使用熔剂和铂坩埚制备用于XRF的样品

摘要

本发明涉及使用熔剂和铂坩埚制备用于XRF的样品。具体地，提供了使用熔剂和铂坩埚制备用于XRF的样品的方法，包括将熔剂形成为独立式的坩埚内衬。这可以通过以下过程实现：将硼酸锂颗粒与液体混合以形成糊状物；将硼酸锂糊状物置于模具的内表面上；和在干燥后从模具中干燥移出并烧制硼酸锂糊状物以将硼酸锂干燥以形成独立式的坩埚内衬。可将该内衬置于铂坩埚内，并随后将样品置于内衬中。将坩埚的温度提高至足以在达到高于使坩埚内衬熔融并将样品溶解于熔剂中的熔剂熔化温度前发生任何的氧化反应的温度。随后可将坩埚冷却并对样品进行XRF测量。

说明书

发明领域

本发明涉及硼酸锂坩埚内衬以及制备硼酸锂坩埚内衬的方法和使用硼酸锂坩埚内衬的方法。

发明背景

为了进行X射线荧光(XRF)测量，需要制备样品。可以将样品磨成粉末并置于具有熔剂的铂坩埚或金坩埚内。加热坩埚至一定温度，在该温度下熔剂为液体并且样品溶解在熔剂中。随后冷却熔体，在坩埚内部上留下玻璃质“珠子”，或铸造盘状物，其具有以固溶体的形式分散在沉积物中的样品元素。随后可以对该沉积物或珠子进行XRF测量。

然而，对于一些高反应性的材料，可出现问题。特别是在样品为高反应性的情况下，样品可经历与氧的高放热反应过程，导致对铂坩埚的损害。

为了处理这个问题，Rutherford提出了一套流程。将熔剂材料置于没有样品的铂坩埚中，并且在炉中加热至高于熔剂熔化的温度。随后将坩埚从炉子里移出并绕轴旋转以通过环境空气冷却足够的时间，从而在坩埚中形成玻璃质熔剂表面。随后将样品添加到坩埚内部的玻璃质熔剂表面，并在炉中加热。

然而该流程既困难又危险，因为用手使在高于1000℃的温度下的非常热的坩埚在炉外旋转。因此，除了最有经验的科学家以外，该方法很少被使用。

因此存在着对于制备用于分析反应性材料的XRF样品的较安全且较容易的方法的需求。

CN102331364A教导了一种用于制备铝镁钙铁合金样品的熔化采样方法。首先制备了铂坩埚的四硼酸锂壁。AU2010249195教导了包括硼酸锂的X射线熔剂的组合物。

发明概述

根据本发明的第一个方面，提供了制造根据权利要求1的坩埚内衬的方法。

通过以这种方式制造独立式的熔剂坩埚内衬，改进的XRF样品制备成为可能。通常，简单地将熔剂与样品一起置于铂坩埚中。然而发明人意识到，可以将熔剂形成为保护性内衬，在将温度升高至使样品溶在熔剂中的熔剂熔化温度之前，该内衬可以用来保护铂坩埚免受损害。

特别地，该改进的XRF样品制备方法可以包括：

将硼酸锂内衬置于铂坩埚中；

将样品置于硼酸锂内衬中；

将坩埚中样品的温度提高至反应温度，并且氧化样品而基本上不与锂内衬反应；以及

将坩埚中的样品的温度提高至熔融温度，在该温度下硼酸锂内衬充当熔剂并将氧化的样品溶解。

以这种方式，锂坩埚内衬保护铂坩埚免受在反应温度下发生的任何反应。在反应完成后，可再次将温度提高至熔融温度以获得溶解在熔剂中的样品。

在制备了样品后，可以对样品进行XRF测量。

虽然已知多种不同的熔剂材料，但是实验建议特别有效的坩埚内衬可以由基本上纯的预熔融的四硼酸锂(Li₂B₄O₇)制得。

为了使得坩埚内衬是自支撑的，即为了在烧制步骤后保持其形状和厚度从而能够将其从模具中移出，颗粒尺寸应不要太大。因此，至少50％的硼酸锂颗粒具有小于100μm的尺寸。优选地，至少80％的硼酸盐颗粒具有小于100μm的尺寸。如果硼酸锂颗粒过大，那么可以研磨它们以提供合适的颗粒尺寸。

模具可以为两部分模具，其可以在烧制后分离以允许移出经烧制的坩埚内衬。因此，优选的实施方案使用具有至少两部分的模具。可替代的实施方案使用浆料或料浆的注射。

任何合适的材料可以用于模具，但特别的实施方案使用有机硅。

在优选的实施方案中，该方法进一步包括在烧制硼酸锂糊状物的步骤之前将模具内表面上的硼酸锂糊状物干燥的单独步骤。

干燥硼酸锂的步骤可以在70℃到200℃的温度下进行至少5小时，例如最高至20小时。该步骤可以过夜地进行。随后，在进一步的处理前，可以将熔剂内衬从模具中移出。发明人已经发现这种初始的干燥步骤导致熔剂内衬具有较好的结构。不希望受理论的约束，发明人认为水在后续处理阶段中的存在可引起问题，因为水沸腾而形成气泡。通过首先干燥硼酸锂，可以减少这些问题。

