Обратная Анализ подход к характеризации химической транспорта в красках

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

В этой статье, процедура для количественного параметры массы перевозки химических веществ в различных материалах представлена. Этот процесс включает в себя применения в основе диффузионной модели обратного анализа в пар профилей выбросов, записанные в режиме реального времени, масс-спектрометрии в высоком вакууме.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Willis, M. P., Stevenson, S. M., Pearl, T. P., Mantooth, B. A. An Inverse Analysis Approach to the Characterization of Chemical Transport in Paints. J. Vis. Exp. (90), e51825, doi:10.3791/51825 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Возможность напрямую характеризуют химического транспорта и взаимодействия, которые происходят в материале (т.е., подземные динамика) является жизненно важным компонентом в понимании загрязнений массоперенос и способность обеззараживания материалов. Если материал загрязнен, в течение долгого времени, транспортный высокотоксичных химических веществ (например, видов химических ОВ) из материала может привести к воздействию паров или передавать на кожу, что может привести к чрескожного контакта с персоналом, которые взаимодействуют с Материал. В связи с высокой токсичностью химических отравляющих веществ, освобождение следовых химических величин представляет значительный интерес. Отображение подземные распределительные концентрация и транспортные характеристики поглощенных агентов позволяет опасности воздействия должны быть оценены в непроверенных условиях. Кроме того, эти инструменты могут быть использованы для характеристики динамики подземных реакции в конечном счете разработать улучшенные средства дегазации или процедуры дезактивации. То достижения этой цели, обратную массу анализ транспортной подход моделирования была разработана, который использует времяразрешенные измерения масс-спектроскопии эмиссии паров из загрязненных лакокрасочных покрытий как входного параметра для расчета концентрационных профилей подземных. Подробная информация представлена ​​на пробоподготовки, включая примеси и обработки материалов, применения масс-спектрометрии для измерения излучаемой загрязняющих паров и реализации обратного анализа с использованием физики на основе диффузии модель для определения транспортных свойств живых боевых отравляющих веществ включая дистиллированную горчица (HD) и нервно-паралитических VX.

Introduction

Механизмы масса транспортные, связанные с загрязнением материалов по отравляющих веществ приводятся в различных свернутых процессов, включая физических переходов состояний, химических взаимодействий между мобильными видов и материалов интерфейсов. Разработать эффективные технологии обеззараживания, оптимизированные процедуры дезактивации и прогнозирующих моделей, жизненно важно, чтобы процесс загрязнения хорошо понимают, в том числе перенос загрязняющих веществ в материалах через поглощения и последующего химического выброса обратно в окружающую среду. Следовательно, крайне важно, чтобы подходы разрабатываются, которые могут оценить профили концентрации подземных для загрязняющих-материал пар в зависимости от условий окружающей среды. Континуум-шкала, основанная на физике модель была разработана для прогнозирования распределения концентрации поглощенного вещества в загрязненной подложки. Экспериментально полученные параметры массовые транспортные возможность предсказывать тон паров излучение загрязненного материала сообщению обеззараживания. Способность прогнозировать распределение концентрации в материале может облегчить оценку потенциальных опасностей пара и, в свою очередь, позволит точные диагнозы токсикологической опасности 1. Такой подход позволяет для оценки загрязнения-материал парных конкретных параметров масса транспортных, таких как диффузии и насыщения концентрации, что, в свою очередь разрешение моделирования для других сценариев и условий. В этом исследовании мы рассматривали загрязнения жидкой фазы платежеспособных-дисперсионные, полиуретановых покрытий с боевых отравляющих веществ бис (2-хлорэтил) сульфида (дистиллированной горчицей, кожно-нарывного действия HD) и O -этил S - [2- (диизопропиламино) этил] methylphosphonothioate (VX), фосфорорганическими ОВ нервно-паралитического.

