1. Verwendung der Handschuhbox
Eine Handschuhbox ist eine allgemeine Arbeitsplattform, die eine Inertgasumgebung mit sehr hoher Reinheit bietet. Die Inertgaskonzentration in dieser Arbeitsplattform kann ein sehr hohes Niveau erreichen, sodass in der Handschuhbox Forschungsarbeiten, Prozesse oder Experimente mit Materialien durchgeführt werden können, die sehr empfindlich gegenüber Wasser oder Sauerstoff sind.
Handschuhkästen finden zunehmend Anwendung in wissenschaftlichen Experimenten, der Forschung und Entwicklung neuer Werkstoffe, der Biomedizin, der Chemie, bei Lithiumbatterien, Solarzellen, Kernmaterialien und in der Nuklearindustrie sowie in den Bereichen neue Beleuchtungstechnologien, Spezialschweißen, Vakuumbeschichtung und anderen Branchen und Fachgebieten. Als universelle Plattform bietet der Handschuhkasten die erforderlichen Arbeitsbedingungen für Experimente oder Produktionsprozesse, die unter hochreinen Inertgasbedingungen, bei geringem Wasser- und Sauerstoffgehalt oder in staubfreien und sterilen Umgebungen durchgeführt werden müssen.
2. Einsatz eines Spurenfeuchtigkeitsanalysators in der Lithiumindustrie im Handschuhkasten
1. Bei der Lithiumproduktion entsteht während des Einfüllvorgangs des Elektrolyten – der LiPF₆ enthält – bei Kontakt mit Feuchtigkeit Fluorwasserstoffgas (HF). Dieses korrosive Gas führt zu Korrosion am Sensor des Spurenfeuchtigkeitsanalysators und zu Abweichungen in der Messgenauigkeit, wodurch die Lebensdauer des Spurenfeuchtigkeitsanalysators erheblich verkürzt wird;
2. Bei der Lithiumproduktion hängt der Feuchtigkeitsgehalt im Handschuhkasten von verschiedenen Faktoren ab: vom ordnungsgemäßen Betrieb der Trocknungsanlagen, von der Menge und Häufigkeit der Materialbe- und -entnahme im Handschuhkasten usw. Da die Reaktionsgeschwindigkeit einiger Spurenfeuchtigkeitsanalysatoren nicht hoch genug ist, führt dies zu erheblichen Schwierigkeiten beim Qualitätsmanagement.
3. Die Einbaulage des Spurenfeuchtigkeitsmessgeräts im Handschuhkasten ist von großer Bedeutung, da bei der Herstellung von Lithium-Batterien korrosive Gase entstehen, die sich unmittelbar auf die Lebensdauer und die Genauigkeit des Taupunktmessgeräts auswirken.
3. Derzeit auf dem Markt gebräuchliche Spurenfeuchtigkeitsanalysatoren und deren Funktionsprinzip
3.1. Indirekte Messung mit einem Taupunktmessgerät
Bei der sogenannten indirekten Messung misst das Taupunktmessgerät die Taupunkttemperatur des Probengases und rechnet diese mithilfe einer Formel in die Wasserkonzentration (PPM) um. Der Unterschied zwischen der Taupunktmessung und der direkten Messung besteht darin, dass bei der Taupunktmessung – bei der die Temperatur der Luft bei Erreichen der Sättigungsfeuchte gemessen wird – eine Formel oder ein Tabellenabgleich erforderlich ist, um die Volumenkonzentration der Feuchtigkeit zu ermitteln, während bei der direkten Messung die Volumenkonzentration der Feuchtigkeit direkt ermittelt wird.
3.1.1 Das Prinzip des Kalt-Spiegels: Hohe Messgenauigkeit, stabiler Betrieb und direkte Ablesung der Taupunkttemperatur, lange Lebensdauer, jedoch hoher Preis, strenge Anforderungen an Wartung und Nutzung; der Spiegel ist zudem empfindlich gegenüber Öl, Staub und anderen Verunreinigungen, und die Reaktionszeit ist relativ lang. Wird in der Regel als Referenzgerät in Messabteilungen eingesetzt, ist nicht beständig gegen Korrosion durch Fluorwasserstoff bzw. Flusssäure und eignet sich nicht für den Einsatz in Handschuhkästen der Lithiumindustrie.
3.1.2 Kapazitätsprinzip (z. B. Vaisala, Michell, GE, MZD): niedrige Anschaffungskosten, hohe Betriebs- und Wartungskosten.
1) Metalloxid-Aluminiumoxid-Prinzip: Aufgrund der mangelnden Korrosionsbeständigkeit von kapazitiven, feuchtigkeitsempfindlichen Bauteilen aus Aluminiumoxid und der hohen Anforderungen an die Umgebungsbedingungen sind diese nicht für Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit geeignet oder dürfen solchen nicht ausgesetzt werden; Da es zu fotoelektrischen Ausfällen und elektrostatischen Störungen kommen kann und feuchtigkeitsempfindliche Materialien auf Aluminiumoxid-Basis die „natürliche Alterung“ ihrer Oberflächenstruktur nicht überwinden können, ist die Impedanz instabil, was zu einer schlechten langfristigen Betriebsstabilität führt (alle 6 bis 12 Monate ist eine Kalibrierung erforderlich); hinzu kommen höhere Nutzungskosten (aufgrund der Notwendigkeit häufiger Kalibrierungen), ein hoher Wartungsaufwand für das Personal, eine langsame Messreaktionsgeschwindigkeit und lange Reaktionszeiten; außerdem ist der Sensor nicht beständig gegen Korrosion durch Fluorwasserstoff/Flusssäure und eignet sich nicht für den langfristigen Einsatz in Gloveboxen der Lithiumindustrie.
2) Funktionsprinzip von Polymerfolienkondensatoren: Polymerfolienkondensatoren können problemlos in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit eingesetzt werden; selbst in Umgebungen mit Kondenswasserbildung wird der Sensor nicht beschädigt. Sie zeichnen sich durch eine hohe Langzeitstabilität aus und haben einen Kalibrierungszyklus von bis zu zwei Jahren, weisen jedoch keine Korrosionsbeständigkeit auf. Die Polymerfolie nutzt sich zudem mit der Zeit ab und muss zur Neubeschichtung oder zum Austausch durch neue Sensoren an den Hersteller zurückgeschickt werden, was weniger zeitkritisch, aber relativ kostspielig ist; darüber hinaus ist der Sensor nicht beständig gegen die Korrosion durch Fluorwasserstoff/Flusssäure und eignet sich nicht für den Langzeiteinsatz im Handschuhkasten der Lithiumindustrie.
3.2. Direkte Messung von Spurenfeuchtigkeit im ppm-Bereich mittels P2O5-Elektrolyse (e.g. MZD, Mbraun).
Hohe Messgenauigkeit, stabiler Betrieb, lange Lebensdauer, moderater Preis und geringe Wartungskosten. Mbraun ist mit einem Keramiksensor ausgestattet. MZD kann zudem einen verbesserten Keramiksensor liefern, der gegen Korrosion durch Fluorwasserstoff und Flusssäure beständig ist, geringe Betriebskosten aufweist und nur geringe Wartungskosten verursacht (keine Kalibrierung erforderlich, regelmäßige Verwendung von 40-prozentiger Phosphorsäure zur Regenerierung der Sondenbeschichtung).