要重视取制样技术?为什么需要专业的粉碎仪来代替手工操作?那是因为,随着分析手段的不断提高和发展,分析仪器的灵敏度越来越高,检出限越来越低,分析用的样品量只有几克甚至几十毫克或更少,这就对制样的均匀性和代表性提出了更大的要求,理论而言,样品颗粒越小,它的均匀性和代表性就越佳;其次,手工制样非常劳累和低效,尤其是对于某些样品,如高硬度的合金矿石或热敏性的材料,根本不可能用手工的方式将其粉碎至粉末状;再者,取制样过程理应避免引入待测元素或杂质污染,这也要求您需要使用一台专业的粉碎研磨仪器。

  粉碎的原理对于不同性质的样品各不相同,如对于硬性样品的粉碎,一般采用挤压、碰撞、摩擦或颗粒间的作用力;如对于软性样品,通常采用切割或剪切的方法。

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  所以首先要了解样品的软硬性质,来选择合适原理的粉碎机,例如对于软性或弹性样品,就不适合用挤压原理的粉碎机来粉碎。这里所谓的软硬程度并非是指“手感”。您可以用一个的简单方法来选择,如果您的样品适合用剪刀剪开,那么这类样品属于粉碎中的软性样品,比如塑料、橡胶、纺织品;如果您的样品适合用锤子砸碎,那么这类样品属于粉碎中的硬性样品,比如玻璃、陶瓷、矿石。当然,随着技术的发展,许多粉碎机也不是选用单一的粉碎原理,往往采用2-3种粉碎原理组合使用,这样也进一步扩大了仪器的适用范围,比如振动盘式研磨仪,这是一种非常适合于光谱分析(尤其是XRF)前样品制备的仪器,往往可在非常短的时间内(如2-3min)将样品研磨至200目(75um),它的粉碎原理不但有挤压力,也有摩擦力,非常适合于硬性样品如矿石类样品的制备;又如超离心研磨仪,颗粒下落时不但被高速旋转的转刀和环筛进行切割,而且同时也被转刀棱撞击,因此它不但适用于软性样品如中药、木材等,也适合于饲料、煤、土壤等中硬性样品。  确认好粉碎机的类型之后,选择合适的研磨配件至关重要,仪器的成本往往和选购何种材质的研磨配件有关,同一款型号仪器选配不同的研磨附件,价格可能相差2-3倍。最常见的研磨材质有不锈钢、硬质钢、纯钛、玛瑙、氧化锆和碳化钨等,不锈钢或硬质钢由于密度较大,因此可以产生较大的粉碎能量,价格比较低,适合于一般的粉碎应用。纯钛、玛瑙、氧化锆及碳化钨材质通常被认为可以防止引入重金属污染(主要是Fe和Cr),非常适合后续分析为AAS、ICP或XRF等光谱分析的样品前处理。选择研磨配件的判断是基于材料的硬度和耐磨性、成本及可能引入的杂质。对于地质冶金类的应用,我们建议用碳化钨研磨罐,因为碳化钨硬度高、密度大且不会引入铁或铬的污染!这类用户过去往往习惯用玛瑙罐,虽然无金属杂质污染,但玛瑙的硬度和密度都不适合粉碎如合金矿之类的样品,反而它对于土壤样品的研磨会是一个比较好的选择。下图是不同硬度单位的硬度对照表,原则上您待处理样品的硬度应小于选用的研磨配件的样品硬度。

  对于一些较难处理的样品或应用,如热敏性样品或生物领域的应用,需要一些特殊的前处理办法――低温粉碎技术。液氮是一种最常见的低温研磨助剂,因为样品在液氮中会变成象玻璃一样的脆,从而使粉碎过程变的更容易,这类样品如塑料、橡胶如在常温下进行粉碎,则会因发热而软化,无法研磨至粉末状,对于生物样品,如不采用低温粉碎技术,则容易破坏其活性。通常可以采用液氮对样品进行预冷,即将样品或盛放样品的研磨罐置于液氮中冷却,等温度平衡之后再用仪器进行粉碎,现在又出现了全自动冷冻研磨仪,它让样品始终处在液氮下进行粉碎,保证了样品不会变性,并且可以进行循环粉碎,仪器的预冷和液氮的添加完全由程序自动控制,操作更安全,更方便。

  基于上述所说的大原则,如何选择一台合适自己应用的粉碎机呢?步骤如下:

  1. 明确所处理的样品名称和性质―――属于软性样品范畴还是硬性样品范畴?属于需低温粉碎范畴还是含水含油类样品范畴?