Разработанная методология характеризует профили газа десорбции из загрязненных материалов, в том числе боевых отравляющих веществ, таких как HD и VX, безмногие ограничения, которые препятствуют другие подходы 2,3. Временным разрешением измерения масс-спектрометрии загрязнений эволюции от загрязненных субстратов позволяют диффузным транспортной модели с обратного анализа для расчета параметров массовых перевозок для загрязняющего вещества в материале, в том числе поглощенной профиля концентрации для загрязняющего вещества, начиная от исходного события проникающей. С созданием в прогнозных возможностях для разграничения концентрационные профили примесей в материалах в зависимости от условий окружающей среды приходит способность оценивать токсикологические опасности и в конечном итоге разработать маршруты для действенной очистки.

В данной работе, детали, связанные с пробоподготовки представлены, в том числе работы с химических ОВ загрязнений, а также экспериментальной сбора данных от загрязненных материалов и последующего моделирования 4. Экспериментальные опыты были проведены как по алфавиту с началаribed в химический загрязнитель и источника дезинфицирующего документа 5 и будет обсуждаться в следующем разделе. Блок-схема для подготовки и анализа проб шагов в показана на рисунке 1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Состояние Paint Подложки в нужное окружающей среды

  1. Предустановленные на окружающую камеру для кондиционирования подложки до установленной температуры и относительной влажности воздуха (20 ° C, 50%). Убедитесь, что условия подложки последовательно поддерживается, так как оба температура и содержание воды может значительно повлиять на уровень поглощения в материалах.
  2. Пальто толщиной 0,32 см, радиус 5,08 см диски из нержавеющей стали с площадью поверхности 20,25 см 2 со слоем краски (алифатический системы покрытия полиуретан MIL-DTL-53039, растворитель диспергируемые (SD) 6) при общей толщине покрытия ( грунтовка и верхний слой) из примерно 100 мкм. Поместите подложки (с желаемым числом повторов) на лотки из нержавеющей стали с контролируемой поверхности подвергаются воздействию химического агента вверх.
  3. Покройте субстратов с чашки Петри. Поместите подносы, содержащие тестовые субстраты в климатической камере в течение по крайней мере 60 мильN, но в идеале O / N, если это возможно.

2 Загрязнение выдержано подложках

  1. Дон индивидуальной защиты, такие как халате, защитных очков и перчаток.
  2. ВНИМАНИЕ: Получить химические загрязняющие вещества из холодного хранения и позволяют первичной флакон контейнер для уравновешивания до комнатной температуры. Химические вещества, используемые в настоящем Протоколе Химическое вещество Стандартный аналитический Справочные материалы (CASARM, 98,0% чистоты) класса HD и CASARM (89,0% высокой чистоты) класса VX (как жидкая фаза). Получить информацию чистоты из либо ядерный магнитный резонанс или газовой хроматографии / масс-спектроскопия анализ и поддерживать на файл.
    ПРИМЕЧАНИЕ: ВНИМАНИЕ: Обработка боевых отравляющих веществ должны выполняться только квалифицированным персоналом в утвержденном объекте использования применимых безопасности, безопасности и поручительства меры предосторожности.
  3. ВНИМАНИЕ: Установить приспособление доставки агент с кончика пипетки и настроить инструмент для доставки капельку агента (например, 1 мкл). Открыватьзагрязнителем флакон, и поместите крышку на поверхности капота, темы вверх. Возьмите пипетку, и медленно опустите наконечник в загрязнений решения. Установить инструмент доставки агент с агентом в соответствии с инструкциями изготовителя. Аккуратно поместите загруженный пипетки на рабочей поверхности капота, и, обобщая загрязнений флакон.
  4. ВНИМАНИЕ: загрязнять тест субстраты.
    1. Снимите лотки, содержащие тестовые субстраты из климатической камере.
    2. Снимите чашки Петри из тестовых субстратов, и установить на поверхности капота. Цифровая сфотографировать каждый испытуемой основы для записи внешнего вида каждой подложки до заражения.
    3. Сбор загруженного пипетки и поставить одну каплю (например, 1 мкл) агента на первой тестовой подложке. Накройте загрязненный материал с полистирольной чашки Петри, чтобы минимизировать испарению, а загрязняющие дополнительные субстраты. Повторите для каждой подложки; перезагрузите пипетки (SТЭП 2,3), если необходимо.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Соберите образцы подтверждения пипетки до и после дозирования подложек для анализа с помощью хроматографии, чтобы подтвердить загрязнений доставку массы.
    4. Снимите чашки Петри из тестовых субстратов и установить на поверхности капота. Цифровая фотография каждого контрольного субстрат для записи начальных загрязнителем-материальных взаимодействий.
    5. Обложка тестовые субстраты с чашки Петри.
    6. Поместите лоток субстратов обратно в климатическую камеру.

