呂瑞芬,李喜來,肖宏展

(1.北京微量化學(xué)研究所,北京 100091;2.國際關(guān)系學(xué)院研究生部,北京 100091)

氣相色譜-質(zhì)譜法測定高壓汞燈真空度

呂瑞芬1,2,李喜來1,肖宏展1

(1.北京微量化學(xué)研究所,北京 100091;2.國際關(guān)系學(xué)院研究生部,北京 100091)

高壓汞燈石英管內(nèi)惰性氣體的填充是保證燈性能的關(guān)鍵因素。本研究采用氣相色譜-質(zhì)譜法測定高壓汞燈真空度,測得氬氣的相對質(zhì)量校正因子和氬氣/氮氣的峰面積比(AAr/AN2),然后根據(jù)氣體狀態(tài)方程,計算出燈內(nèi)氬氣壓力,并比較5種不同性能的高壓汞燈燈管中氬氣填充量的差異。結(jié)果表明,不同類型的高壓汞燈其氬氣壓力明顯不同,而同一類型的高壓汞燈內(nèi)氬氣壓力值國產(chǎn)的比國外的高,并從惰性氣體(氬氣)填充量的角度表征了高壓汞燈的性能。

高壓汞燈;真空度;氣相色譜-質(zhì)譜(GC/MS)

紫外(UV)固化是一種綠色技術(shù),其材料中不含或只含少量溶劑,因此污染較少。紫外固化的能耗只有熱固化的1/5,目前廣泛應(yīng)用于涂料、油墨、粘合劑、印刷版材、電子工業(yè)等領(lǐng)域。紫外固化技術(shù)由紫外固化材料和紫外固化設(shè)備組成。高壓汞燈是紫外固化的關(guān)鍵設(shè)備,它為材料的固化提供能源,對體系的固化過程和固化后材料的性能有很大影響,是目前紫外固化最常用的固化光源[1]。

紫外固化技術(shù)要求高強度,穩(wěn)定,長壽命等性能優(yōu)異的高壓汞燈。然而,目前國產(chǎn)高壓汞燈的性能和壽命與國外進口的相比還有一定差距。影響高壓汞燈性能和壽命的因素很多,例如,石英管、電極、填充物、惰性氣體的種類和壓力等,其中惰性氣體的種類和壓力對紫外燈的強度、穩(wěn)定性和壽命有顯著的影響[2]。一般高壓汞燈中的氣體為氬氣,因此了解國外廠家高性能高壓汞燈中氬氣的壓力,對國內(nèi)廠家提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。在生產(chǎn)線上通過真空計測量高壓汞燈氬氣壓力,充氣完成后,用高溫熔融將石英管密封。但目前未見高壓汞燈密閉后,石英管中氬氣壓力測定方法的報道。生產(chǎn)或研究單位只能憑經(jīng)驗,根據(jù)高壓電弧的長度估算出高壓汞燈氬氣的壓力。

氣相色譜-質(zhì)譜(GC/MS)聯(lián)用技術(shù)將氣相色譜的快速、高效分離和質(zhì)譜的高效定性優(yōu)勢結(jié)合起來,是揮發(fā)性物質(zhì)定性定量分析最常用的方法。GC/MS法用于氣體成分和含量的測定已是比較成熟的手段,但未見用于測定高壓汞燈中氣體的壓力。本研究采用 GC/MS法測定高壓汞燈中氬氣壓力,并比較不同性能、不同類型高壓汞燈燈管中氬氣填充量的差異。

1 試驗部分

1.1 儀器與裝置

QP2010氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀:日本 Shimadzu公司產(chǎn)品,配有四極桿質(zhì)量分析器、電轟擊離子源(EI)及 GC/MS solution Version 2.40數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

氣相氣密型微量進樣針(10μL):澳大利亞SGE公司產(chǎn)品。

1.2 材料與試劑

高壓汞燈(國產(chǎn)A燈、進口A燈;國產(chǎn)B燈、進口B燈。A燈和B燈的區(qū)別是燈管中填充的發(fā)光物質(zhì)不同,因此光譜范圍不同)和無極燈。

空氣:取自試驗環(huán)境。

1.3 試驗條件

1.3.1 環(huán)境條件 環(huán)境溫度24℃,濕度64%。

1.3.2 色譜條件 色譜柱:J&W DB-5MS石英毛細柱(30 m×0.25 mm×0.25μm);升溫程序:50 ℃保持 3 min;載氣(He)流速 1.0 mL/min;壓力 53.6 kPa;進樣量 10μL;分流比100∶1。

