Вакуумный сушильный шкаф: принцип работы и применения

Зачем нужен вакуум при сушке

Принцип вакуумной сушки строится на физическом свойстве: при понижении давления температура кипения жидкостей резко падает. При атмосферном давлении 760 мм рт. ст. вода кипит при +100 °C. При разрежении до 50 мм рт. ст. она кипит уже при +38 °C. При вакууме −0,1 МПа (760→100 мм рт. ст.) — около +51 °C.

Это меняет всю экономику процесса сушки. Образцы, чувствительные к температуре, можно полностью высушить при +40–60 °C, не повреждая их структуру. То, что в обычном шкафу СШ требует +120 °C (и разрушает термочувствительные материалы), в вакуумном СШВ выполняется при щадящих температурах.

Физика процесса

Кроме снижения температуры кипения, вакуум даёт ещё два эффекта:

Удаление растворённых газов

В жидкостях растворены газы (азот, кислород, диоксид углерода). При вакууме эти газы выходят из растворов — образец освобождается от микропузырьков и растворённого воздуха. Это критично при дегазации эпоксидных смол, силиконов, лакокрасочных составов перед использованием.

Защита от окисления

В обычном шкафу при нагреве воздуха идёт окисление чувствительных к кислороду материалов: чернеют поверхности металлов, разлагаются органические соединения, теряют свойства катализаторы. В вакуумном шкафу содержание кислорода в 100–1000 раз меньше — окисление практически отсутствует.

Ускорение испарения

При пониженном давлении молекулы воды легче переходят в газовую фазу. Скорость сушки увеличивается даже при той же температуре. Например, образец, сохнущий 4 часа в обычном шкафу при +60 °C, в вакуумном шкафу при том же +60 °C высохнет за 1–2 часа.

Конструктивные особенности вакуумного шкафа

Вакуумный сушильный шкаф — это герметичная камера, рассчитанная на разрежение. Конструкция принципиально отличается от обычного СШ:

• Усиленная герметичная камера — из нержавеющей стали AISI 304 с двойными сварными швами. Должна выдерживать давление 1 атмосфера снаружи при вакууме внутри.
• Толстое смотровое окно — закалённое стекло толщиной 10–15 мм с уплотнениями. Через него видно образцы во время цикла.
• Двойное вакуумное уплотнение двери — обычно силиконовые или фторкаучуковые кольца, выдерживающие циклы вакуум-атмосфера.
• Вакуумметр — механический или электронный для контроля уровня разрежения.
• Клапаны — для напуска воздуха при выгрузке образца и для регулировки уровня вакуума.
• Многослойный обогрев — нагревательные элементы расположены на стенках или полках (теплопередача в вакууме идёт хуже, чем в воздухе, поэтому нагрев должен быть равномерным).
• Точный контроллер — температура в вакууме изменяется быстрее и резче, чем в воздухе, контроллер должен реагировать быстро.
• Подключение к вакуумному насосу — внешний насос, обычно мембранный или роторно-пластинчатый, заказывается отдельно.

Уровни вакуума и их применение

Глубина разрежения определяет круг возможных задач:

В шкафах серии СШВ Kadamm разрежение составляет до −0,1 МПа (то есть давление в камере — около 1 кПа против атмосферных 101 кПа). Это позволяет сушить образцы при температурах +40–50 °C, что критично для биологических материалов, лабильных субстанций и микроэлектронных компонентов.

Что сушат в вакуумных шкафах

Фармацевтическая отрасль

• Сушка лабильных активных фармацевтических субстанций (АФС)
• Удаление органических растворителей с лекарственных форм после кристаллизации
• Сушка термочувствительных порошков и гранулятов
• R&D-разработка новых лекарственных форм
• Сушка таблеточных масс перед прессованием

Биохимия и микробиология

• Сушка биологических препаратов (антибиотики, ферменты, белки)
• Лиофилизация в малых объёмах (как альтернатива специализированным лиофилизаторам для R&D)
• Удаление органических растворителей из проб ДНК и РНК
• Подготовка проб для масс-спектрометрии и хроматографии

Полупроводниковая промышленность

• Сушка пластин и компонентов после промывки в спиртах
• Удаление влаги из печатных плат перед пайкой
• Дегазация эпоксидных компаундов перед заливкой
• Сушка датчиков и сенсоров чувствительных к остаточной влаге

Композитные материалы

• Дегазация эпоксидных и фенольных смол
• Сушка катализаторов
• Обработка препрегов перед формованием
• Удаление влаги из углеродного волокна

Гигроскопичные материалы

• Сушка порошков, поглощающих влагу из воздуха
• Удаление влаги из активированного угля и силикагелей перед использованием
• Сушка солей цветных металлов
• Регенерация молекулярных сит

Модели в каталоге Kadamm

СШВ-С

СШВ-С

Вакуумный стандартный

Самая массовая подсерия СШВ (14 моделей). Разрежение до -0.1 МПа. Для термочувствительных материалов.

Смотреть модели

СШВ-П

СШВ-П

Вакуумный программируемый

Программируемое управление для воспроизводимых циклов сушки в вакууме.

Смотреть модели

В серии СШВ представлены модели в широком диапазоне объёмов:

• Малые (10–25 л) — для индивидуальной R&D-работы, фармацевтической разработки
• Средние (50–100 л) — для малосерийной работы лабораторий и опытного производства
• Большие (от 200 л) — для серийной работы фарм-предприятий, материаловедения, полупроводникового производства

Все модели поставляются без вакуумного насоса (заказывается отдельно). Производительность насоса зависит от объёма камеры:

• До 50 л — насос производительностью 4–6 м³/ч
• 50–150 л — 8–12 м³/ч
• От 200 л — 15–25 м³/ч

На что обратить внимание при выборе

• Объём камеры — должен быть больше реального размера образцов в 1,5–2 раза. Загрузка не более 60–70 % объёма.
• Уровень вакуума — для большинства задач достаточно −0,08 МПа. Полный вакуум −0,1 МПа нужен для самых термочувствительных образцов.
• Точность поддержания температуры — ±1 °C для стандартных задач, ±0,3–0,5 °C для аккредитованных лабораторий и фарм-производства GMP.
• Тип нагрева — нагрев через стенки (стандартный) или подогрев полок (для быстрой сушки тонких слоёв).
• Программируемое управление — для серийной работы с одинаковыми циклами нужно. Для разовых задач — базовое цифровое управление достаточно.
• Совместимость с насосом — шкаф и насос должны быть согласованы по производительности и типу соединений.