3 загрязнителями материал Взаимодействие Старение Период

  1. До старения образцов, вентиляционные из нержавеющей стали высокого вакуума экспериментальную камеру, чтобы подготовить его к использованию в разделе 4.
  2. Разрешить загрязненных субстратов в возрасте окружающей среды в камере в течение определенного времени, которое может изменяться на основе динамики химической материалом и окружающей средой (например, 60 мин).
  3. Удалить субстраты из EnvironmСИХИЧЕСКОЕ камера и место на рабочей поверхности капота. Снимите чашки Петри из тестовых субстратов и цифровой сфотографировать каждый субстрат для записи после старения загрязняющих-материал взаимодействий.
  4. Дважды содержат тестовые образцы (например, несколько контейнеров герметичные) и передать в рабочую капюшон с высокой вакуумной камере.

Измерение Vapor выбросов палата 4 высокого вакуума

Высокая вакуумная камера представляет собой небольшой объем судно с накачкой от турбо молекулярный насос сопротивления и диафрагма форвакуума (Рисунок 2). Масс-спектрометра установлен на порт, что обращено к контролируемой температурой подложкодержатель и используется для измерения эволюцию в режиме реального времени газа из загрязненных субстратов в условиях глубокого вакуума. Полная информация о спецификациях камерных вакуумных и материалов включаются в работе 4.

  1. Убедитесь, что камера вентилируется.
  2. ВНИМАНИЕ: Распаковать образцы, приготовленные в разделе 3, и удалить чашки Петри из тестовых субстратов. Поместите один тест субстрата в каждой контролируемой температурой подложкодержателя используя пинцет из нержавеющей стали.
  3. Печать в вакуумную камеру и начать последовательность откачивания. Выполните этот шаг таким образом, что камера является вакуумная упаковка в указанное время возрастной (например, 60 мин) по отношению к тому, когда подложка была загрязнена.
  4. Начало записи выбранных каналов массы осколка в виде функции времени (прямого измерения массового потока) определили с удельной массой на единицу значений заряда (м / з). Измерьте конкретных видов фон газа в дополнение к первичным фрагментов массовых от исследуемых молекул (VX: м / з = 114; HD: м / з = 109) в режиме реального времени в <0,25 Гц до загрязняющее парциальное давление не падает ниже пределов обнаружения масс-спектрометра (10 - 8 Па).
  5. Соберите кривые выбросов длядлительность выброса загрязняющих веществ от подложки.
  6. Остановить запись кривых выбросов с масс-спектрометра раз загрязняющее поток массы снизился до базовой давления в камере.
  7. Vent высокую вакуумную камеру к атмосферному давлению.

5 Последующая обработка по оценке общее оставшееся загрязнителя

  1. Откройте высокой вакуумная камера выбросов паров (HVVEC) инструмент и устраните подложку из камеры, используя пинцет из нержавеющей стали.
  2. Поместите подложку в банке экстракции стекла и добавляют 20 мл экстракционного растворителя в сосуд (например, изопропиловый спирт: VX хлороформ: HD). Закрывают банку и закружить в банку три раза. Оставьте подложку в экстракционного растворителя в течение 60 мин.
  3. Вихревой банку три раза, а затем снова Открывать банку. Используя чистую, одноразовые пипетки, стекло, передавать примерно от 1 до 2 мл экстракционного растворителя в аналитический флакона для анализа с помощью газа или жидкостихроматографии 7 для измерения загрязнений массу удерживаемого субстратов.

