在热不稳定的环境中使用Phi-TEC Ⅰ

Joseph Willmot, Cathryn Langley Ph.D., Roderick McIntosh Ph.D.

H.E.L Ltd, 9-10 Capital Business Park, Borehamwood, WD6 1GW

Phi-TEC I

01 摘要

Phi-TEC I是一台高灵敏度ARC，能够以0.02℃/min升温速率的检测灵敏度检测放热反应。本研究在使用Phi-TEC I绝热量热仪进行放热反应检测时，故意引入了环境热不稳定性。

通过对外部环境的人为改变，证明系统将过早进入绝热“跟踪”模式，从而延长实验时间。在这些测试条件下还证明，通过使用专门设计的绝缘护套可以消除这些对系统的影响。这使得Phi-TEC I能够保持其灵敏度和精确的检测参数。

02 实验介绍

绝热量热法的主要用途是为工艺开发提供数据。它可以量化化学反应过程的热失控程度，Phi -TEC I就是为此而设计的。它已被开发用于精细而准确地测量样品温度的微小变化，以确定绝热条件下热分解或化学反应的起始温度。“Heat-Wait-Search”是用于检测热失控起始温度的主要测试方法，在这个测试方法中，加热丝对样品加热升高至设定的温度（Heat），将每个设定温度保持指定的时间以确保热稳定性（Wait），在等待步骤期间，系统监测样品温度随时间的变化，以确定是否发生了热失控（Search）。下图是该测试的一个示例。

Heat-Wait-Search（加热-等待-搜索）

任何物理系统的热损失都会随着温度的升高而增加。Phi-TEC I会主动对此进行补偿，以确保维持绝热状态。Phi -TEC I在系统的整个工作温度范围内进行实时在线校准，这是通过使用预先校准的热损失补偿（HLC）来计算加热器保持恒定样品温度所需升高的温度来完成的。一旦热损失得到补偿，样品温度就会保持在一个非常稳定的值。“搜索”步骤期间样品温度的任何偏差大于用户定义的检测阈值都将导致系统进入绝热“跟踪”步骤。在此“跟踪”步骤中，热失控或化学反应保持在绝热条件下，使用户能够深入了解反应释放的能量总和，以及表征反应及其动力学的能力，并提供重要的安全数据。Phi-TEC I检测灵敏度低至0.02 ℃/min (dT/dt)。

作为所有量热仪的最佳方法，Phi-TEC I需要在热稳定环境中使用。HLC限制条件适用于给定的外部温度和各种环境条件，例如气流和湿度。

在本研究中，表征了人为改变外部环境对数据质量的影响。本研究还报告了绝缘护套的使用，这使得Phi-TEC I可以在热变化环境中使用，同时保持预期的系统精度和灵敏度。因此，建议使用这种绝缘护套可以减少环境条件对样品温度的影响。

这种绝缘护套专门设计用于安装在当前的Phi-TEC I型号上。因此，所有的新老用户都能够利用这种绝缘护套来确保其系统的准确性和可靠性。

03 设备与方法

Phi-TEC I进行了微小的修改以安装额外的温度测量点。这些点提供了实验室环境温度的测量值，以及Phi-TEC I炉体的外壁温度测量值。外壁温度将展示出Phi-TEC I在实验过程中受到的热效应，不对Phi-TEC I进行额外的修改，以确保它准确地代表用户的设备。Figure 1显示了Phi-TEC I的炉体。

Figure 1 – Phi-TEC I炉体

HLC校准是在不锈钢 (SS) 样品池 [1”直径，¼” 进料管] 上使用5 g甲苯的空白液体样品进行的。测试单元如Figure 2 所示。

Figure 2 –不锈钢样品池

测试池装有5g分析级甲苯（Cas 编号 108-88-3 (1)）的空白样品。甲苯用于这些实验，因为它在测试条件下不会发生放热分解，并且具有与真实化学测试相似的热质量。因此，预计Phi-TEC I在任何这些测试中都不会进入“跟踪”模式。

一旦评估了HLC参数后，就要在稳定的实验室条件下进行加热等待搜索 (HWS) 测试。将该仪器放置在温度波动最小的循环通风橱中，在这些标准操作条件下没有检测到放热情况，这就表明HLC条款是合适的。一旦确认这一点，系统的环境条件就会通过显着增加系统上的气流来调整，从而增加系统的热损失。这将导致Phi-TEC I外壁温度的波动，这模拟了用户在典型实验室中可能遇到的变化类型。例如在工作日结束时关闭空调，这将导致过早引入“跟踪”步骤。