  2. 设定粉碎后的目标尺寸―――对于理化分析而言,合适的出样尺寸如下:

  微波消解:500um以下

  索式提取:500um以下

  红外光谱:150um以下

  X荧光光谱:100um以下

  3. 选择合适的研磨配件―――如后续分析为AAS或ICP的,建议用碳化钨研磨罐或钛制转刀等,需用液氮低温粉碎的,建议用不锈钢研磨罐。

  4. 明确单次粉碎的处理量―――事实上,对于理化分析的样品制备,十克或几十克的样品已经足够了,一般样品的处理量是所选择的研磨罐体积的1/3左右,即样品质量=研磨罐体积x1/3x样品密度。

  同时,您更需要注意以下几点:

  1. 粉碎研磨事实上没有想象当中来的容易,它一般包含了初级粉碎和精细研磨两个步骤,初级粉碎是指将进样尺寸为几十毫米的样品制备成几毫米尺寸,精细研磨是指将几毫米的样品制备成符合理化分析要求的尺寸,严格意思上而言,通常的取制样技术需要两台以上仪器来完成整个过程,比如对于矿石类样品,采用颚式破碎仪和振动盘式研磨仪的组合可以将块状样品制备到200目以下;比如重型切割粉碎仪和超离心研磨仪的组合就非常适合于大多数软性、韧性、纤维质样品如塑料、皮革、纺织品、中药等样品的制备。

  2. 出样尺寸并非越细越好,而是够细就行。研磨的越细,需要的能量更大,时间更长,事实上有些理化分析只要求将样品粉碎即可,所以您可以将仪器的出样尺寸作为衡量仪器性能的指标之一,但千万不可盲目看重目录上的参数而忽略实际的应用要求,所谓“过犹不及”。

  3. 粉碎机有国产品牌和进口品牌,除了比较两者的出样尺寸之外,更重要的是比较两者的工作效率、操作舒适性及使用范围,对于普通的样品而言,国产粉碎机也能满足应用,但其粉碎效率,如粉碎时间、样品通过率或许不佳,另外在仪器的外观和操控性上不如进口产品,研磨时也会引入杂质污染,进口粉碎机在制作工艺上、研磨配件的选择面上及应用领域上均具备一定的优势。

  4. 仪器的清洗和防交叉污染。粉碎机的清洁一直是用户关注的主要问题之一,用户当然不希望在粉碎时有样品之间的交叉污染,解决这一问题主要基于仪器的设计和应用技巧,目前这方面应该说国产仪器还有比较大的缺陷。但从另一个角度而言,仪器的清洁也是样品制备的一个环节之一,操作者也不能太想当然。有一个经验是样品越干燥越好研磨,否则样品潮湿的话,则会对清洁带来较大的麻烦。

  5. 没有万能粉碎机!事实上商品化的仪器中是确有叫“万能粉碎机”的,事实上也可以明确的告诉所有用户并没有“万能粉碎机”。操作者理想之中的粉碎机可能是:一台仪器,既可以粉碎矿石,也能粉碎塑料,又能做低温研磨,可以一次将大块状样品研磨至100um以下,处理量可大可小,而且清洁容易,无交叉污染,售价低。可惜的是,目前尚没有这样的仪器,也许今后会有,也许这也将是所有生产厂家的努力方向。

  粉碎是一门艺术,粉碎机的选购其实也不是只字片语可以描绘的清,本文旨在抛砖引玉,目的是引起广大实验工作者对于固体样品前处理,尤其是取制样技术的重视,选用专业的粉碎仪器必将让您的实验工作事半功倍!

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