6 Анализ и моделирование данных

  1. Преобразование данных спектрометрии сырой массы (парциальное давление происходит от измеренного ионного тока) для массового потока от подложки. Используйте сочетание формуле Герца-Кнудсена для преобразования парциального давления обнаруженных видов газа в потоке паров падающего на детектор и включают в себя масштабный коэффициент, который учитывает загрязненной территории на подложке из исходного события загрязнения.
  2. Используйте обратные методы (например, Левенберга-Марквардта) для определения концентрации насыщения и диффузии постоянные значения (ключевых параметров массопереноса) для переноса загрязняющих веществ через лакокрасочного покрытия. Сравните поток экспериментально определенный паров к потоку прогнозируемого паров (аналитическое решение для второго закона Фика с соответствующими граничными условиями, применяемых (см уравнение 4 из ссылки 4)). Используйте параметры массы транспортных предсказать концентрационные профили для загрязнений-материал системы.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На верхней панели Рисунок 3 приведены примеры расчетного массового потока VX и HD от субстратов SD роспись на основе временным разрешением масс-спектрометрии для основных массовых фрагментов VX и HD (массы к заряду, м / з = 114 и 109, соответственно). Масс-спектрометра состоит из трех основных компонентов: ионизатора, масс-анализатора или фильтров, и детектора заряда. Виды газа ионизируют посредством ионизации электронным ударом (горячей нити типа источника электронов), и полученные ионы вводят в квадрупольного масс-фильтра на пути к достижению Фарадея или электронный умножитель детектор для измерения ионного тока (пропорциональна парциальному давлению газов, измеренных ). Для инструмента, используемого в этом методе, ионизатор был расположен в близко (<3,5 см), линия видимости близость к поверхности подложки, так что виды, вылетающие из загрязненной подложки (угол излучения достиг субстрат нормальный) были обнаружены преимущественно ипсевдо-мгновенно. Ионы, которые включают ионный ток на детекторе относятся к массовым фрагментов (м) с удельной ионизации состояния (г), что приводит в результате процесса ионизации электронным ударом посредством использования независимых масс-спектрометрии стандартов и баз данных (например, NIST Масс-спектры базы данных). Относительное содержание конкретных ионов, созданных в случае ударной ионизации электрона молекула конкретных, и большое внимание необходимо при назначении массовых спектральные характеристики особенно для больших молекулами, такими как VX и HD, которые редко подвергаются однократной ионизации или осколочными события. Перед проводились времяразрешенные эксперименты, полный масс-спектры для условий приготовления эквивалент субстрата были записаны для проверки наличия и относительное обилие конкретных м / г пиков для видов, внесенных в камере анализа. Эта проверка включала подтверждающие, что интенсивность ожидаемого главного массового фрагмента для тон анализируемого интерес не был свернут при участии других видов в системе. С временным разрешением измерения в последующих экспериментах затем записываются интенсивность специфических M / Z пиков в зависимости от времени, связанного с интерес аналитов.

Необработанные данные масс-спектрометрии находятся в виде парциальных давлений газов, измеренная при ионизатора спектрометра. Для этого исследования, частичные значения давления для первичного HD и VX фрагментов, используемых для потока вычислений на основе азота сечения ионизации стандарта с без коррекции для возможного молекулы конкретных эффективность фрагментации. Как указано в протоколе, Шаг 6,1, эти измерения парциального давления в детекторе сначала преобразуются в потока массы по формуле Герца-Кнудсена, что относится:

Уравнение 1 Equatioн 1

где N Det, я, падает поток молекул, P я, измеряется парциальное давление (Па), м является молекулярная масса видов (г / молекула), к постоянная Больцмана (Дж / К), а Т температура в камере (К). Затем, для того, чтобы определить поток от зараженной поверхности, N C, поток масса измеряется на детекторе, N Det, I, умножается на коэффициент области масс-спектрометр детектора (площадь поперечного сечения детекторного параллельно загрязненную поверхность) в области загрязнения на поверхности:

Уравнение 2 Уравнение 2

где Det является площадь детектора и с является загрязненный участок насубстрата. Данные, приведенные в верхней панели Рисунок 3 акцентом на режиме времени, связанного с диффузным массового транспорта для видов, происходящих из недр подложки. Измерения до масс-спектрометрии показал, что как VX, и HD капель не осталось сидячие на SD-краской с остаточного объема жидкости на подложке перед введением в вакууме; средний окончательное загрязненных область для VX и HD был 2,6 ± 0,1 и 5,9 ± 0,6 см 2, соответственно. В начале режима времени (<1000 сек) данные не включены в эти участки, которые частично под влиянием масс-спектрометрической уравновешивания для работы ионизатора при относительно высоких парциальных давлений, а также десорбции объеме жидкой примеси, захваченного или слабо связанными на поверхности субстрата. Полученные данные показывают, диффузионного ограниченной режим, который начинается с экспоненциальным уменьшением удельного массового потока и является источником данных, используемых для оценивания параметров diffuSive транспорт из недр загрязненного субстрата. Определение перехода в режимы было подтверждено путем измерения испарения VX и HD жидкости, нанесенной на боросиликатного стеклянных подложек (непроницаемый материал), которые продемонстрировали постоянную скорость испарения и для VX и HD до хранение жидкость не был исчерпан. Для целей иллюстрации различных взаимодействий, которые содержат сложную систему в исследовании, нижняя панель на рисунке 3 показаны фоновые сигналы, измеренные с незагрязненной краски подложки. Обратите внимание на немонотонную эволюцию во времени, а также совпадение особенностями через описаний видов. Как измерений записываются в условиях вакуума, любой из видов захваченных в лакокрасочной подложки способны диффундировать из покрытия. Это наблюдение иллюстрирует возможность, что скорость потока массы из подложки (пропорциональной парциального давления) может быть под влиянием относительного обилия крысе истощения других видов в покрытии, в том числе водных и лакокрасочных растворителей.

Оценка параметров проводили с использованием потока выбросов паров ограниченной диффузией. Рассчитанная нужным, что аналитическое решение второго закона диффузии Фика, позволяет для определения насыщенности и постоянной диффузии для конкретных загрязняющих-материал комбинаций 8. Пар выбросов, в том числе от величины потока массы, а также скорости изменения потока массы, из материала, приводится в действие загрязняющих распределения по отношению к материалу, а также параметров, связанных с транспортными примеси в материале 9- 11. Если распределение примеси, как известно, то поток загрязняющих веществ из материала может быть предсказано 1. В отличие от этого, если поток выбросов паров измеряется (по аналогии с экспериментальной процедурой, описанной в данном документе), распределение концентрации в подложке и TranspПараметры ОРТ может быть определена; техника, которая обычно называют обратного анализа 12,13. В этом эксперименте, выражение для паровой потока от подложки могут быть получены с помощью одномерных (1D) аналитического решения второго закона Фика для загрязнений профиля концентрации в конечной толщины покрытия, предполагая диффузионного массопереноса 4,13. Рисунок 4 иллюстрирует различные граничные условия, связанные с ограничивая аналитическое решение для молекулярной диффузии в конечной толщины поглощающих покрытий. Полные реквизиты расчета есть в разных местах 4, и результаты приведены в таблице 1.

Массовые параметры транспортных оценкам от измерений потока пара были реализованы предсказать загрязнений распределения концентрации и эволюции в рамках SD лакокрасочного покрытия. Этот результат включены представления поля концентрации над гоickness краски в начале диффузии примеси из лакокрасочного покрытия (после объемной жидкой испарения с поверхности). На верхней панели Рисунок 5 иллюстрирует результаты моделирования для пространственно-зависимой распределения концентрации HD или VX в SD лакокрасочного покрытия. Несмотря на то, что покрытие всасывается более высокую массу HD, как указано в большей концентрации насыщения, перечисленных в таблице 1, более локализован вблизи поверхности подложки по сравнению с VX. На нижней панели Фиг.5 иллюстрирует полученный поток паров загрязняющих веществ из краски, которые могут дать опасности для здоровья персонала в непосредственной близости от материала. Различия в транспортных явлений между HD и VX продемонстрировать, что межмолекулярные взаимодействия может изменить транспортировку поглощающих молекул через лакокрасочных систем для генерации различных дистрибутивов.