然后在Phi-TEC I上安装隔热罩，以防止系统因环境变化而进入“跟踪”模式。这款护套专为Phi-TEC I设计，分为三个易于安装的部分。每个部分都可以通过Velcro条带固定到位，从而减少安装隔热罩所需的时间。

04 结果与讨论

所有结果都以图形方式显示在本节中。除非另有说明，否则每个图表都以实验时间作为x轴。样品温度（红色）、Phi-TEC设定点（蓝色）和外部Phi-TEC温度（紫色）绘制在左侧y轴上。环境温度（绿色）绘制在右侧y轴上。

将Phi-TEC I置于通风橱中，并在¼” SS 测试单元上运行校准以定义HLC参数。校准测试的条件如Figure 3所示，结果绘制在Figure 4中。

Figure 3 –校准测试参数

Figure 4 -使用5G甲苯校准¼” SS样品池

通过校准测试，评估了以下HLC参数：

表1：使用的HLC参数

有关这些HLC参数的使用以及用于计算“保护加热器提前”的公式的更多理解，请参阅Phi-TEC I “HLComp”手册。

这些HLC特性被用于以下测试。第一个测试没有对Phi-TEC I施加额外的冷却（Graph 1），而下一个测试在整个测试期间连续施加了额外的冷却（Graph 2）。

Graph 1 – 没有额外冷却的HWS

Graph 2 –带额外冷却的HWS

这两个测试都是由Graph 3所示的HWS参数定义的。

Graph 3 – HWS测试参数

这些实验都没有导致系统进入“跟踪”模式，因此没有发生放热事件的错误检测。这表明，只要保持稳定的外部环境，Phi-TEC I就可以在冷却或非冷却条件下运行。

在接下来的测试中，应用于Phi-TEC I的冷却效果打开一小时，然后关闭一小时。在大部分测试中每小时循环一次，结果如Graph 4所示。主动冷却的效果可以在环境温度（绿色）轻微波动和外部Phi-TEC温度（紫色）明显波动中看到。由于外部环境的变化，Phi-TEC I在450分钟时进入了“跟踪”状态。

Graph 4 – HWS循环附加冷却

如Graph 5所示。结果表明，由于环境条件的变化，外部Phi-TEC温度仍然稳定，这意味着热损失不一致。因此，保护加热器过度补偿，这会增加样品温度（红色）——导致错误检测到放热情况。由于Phi-TEC I不必要地停留在绝热“跟踪”模式，这将不必要地延长实验持续时间并可能导致错误结论。这凸显了将没有保温的Phi-TEC I置于热稳定环境中的必要性。

Graph 5 –环境条件变化导致放热情况的错误检测

为了减少环境温度波动的影响，隔热罩安装在同一台Phi-TEC I上。使用与Figure 1所示相同的参数进行另一次校准运行。这证实了不需要对HLC参数进行任何更改。

为了证明这一点，使用Graph 5中列出的参数完成了另一个HWS测试。结果如Graph 6所示，此结果显示Phi-TEC I没有进入“跟踪”模式。这是意料之中的，因为考虑到恒定的环境条件，在测试期间没有使用主动冷却。

Graph 6 –没有额外冷却的HWS – 已安装隔热罩

最后的测试是对Phi-TEC I进行波动冷却，同时安装隔热罩。结果显示在Graph 7中，环境温度（绿色）与Graph 4非常相似，表明在测试期间主动冷却正在循环。然而，外部Phi-TEC温度（紫色）没有波动，而是跟随样品温度，如在其他测试中所见。

Graph 7 – HWS循环附加冷却 – 已安装隔热罩

从结果中可以清楚地看出，系统在任何时候都没有进入“跟踪”模式，即使检测阈值设置为低至 0.02 ℃/min。这是可以理解的，因为该单元被有效地保温。这种隔热罩使系统能够在温度波动适中的环境使用，而无需占用额外的工作台空间。

表2：实验数据

05 结论

本研究的目的是证明波动的环境因素会导致Phi-TEC I错误地启动“跟踪”步骤。不利的环境条件是通过频繁的循环对系统进行适度的主动冷却来实现的。这种冷却与在实验室中可能出现的情况一致。这项研究还旨在表明这些影响可以通过隔热罩来减轻。

在这些实验中还需注意到，系统可以保留 ¼” SS样品池此前的HLC参数。根据该数据，对于给定的样品池，在使用隔热罩时无需重新校准设备。

在这些研究中，使用隔热罩显着降低了外部温度波动的影响。在安装隔热罩后，Phi-TEC从未进行自放热的“跟踪”。因此，在这些实验条件下，隔热罩消除了假放热现象。

因此，我们建议在将Phi-TEC I系统放置在热不稳定环境中的情况下使用隔热罩，以保证数据的可靠性。

END

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