可以使用两阶段烧制工艺，其中烧制硼酸锂糊状物的步骤包括：

在第一温度下将炉中的硼酸锂灼烧第一时间段；和

提高炉中的温度至第二温度，持续第二时间段。

在特别的方法中，第一温度可以是400℃到600℃，第一时间段可以是从1到10分钟。

第二温度可以是600℃到750℃，第二时间段可以是从5到20分钟。

另一方面，本发明涉及具有杯状形式并由硼酸锂制得的坩埚内衬。

附图简要说明

现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是具有坩埚内衬形成于其内部的模具的示意图。

详细说明

现在将描述使用本发明的方法的具体实施例。

获取预熔融的四硼酸锂(Li₂B₄O₇)熔剂的商业样品。随后将其在磨机中研磨以获得使用筛分法测得的91％的颗粒小于100μm的颗粒尺寸分布。

将一刮铲勺的聚乙烯醇(PVA)与100ml反渗透(RO)水混合。

将7g研磨过的四硼酸锂熔剂在玛瑙研杵和研钵中与2mlPVA/水的混合物混合以形成糊状物。

两部分的有机硅模具有两个模具部分2、4。将糊状物6涂覆在模具的内面上至大致均匀的厚度。随后将四硼酸锂在105℃下在模具中干燥过夜。将熔剂内衬从模具中移出，并转移至马弗炉用于烧制：在500℃下灼烧5分钟，随后提高温度至700℃持续10分钟。

注意到在该阶段，温度没有达到熔剂的熔点，并且因而熔剂颗粒保持完整。然而，所使用的温度足以将存在的任何碳例如从PVA中烧掉。

在使用能承受所使用的烧制温度的模具的情况下，在第一/烧制步骤过程中熔剂内衬可以留在模具内。

将熔剂内衬冷却并移出，留下四硼酸锂熔剂的坩埚内衬。该内衬是自支撑和独立式的。作为所使用的工艺的结果，内衬具有比侧壁更厚的基底，这导致较大数量的熔剂在坩埚的基底处，其对于接下来的步骤中是需要的。

为了使用熔剂内衬，将该内衬置于铂坩埚内。将研磨过的样品置于内衬中。

随后将铂坩埚和内容物置于炉中并加热至足够高到引起样品氧化但熔剂内衬保持为固体的温度。样品剧烈地氧化。然而，由于受到熔剂内衬的保护，铂坩埚并没有受反应所损害。

在样品反应完成后，将温度提高直到略微高于熔剂液化的温度。由于四硼酸锂的熔化温度为920℃，因而至少920℃直到约1050℃或最高1100℃的温度范围是合适的。样品溶解在熔剂中。随后使温度下降，留下适于XRF测量的玻璃质残留物。

将玻璃质样品置于XRF装置中，并且获得元素组成。

该方法适合于宽范围的样品，包括地质环境材料及近似材料，陶瓷，矿物，工业矿物，矿石，建筑材料，有机物质，硫化物，金属，铁合金，碳化物，氮化物和其它材料。

将理解的是，上述方法仅仅是举例，并且替代物是已知的。

所使用的具体熔剂和粉末晶粒尺寸可以根据需要而改变。特别地，还可以使用偏硼酸锂(LiBO₂)，尽管实验发现这种物质提供的熔剂内衬的机械强度较低。

还可以使用混合物-所使用的熔剂还可以包括其它熔剂材料的添加，包括例如溴化锂。可以添加另外的材料以形成熔剂内衬的一部分。

可替代地，可以将另外的熔剂材料与样品一起添加在坩埚中的内衬内。因此，通过装上四硼酸锂坩埚内衬，可以简单地通过与样品一起添加另外的熔剂来在坩埚内提供可变百分比的另外的熔剂例如偏硼酸锂。例如，为了实现80％的四硼酸锂和20％的偏硼酸锂的熔剂，可以将四硼酸锂熔剂内衬质量的25％的偏硼酸锂质量置于坩埚中的熔剂内衬内部，从而在所得的熔体中20％的熔剂为偏硼酸锂。

在烧制步骤中使用的各种温度可以根据实验确定而合适地变化。

如果需要，可以使用不同的模具材料。

坩埚内衬可以用于除铂以外的其它材料的模具，如果对于任何应用使用这些。

上述的工艺使用两阶段烧制工艺。然而，可以仅使用在单一温度下的单一烧制步骤，该温度可以是在450℃到明显低于熔剂的熔化温度、并优选低于750℃的范围内。

在使用混合物作为熔剂时，熔剂的熔化温度可以不同于纯的四硼酸锂的熔化温度并且相应地可以使用不同的温度来熔化熔剂并将样品溶解于熔剂中以获得玻璃质样品。

虽然所制备的样品特别适用于XRF，但是如果需要它们也可以用于其它的应用中。