Рисунок 1 Подготовка основания и схема измерений, которая иллюстрирует шаги для предварительной, загрязняя, старения, и измерения последующее испускание агента из субстратов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2
Рисунок 2 Схема вакуумной камере высокой эмиссии паров. Подложки загружаются с контролируемой температурой держателем подложки, что обращено к квадрупольный масс-спектрометр. Камера имеет базовую давление (не загружена подложки) из <10 - 7 Па и перекачиваютна турбомолекулярным сопротивления насоса, который поддерживается мембранного форвакуума. Основания вводятся с вакуумная камера с вентиляцией, и измерения потока массы на масс-спектрометре начать, как только система закачивают <10 - 2 Па. Диаметр основания служит ориентиром шкалы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3 Топ: VX (синий) и HD (красный) рассчитывается поток из субстратов на основе экспериментального измерения эмиссии пара из загрязненных SD химических агентов субстратов покрытием. Парциальное давление (на основе ионного тока) измеряется на масс-спектрометре из главных фрагментов для данного анализируемого вещества (VX : М / з = 114; HD: м / з = 109) может быть непосредственно связано с оригинальной массового потока от подложки, предполагая линии прямой видимости обнаружение вещества в отходящих газах от материала. Данные приведены для массового транспорта режима ограниченной диффузией только тогда, когда основная часть, поверхность переплете загрязнителем жидкость десорбируемого Внизу:. Измерения парциального давления фон для видов газа, испускаемых незагрязненных краски подложки. С целью иллюстрации сложности рассматриваемой системы, полные времяразрешенные профили включены от начальной точки сбора данных (при общей давление в камере 10 упадет ниже - 2 Па, самый ранний момент, когда масс-спектрометр может записывать ). Ключ цвета иллюстрирует конкретные значения M / Z, которые соответствуют определенным обнаруженных видов.

нагрузка / 51825 / 51825fig4highres.jpg "ширина =" 500 "/>
Рисунок 4 Определение молекулярной 1D диффузионного поглощения определяется законом Фика, в том числе граничных условий Определение переменных:. С суб, концентрация примеси в подложке; С суб, Сб, концентрации насыщения; г, расстояние вдоль толщины поглощающего покрытия ; D югу, диффузии примеси в покрытии; т к югу, толщина лакокрасочного покрытия. Для модели, которая описывает измерение под вакуумом в течение эволюции загрязняющих веществ от подложки, модель предполагает, что при г = 0, будет интерфейс вакуумной покрытие, точка, в которой доминирует транспортные ограниченной диффузией. Форма аналитического решения закону Фика с этих граничных условий и его последующего использования с расчетами обратных анализа подробно описаны в refereсть 4.

Рисунок 5
Рисунок 5 Лучшие: Рассчитано профили концентрации от экспериментально определенной потока массы от краски субстратов для каждого агента в зависимости от глубины лакокрасочного покрытия с использованием обратного анализа. Профили отражают распределение в точке, где поток пара из зараженного материала приходят исключительно из недр и определяется диффузионного массопереноса. В целом, в данном случае, больше, HD масса поглощается и делает это в более тонкой части пленки краски по сравнению с VX. Эта разница отражается в расчетных концентраций насыщения и диффузии значений коэффициентов Bottom:. Рассчитано паров флюса профили на основе отправной точкой профилей концентрации в верхней части рисунка. Рассчитанная, зависит от времени поток пара соответствует ехрerimental Данные, приведенные на рисунке 3 в отношении прогнозирования относительной разности эволюции каждого агента. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Агент Коэффициент диффузии (м 2 / с) Насыщенность (г / м 3)
VX 9.91 ± 0.07 × 10 -14 5.32 ± 0.03 × 10 4
HD 2.11 ± 0.04 × 10 &# 8211; 14 1.17 ± 0.01 × 10 5

