关于残留水分的一切
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简介
残留水分表征对于电池、燃料电池、有机光伏等电化学应用中的器件和电池性能至关重要。油墨、浆料和涂料通常是水基或溶剂基物质，含有各种颗粒和分子化合物。其材料成分在沉积和干燥过程中不断变化。水分含量参数通过应用烘箱或熔炉的热处理过程（如干燥、烧结或回火）进行控制。在制造过程中，需要对残留水分、水或溶剂含量进行测量和控制。如果残留水分含量过低，功能层会变得多孔并从基材上剥离。如果含水量过高，则无法维持所施加的层结构，尤其是在搬运和可能的卷绕过程中。最后，需要确定残留水分的最佳值，以便进行后处理、电池组装并获得最佳电化学性能。这种优化是通过残留水分监测系统实现的。
湿涂层成分
湿涂层可能由多种成分组成，这些成分具有一系列影响高频电磁场响应的特性。三个关键特性是：
- 导电元素（石墨/碳、金属，例如铂）
- 介电元素（水、溶剂、聚合物）
- （铁）磁导率元素（钴、铁、镍）
高频测试
成分会影响湿膜和涂层对电场和磁场的响应。SURAGUS 使用特殊的高频涡流技术，利用其电阻率、介电常数或磁导率来表征湿涂层，从而推导出膜层属性，如残留水分或湿涂层厚度。根据水、溶剂、催化剂和基体材料（如碳）的比例，高频涡流技术能够提供可重复且可靠的信号，用于解释残留水分。这种测试方法的优点包括：
- 非接触式和实时性
- 适用于工业生产的高速测量
- 高重复性和高精度
应用领域
用于电化学装置（如电极层）的湿涂层通过施加涡流力诱导一定的电磁场。应用包括：
- 气体扩散层
- 气体扩散电极
- 催化剂涂层膜
- 催化剂表征
- 贴花转移
- 电极沉积
用户应用水分表征的原因包括：
- 过程控制，使水分保持在材料或工艺规范内
- 快速检测湿点、湿条纹和湿边
- 防止涂层从基材上剥离
- 干燥基础设施的高效能源利用
- 防止过度干燥并优化能源成本
- 防止不必要的收缩损失
工艺包括：
- 狭缝挤压涂布
- 喷涂涂布
- 帘式涂布
基材包括：
- 无纺布
- 塑料薄膜
- 纸张
- 吸湿粉末
- 纤维
- 天然材料和其他非导电产品
定义与单位
传统上，湿沉积膜或浆料的残留水分可以通过使用天平来确定。单位由干燥层与湿层的比例得出，以百分比 (%) 表示。
- 化学工业，例如用于颗粒和粉末材料的表征
- 冶金工业，例如无损质量控制
- 微波吸收材料，例如通过修改本征材料参数来增加磁导率
- 微波和射频电子
- III-V 族半导体
- 光子器件，例如波导光调制器
方法
热重分析
简介
热重分析 (TGA) 是一种在温度循环内随时间测定样品质量的热方法。能量源可以是电阻加热元件或卤素红外灯。
局限性
- 耗时可达数小时
- 仅允许分批离线表征
卡尔·费休滴定法
简介
卡尔·费休滴定法 (KF) 是一种用于测定油墨、膏体和浆料中含水量的库仑法或容量法。通过氧化 SiO2 和 I2 可以测定 H2O 的含量。一摩尔当量的水恰好与一摩尔当量的碘反应。只要水含量不超标，碘就会被添加到样品中。滴定的终点通过电位法确定。除了在线表征技术外，KF 方法还可用于校准。
局限性
- 仅适用于水基浆料
- 方法耗时可达数分钟
- 仅允许分批离线表征
X 射线荧光光谱法
简介
X 射线荧光光谱法向材料发射高能伽马射线。因此，该材料会发出特征荧光光谱。通过这种方式，材料暴露在短波 X 射线下，其原子被电离。通过电离，一个或多个电子将从其内层轨道射出。来自高层轨道的电子将落入低层轨道。释放的能量将以光子的形式呈现。光子能量是该特定原子和材料的特征。
局限性
- 仅限于原子序数大于 4 的元素，例如从硼开始
红外技术 (IR)
简介
近红外 (NIR) 光谱通过测量泛频和合频来测量红外范围内的分子振动。分子层面的能量吸收相当低。780 至 2,500 nm 之间的光与样品相互作用，并测量其吸光度和透射率。因此，NIR 在水分测量方面已得到广泛应用。
局限性
- 在碳基材料中具有高吸光度
超声波技术
简介
超声波表征使用换能器探头向样品发送超声波信号。超声波振动穿过特定的涂层，直到撞击到具有不同机械性能的材料。因此，换能器探头单元接收到的信号会因该材料界面而发生变化。
局限性
- 表征方法需要接触模式