1.3.3 質(zhì)譜條件 電子轟擊(EI)離子源,電子能量70 eV,傳輸線溫度250℃,離子源溫度220℃,溶劑延遲1.0 min,Scan采集模式,掃描間隔0.2 s,質(zhì)量掃描范圍m/z17～140。

1.4 實驗方法

用氧-乙炔焰將高壓汞燈石英管燒薄,然后用錐子將燒薄部分扎破,立即用透明膠布將破口密封。用氣密型微量進樣針扎破透明膠布,取出管中適量的混合氣體進行 GC/MS測定,再立即用透明膠布密封。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮氣和氬氣的峰面積

用氣密型微量進樣針抽取10μL空氣,在1.3條件下進行 GC/MS測量。根據(jù)空氣中的主要氣體成分及實驗所測量的總離子流色譜圖,確定氮氣、氧氣和氬氣的保留時間和定性離子(m/z28、32、40),并分別提取質(zhì)量離子流色譜圖,示于圖1。在相同的實驗條件下,依次對1.2所述的高壓汞燈燈管中氣體進行GC/MS分析,數(shù)據(jù)處理方法參照空氣樣品;定義自動積分參數(shù),積分結(jié)果列于表1。

2.2 高壓汞燈中氬氣壓力關(guān)系式的推導(dǎo)

空氣的主要成分是氮氣和氧氣,還有極少量的氡、氦、氖、氬、氪、氙等稀有氣體,水蒸汽,二氧化碳和塵埃等。已知干燥空氣在海平面的主要成分及含量列于表2。因為空氣中氮氣、氧氣和氬氣的相對比例較穩(wěn)定,我們以空氣中氮氣為內(nèi)標,計算氬氣的相對質(zhì)量校正因子fm’,并根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,導(dǎo)出氬氣和氮氣的質(zhì)量比(mAr/mN2)或峰面積比(AAr/AN2)與高壓汞燈燈管內(nèi)氬氣壓力的關(guān)系式。

圖1 空氣總離子流色譜圖(a)和提取離子流色譜圖(b,c,d)Fig.1 Total ion chromatogram of air sample(a)and extracted ion chromatogram of m/z40(b),m/z32(c),m/z28(d)

表1 空氣和高壓汞燈中氮氣、氬氣的峰面積,峰面積比和質(zhì)量比Table 1 Peak area,peak area ratio and mass ratio of N2,Ar in air and high-pressure mercury lamp

表2 干燥空氣在海平面的主要成分及含量Table 2 Main component and content of dry air at sea level

2.2.1 氬氣校正因子fm’ 以空氣中的氮氣為內(nèi)標,氬氣的相對質(zhì)量校正因子fm’可表示為:

將表1中的空氣中氬氣和氮氣的峰面積比AAr/AN2,以及表2中干燥空氣在海平面上所含氬氣和氮氣的質(zhì)量比mAr/mN2代入式(1),計算出fm’=1.044。

式(1)又可轉(zhuǎn)化為:

將5種被測樣品中氬氣和氮氣的峰面積比AAr/AN2依次代入式(2),所得氬氣和氮氣的質(zhì)量比mAr/mN2。

2.2.2 高壓汞燈中氬氣壓力關(guān)系式推導(dǎo) 根據(jù)道爾頓定律,混合氣體的總壓等于各組分單獨存在于混合氣體的溫度、體積條件下所產(chǎn)生壓力的總和[3]。在1.3條件下,空氣中的氣體滿足以下關(guān)系式:

其中,P為室溫下的大氣壓強;PN2、PO2、PAr分別為空氣中氮氣、氧氣、氬氣所占的分壓;PH2O為水蒸汽分壓(式(3)中忽略了其他少量氣體的分壓)。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,下列關(guān)系式成立:

其中,V為氣體總體積;R為摩爾氣體常數(shù);T為氣體溫度;mN2、mO2、mAr分別為空氣中所含氮氣、氧氣、氬氣的質(zhì)量;MN2、MO2、MAr分別為氮氣、氧氣、氬氣的摩爾質(zhì)量。

由式(5)和式(6)得:

已知MN2/MO2=28/32=0.875,根據(jù)表 2中數(shù)據(jù),mO2/mN2=23.135/75.518=0.306,代入式(7),得大氣壓下空氣中氧氣和氮氣的分壓關(guān)系式:

同理,由式(4)和式(5)得:

已知在 24℃時,水的飽和蒸汽壓p＊=2.980×103Pa[4],當環(huán)境濕度為64%時,水蒸汽分壓PH2O=R H·p＊=1.92×103Pa(相當于14 mmHg);并且在標準狀態(tài)下,大氣壓強為1.013×105Pa(相當于 760 mmHg)。將式(8)和式(9)代入式(3),并結(jié)合已知數(shù)據(jù),可推導(dǎo)出空氣中氬氣分壓關(guān)系式:

其中,PAr的計量單位為 mmHg(1 mmHg=133.322 Pa,為工廠生產(chǎn)參考方便,在此采用mmHg)。

高壓汞燈的燈管一旦被打開,壓力差的存在使得外界環(huán)境中的空氣迅速進入燈管內(nèi)并達到分配平衡,燈管內(nèi)氮氣和氧氣的分壓比不變。因此,式(10)對高壓汞燈燈管內(nèi)的氣體依然成立,但此時氬氣的分壓為燈管內(nèi)原有氬氣和空氣中氬氣壓力之和。

2.3 高壓汞燈中氬氣壓力的測定結(jié)果

將表1中mAr/mN2數(shù)據(jù)代入式(10),計算出燈管中氬氣的壓力。假設(shè)原來燈管中氬氣的壓力相對于大氣壓可以忽略不計,則空氣中的氬氣進入燈管后的壓力變化不大,仍然約為7 mmHg。扣除空氣中氬氣的分壓,所得幾種高壓汞燈燈管中氬氣的壓力PAr,示于圖2。

結(jié)果表明,不同類型的高壓汞燈,氬氣壓力值差異較大;而對于同一類型的高壓汞燈,國產(chǎn)燈的氬氣壓力比進口燈高1倍左右。

圖2 空氣及高壓汞燈燈管中的氬氣壓力Fig.2 Partial pressure ofPAr in air and ultraviolet-source tubes

3 結(jié)論

本研究采用氣相色譜-質(zhì)譜法測定高壓汞燈中氬氣壓力(即真空度),切實可行,具有簡單、快速等優(yōu)點。在氬氣壓力較小的情況下,可快速地測定成品高壓汞燈中的真空度,解決了科研生產(chǎn)中的測量問題。同時發(fā)現(xiàn),同一類型的高壓汞燈,國產(chǎn)的氬氣壓力值比進口的高,這也可能是導(dǎo)致性能差異的原因之一。

[1]王德海,江 欞.紫外光固化材料-理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2001:1-10.

[2]J R柯頓,A M馬斯登.光源與照明[M].陳大華,劉九昌,徐慶輝,譯.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2000.

[3]王正烈,周亞平.物理化學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2001:12-13.

[4]譚天恩,竇 梅,周明華.化工原理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:268-269.

Determination of Vacuum in High-Pressure Mercury Lamps by G as Chromatography-Mass Spectrometry

LU Rui-fen1,2,LI Xi-lai1,XIAO Hong-zhan1
(1.Beijing Institute of Microchemistry,Beijing100091,China;2.A pplied Chemistry Department,University of International Relations,Beijing100091,China)

The pressure of inert gas in quartz tubes is critical to the performance of highpressure mercury lamps.The vacuum in high-pressure mercury lamps were determined by gas chromatography-mass spectrometry(GC/MS).From the relative mass calibration factor of argonfm’,and the ratios of peak area of argon to nitrogen(AAr/AN2)were measured by GC/MS.We induced a equation which was described the relation between pressure ofPArand(AAr/AN2)or the mass ratios of argon to nitrogen(mAr/mN2).Using this equation with other relative data,PArin the air and high-pressure mercury lamps were measured.The result shows that difference in the pressure of argon among those high-pressure mercury lamps with different performance and type of high-pressure mercury lamps,which are different.

high-pressure mercury lamp;vacuum;gas chromatography-mass spectrometry(GC/MS)

肖宏展(1961～),男(壯族),廣西上林人,研究員,分析化學(xué)專業(yè)。E-mail:hz_xiao@yahoo.com

O 657.63

A

1004-2997(2011)02-0117-04

2010-04-23;

2010-09-10

呂瑞芬(1986～),女(漢族),山東聊城人,碩士研究生,分析化學(xué)專業(yè)。E-mail:xiaorui58us@yahoo.com