Таблица 1 Масса транспортные Результаты оценки параметров для VX и HD взаимодействуя с SD краской. Таблица адаптирована из ссылки 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Массовые транспортных параметров HD и VX в краске были определены с помощью цифровой обратной анализа паров данных о выбросах. С расчетных параметров, можно было затем производят зависящие от времени карты градиента концентрации загрязняющих веществ для распределения в лакокрасочного покрытия. Результаты анализа показали, что обратные растворимость HD в SD краски была выше, чем VX, но коэффициент диффузии была примерно 5x ниже. Полученные результаты свидетельствуют о том, что загрязнение HD был высококонцентрированный на поверхности покрытия, а в профиле загрязнение VX проник через SD лакокрасочного покрытия. Поэтому требования по дезактивации для SD краски могут варьироваться в зависимости от химического загрязнителя. Применение этого метода обеспечивает фундаментальную понимание загрязнений поглощения в материалах и, в итоге, интеллектуального инструмента для характеристики загрязнений сопротивление материалов.

Хотя работа представлена ​​часпрежде чем показал обещание, существует множество факторов, которые следует учитывать в системах, как эти, что внутренне содержат много запутанных взаимодействий. Чтобы распространить этот подход к еще более загрязнителем-материал систем для различных условий окружающей среды потребует постоянного оценку воздействий на измерения массы потока. Эти эффекты включают десорбцию нескольких видов из основной массы, кроме аналитов интерес как упомянуто на рисунке 3, которые могут или не могут изменить массовое динамики транспортных относительно других условий окружающей среды. Например, среда измерений вакуум может привести к изменению поглощенной составу и содержанию (например, вода и другие органические растворители, связанные с краской) по сравнению с условиями окружающей среды давления, что может в свою очередь, изменяет загрязнений профиль эволюции.

Применение методики к весьма стойких химических систем, требующих высокой динамический диапазон для частичного pressuRe измерения может потребовать оценку чувствительности прибора в отношении взаимосвязи между давлением в камере и измеренного ионного тока. И наоборот, применение техники к высокой волатильности или реактивных химических веществ может потребовать тщательного изучения времени между эвакуации камеры и сбора данных (шаги 4,3 и 4,4), чтобы обеспечить жизнеспособные данные потока массы.

Наконец, могут быть и другие механизмы 14-16, которые регулируют перенос массы, такие как пористый транспорта и взаимной диффузии или необходимостью учета для многослойной природы лакокрасочных покрытий, таких как грунтовки и верхних слоев покрытия. Все эти возможные влияния в отношении характеризующие переноса загрязняющих веществ в настоящее время часть текущих исследований.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgments

Авторы благодарят доктора Wes Gordon (ECBC) за поддержку в конструкции прибора. Эта работа представляет совокупные результаты двух научно-исследовательских программ, финансируемых Эрик Левенштейн и Майкл Робертс (обороны Агентство по уменьшению угрозы) по программе CA08MSB317. В технических отчетов, приведенные здесь, могут быть получены в http://www.dtic.mil .

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Stainless Steel Tray McMaster Carr 4189T1 13-5/8" L x 9-3/4" W, http://www.mcmaster.com/#stainless-steel-trays/=p8dcgp
MIL-DTL-53039 solvent-dispersible aliphatic polyurethane coating system Substrates supplied by internal source
Environmental Chamber Custom Design. Full details on vacuum chamber specifications and materials included in reference 4.
bis(2-chloroethyl) sulfide CASARM TOXIC
O-ethyl S-[2-(diisopropylamino)ethyl] methylphosphonothioate CASARM TOXIC
Pipetter Fisher Scientific 22260201 Range of 1.0 µl to 10 ml
Pipetter Tips Fisher Scientific 13-683-709 0.1 ml Volume
Stainless Steel High Vacuum Experimental Chamber Custom Design
Quadrupole Mass Spectrometer ExTorr RGA300
Stainless Steel Tweezers McMaster Carr 5516A15 Any stainless steel tweezers are appropriate.
Glass Extraction Jar Scientific Specialties 170808 Jar fits a ~5 cm diameter substrate. Different glass jars with teflon lined lids are appropriate for different sized substrates.
Chloroform Sigma-Aldrich 650498 HARMFUL. The extraction solvent for HD may change depending on the analytical method.
Isopropanol Sigma-Aldrich 650447 HARMFUL. The extraction solvent for VX may change depending on the analytical method.
Pasteur Pipette VWR 14673-010 size = 5 3/4"

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Willis, M. P., Mantooth, B. A., Lalain, T. Novel Methodology for the Estimation of Chemical Warfare Agent Mass Transport Dynamics, Part II: Absorption. J. Phys. Chem. C. 116, 546-554 (2011).
  2. Felder, R. M. Estimation of Gas Transport-Coefficients from Differential Permeation, Integral Permeation, and Sorption Rate Data. J. Membr. Sci. 3, 15-27 (1978).
  3. Taviera, P., Mendes, A., Costa, C. On the Determination of Diffusivity and Sorption Coefficients Using Different Time-lag Models. J. Membr. Sci. 221, 123-133 (2003).
  4. Willis, M. P., Gordon, W. O., Lalain, T. A., Mantooth, B. A. Characterization of Chemical Agent Transport in Paints. J. Hazard Mater. 260, 907-913 (2013).
  5. Lalain, T., Mantooth, B., Shue, M., Pusey, S., Wylie, D. The Chemical Contaminant and Decontaminant Test Methodology Source Document. Second Edition. Report No. ECBC-TR-980. U.S. Army Edgewood Chemical Biological Center. Aberdeen Proving Ground, MD. (2011).
  6. MIL-DTL-53039B: Coating Aliphatic Polyurethane, Single Component, Chemical Agent Resistant. U.S. Army Research Laboratory, Weapons and Materials Research Directorate, Materials Applications Branch, Specifications and Standards Office. Aberdeen Proving Ground, MD. (2005).
  7. Shue, M., et al. Low-Level Analytical Methodology Updates to Support Decontaminant Performance Evaluations. Report No. ECBC-TR-883. Aberdeen Proving Ground, MD. U.S. Army Edgewood Chemical Biological Center. (2011).
  8. Schwope, A. D., Klein, J. M., Sidman, K. R., Reid, R. C. Sorption-Desorption Phenomena of Chemicals from Polymer (Paint) Films. J. Hazard. Mater. 13, 353-367 (1986).
  9. Li, F., Niu, J. Control of Volatile Organic Compounds Indoors - Development of an Integrated Mass-Transfer-Based Model and Its Application. Atmos. Environ. 41, 2344-2354 (2007).
  10. Li, F., Niu, J., Zhang, L. A Physically-Based Model for Prediction of VOCs Emissions from Paint Applied to an Absorptive Substrate. Build. Environ. 41, 1317-1325 (2006).
  11. Li, F., Niu, J. L. Simultaneous Estimation of VOCs Diffusion and Partition Coefficients in Building Materials via Inverse Analysis. Build. Environ. 40, 1366-1374 (2005).
  12. Li, F., Niu, J. L. An Inverse Technique to Determine Volatile Organic Compounds Diffusion and Partition Coefficients in Dry Building Material. Heat and Mass Transfer. 41, 834-842 (2005).
  13. Li, F., Niu, J. L. An Inverse Approach for Estimating the Initial Distribution of Volatile Organic Compounds in Dry Building Material. Atmos. Environ. 39, 1447-1455 (2005).
  14. Vesely, D. Diffusion of Liquids in Polymers. Int. Mater. Rev. 53, 299-315 (2008).
  15. Goossens, E. L. J., van der Zanden, A. J. J., Wijen, H. L. M., van der Spoel, W. H. The Measurement of the Diffusion Coefficient of Water in Paints and Polymers from Their Swelling by Using an Interferometric Technique. Prog. Org. Coat. 48, 112-117 (2003).
  16. Arya, R. K., Vinjamur, M. Measurement of Concentration Profiles Using Confocal Raman Spectroscopy in Multicomponent Polymeric Coatings-Model Validation. J. Appl. Polym. Sci. 128, 3906-3918 (2013).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics