Une approche d'analyse inverse à la caractérisation des Transports chimique dans les peintures

Chemistry

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Summary

Dans cet article, une procédure permettant de quantifier les paramètres de transport de masse de produits chimiques dans différents matériaux est présentée. Ce processus implique l'emploi d'un modèle de diffusion en fonction inverse de l'analyse de profils d'émission de vapeur enregistrées en temps réel, la spectrométrie de masse sous vide poussé.

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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).

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Abstract

La capacité à caractériser directement transport de produits chimiques et les interactions qui se produisent dans un matériau (c'est à dire, la dynamique du sous-sol) est un élément essentiel dans la compréhension de transport de masse des contaminants et la capacité de décontaminer le matériel. Si un produit est contaminé, au fil du temps, le transport de produits chimiques hautement toxiques (comme les espèces d'agents de guerre chimique) sur le matériau peut entraîner une exposition à la vapeur ou de transférer à la peau, ce qui peut entraîner une exposition percutanée au personnel qui interagissent avec le matériau. En raison de la forte toxicité des agents chimiques de guerre, la libération de quantités de produits chimiques de traces est une préoccupation importante. Caractéristiques de distribution de concentration cartographie du sous-sol et de transport des agents absorbés permet risques d'exposition à évaluer dans des conditions non testés. En outre, ces outils peuvent être utilisés pour caractériser la dynamique des réactions du sous-sol de concevoir finalement décontaminants améliorées ou des procédures de décontamination. To atteindre cet objectif, une analyse de masse approche de modélisation du transport inverse a été développé qui utilise des mesures de spectroscopie de masse à résolution temporelle de l'émission de vapeur à partir de couches de peinture contaminés en tant que paramètre d'entrée pour le calcul des profils de concentration en sous-sol. Des détails sont fournis sur la préparation de l'échantillon, y compris les contaminants et la manutention, l'application de la spectrométrie de masse pour la mesure de la vapeur contaminant émis, et la mise en œuvre de l'analyse inverse en utilisant un modèle de diffusion basé sur la physique pour déterminer les propriétés de transport des vivants agents de guerre chimiques, y compris distillée moutarde (HD) et de l'agent neurotoxique VX.

Introduction

Les mécanismes de transport de masse associés à la contamination par des matériaux agents de guerre chimiques sont entraînés par une variété de procédés, y compris convolutés transitions d'état physique, les interactions chimiques entre les espèces mobiles, et des interfaces de matériaux. Pour développer des technologies efficaces de décontamination, les procédures de décontamination optimisés, et des modèles prédictifs, il est essentiel que le processus de contamination est bien compris, y compris le transport des contaminants dans les matériaux par absorption et l'émission ultérieure de produits chimiques dans l'environnement. Par conséquent, il est impératif que les approches sont développées qui peuvent évaluer des profils de concentration en sous-sol pour les paires de contaminants matériau en fonction de conditions environnementales. Un continuum échelle, le modèle basé sur la physique a été développé pour prédire la distribution de la concentration de l'agent absorbé dans un substrat contaminé. Les paramètres de transport de masse obtenu de façon expérimentale permettent la prédiction de la til la vapeur émission de la matière contaminée après décontamination. La possibilité de prédire la distribution de concentration dans un matériau peut faciliter l'évaluation des dangers potentiels et de vapeur, à son tour, permettre un diagnostic précis des risques toxicologiques 1. Cette approche permet une estimation des paramètres de transport de masse de contaminants matériau paire spécifiques tels que la diffusivité et la saturation concentration qui à son tour la modélisation de permis pendant d'autres scénarios et conditions. Dans cette étude, nous avons traité de la contamination en phase liquide de solvant dispersé, la peinture de polyuréthane avec des agents de guerre chimique bis (2-chloroéthyl) sulfure (moutarde distillée, agent vésicant HD) et O-éthyl S - [2 (diisopropylamino) éthyl] methylphosphonothioate (VX), un agent neurotoxique organophosphoré.

La méthodologie développée caractérise les profils de désorption du gaz à partir de matériaux contaminés, y compris les agents de guerre chimique comme HD et VX, sansla plupart des restrictions qui entravent d'autres approches 2,3. spectrométrie de masse mesures résolues en temps de l'évolution des contaminants à partir de substrats contaminés permettent un modèle de transport par diffusion à l'analyse inverse pour calculer les paramètres de transport de masse pour le contaminant dans le produit, y compris le profil de concentration absorbée pour le contaminant à partir de l'événement de perméation d'origine. Avec la mise en place d'une capacité prédictive pour délimiter les profils de concentration des contaminants dans les matériaux en fonction des conditions environnementales vient la capacité d'évaluer les risques toxicologiques et finalement développer des voies de décontamination efficace.

Dans cet article, les détails associés à la préparation de l'échantillon sont présentés, y compris le travail avec des contaminants de l'agent de guerre chimique, ainsi que la collecte de données expérimentales à partir de matériaux contaminés et la modélisation subséquente 4. Des essais expérimentaux ont été réalisés comme described dans le document de contaminant chimique source de décontaminant et 5 et qui sera discuté dans la section suivante. Un organigramme de préparation et d'analyse échantillon étapes inclus dans la figure 1.

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Protocol

1. Condition peinture substrats à l'environnement désiré

  1. Présélectionner la chambre climatique pour le substrat conditionné à la température spécifiée et d'humidité relative (20 ° C, 50%). Veiller à ce que les conditions de substrat sont constamment maintenus depuis la température et la teneur en eau peuvent influencer de manière significative les taux d'absorption dans les matériaux.
  2. Manteau de 0,32 cm d'épaisseur, en acier inoxydable disques en acier de 5,08 cm de rayon avec une surface de 20,25 cm 2, avec une couche de peinture (système aliphatique polyuréthane revêtement 6 MIL-DTL-53039, un solvant de dispersion (DS)) avec une épaisseur totale du revêtement ( apprêt et couche de finition) d'environ 100 um. Placez les substrats (avec nombre désiré de répétitions) sur des plateaux en acier inoxydable avec la surface d'essai d'être exposés à un agent chimique vers le haut.
  3. Couvrir les substrats avec des boîtes de Pétri. Placez les plateaux contenant les substrats d'essai dans la chambre de l'environnement pendant au moins 60 kmn mais idéalement O / N, si possible.

2. contamination des substrats préconditionnés

  1. Don équipements de protection individuelle tels que blouse de laboratoire, des lunettes de sécurité et des gants.
  2. ATTENTION: Procurez-vous les contaminants chimiques entreposées en chambre froide et laissez flacon contenant primaire s'équilibrer à la température ambiante. Les produits chimiques utilisés dans ce protocole sont agent chimique étalon analytique de matériel de référence (CASARM, 98,0% de pureté) de qualité HD et CASARM (89,0% de haute pureté) grade VX (à la fois en phase liquide). Obtenir des informations sur la pureté de deux analyses par chromatographie en résonance ou gaz / spectrométrie de masse magnétique nucléaire et de maintenir le dossier.
    NB: ATTENTION: Le traitement des agents de guerre chimique ne doit être effectuée par un personnel qualifié dans une installation approuvée en utilisant applicables précautions sûreté, de sécurité, et de sûreté.
  3. ATTENTION: Monter l'outil d'administration d'agent avec une pointe de pipette et configurer l'outil pour fournir une gouttelette d'agent (par exemple, 1 pi). Déboucher l'flacon contaminant, et placez-le à la surface du capot, des fils vers le haut. Pick-up de la pipette, et abaissez lentement la pointe dans la solution contaminant. Chargez l'outil d'administration d'agent avec l'agent, conformément aux instructions du fabricant. Placez délicatement la pipette chargée sur la surface de travail de la hotte, et reboucher le flacon contaminant.
  4. ATTENTION: contaminer les substrats d'essai.
    1. Retirer les plateaux contenant les substrats de test provenant de la chambre de l'environnement.
    2. Retirer les boîtes de Pétri à partir de substrats de test, et fixé sur la surface du capot. Photographier numériquement chaque substrat d'essai pour enregistrer l'apparition de chaque substrat avant contamination.
    3. Choisir la pipette chargée et fournir une gouttelette unique (par exemple, 1 pi) de l'agent sur ​​le premier substrat de test. Couvrir la matière contaminée avec une boîte de Pétri en polystyrène pour minimiser l'évaporation tout en contaminant substrats supplémentaires. Répétez l'opération pour chaque substrat; recharger la pointe de la pipette (STep 2.3) si nécessaire.
      REMARQUE: Prélever des échantillons de confirmation de la pipette avant et après l'administration de substrats pour l'analyse par chromatographie pour confirmer la livraison de la masse de contaminants.
    4. Retirer les boîtes de Pétri à partir de substrats d'essai et fixé sur la surface du capot. Photographier numériquement chaque substrat d'essai pour enregistrer les premières interactions des contaminants matériels.
    5. Couvrir les substrats d'essai avec les boîtes de Pétri.
    6. Placer le plateau de substrats dans la chambre arrière de l'environnement.

Interaction 3.-contaminants matériau période de vieillissement

  1. Avant de vieillissement, les échantillons, purger la haute chambre à vide expérimental en acier inoxydable pour le préparer pour une utilisation dans la section 4.
  2. Autoriser les substrats contaminés à l'âge dans la chambre de l'environnement pendant la durée spécifiée, qui peut varier en fonction de la dynamique d'interaction chimique matériel et l'environnement (par exemple, 60 min).
  3. Retirer des substrats de la environnement chambre et les placer sur la surface de travail de la hotte. Retirez les boîtes de Pétri des substrats d'essai et numérique photographier chaque substrat pour enregistrer les interactions des contaminants matériau post-vieillissement.
  4. Double-contenir les échantillons d'essai (par exemple, plusieurs conteneurs hermétiquement clos) et transférer à la hotte de travailler avec chambre à vide élevé.

4 High Vacuum vapeur Chambre mesure des émissions

La chambre à vide élevé est un récipient de petit volume pompé par une pompe moléculaire à traînée de turbo et une pompe à membrane de support (figure 2). Un spectromètre de masse quadripolaire est monté sur un orifice qui fait directement face à un support de substrat à température contrôlée et est utilisé pour mesurer le dégagement de gaz en temps réel à partir de substrats contaminés dans des conditions de vide poussé. Plus de détails sur les spécifications et les matériaux de la chambre à vide sont inclus dans la référence 4.

  1. Assurez-vous que la chambre est bien ventilée.
  2. ATTENTION: Décompresser les échantillons préparés dans la section 3, et retirez boîte de Pétri des substrats d'essai. Placer un substrat d'essai dans chaque support de substrat à température contrôlée à l'aide des pinces en acier inoxydable.
  3. Sceller la chambre à vide et de commencer la séquence de la pompe vers le bas. Effectuer cette étape de telle sorte que la chambre est scellée sous vide au moment de l'âge spécifié (par exemple, 60 min) par rapport au moment où le substrat a été contaminé.
  4. Commencer l'enregistrement de canaux de masse de fragments choisis en fonction du temps (mesure directe de flux de masse) a identifié avec la masse spécifique par les valeurs de charge de l'unité (m / z). Mesure des espèces spécifiques de gaz d'arrière-plan, en plus des fragments de masse primaire des molécules d'intérêt (VX: m / z = 114; HD: m / z = 109) en temps réel à <0,25 Hz jusqu'à ce que la pression partielle des contaminants tombe au-dessous des limites de détection du spectromètre de masse (10-8 Pa).
  5. Recueillir les courbes d'émission pourla durée de l'émission de polluants à partir du substrat.
  6. Arrêter l'enregistrement des courbes d'émission avec le spectromètre de masse une fois que le flux de masse contaminant a diminué à la ligne de base de la pression de la chambre.
  7. Purger la chambre à vide poussé à la pression atmosphérique.

5. évaluation post-traitement pour la contamination résiduelle totale

  1. Ouvrez l'instrument chambre d'émission de vapeur sous vide poussé (HVVEC) et retirer le substrat de la chambre en utilisant des pinces en acier inoxydable.
  2. Placer le substrat dans un récipient d'extraction en verre et ajouter 20 ml de solvant d'extraction dans le récipient (par exemple, l'alcool isopropylique: VX; chloroforme: HD). Boucher le bocal et agitez le pot à trois reprises. Laisser le substrat dans le solvant d'extraction pendant 60 minutes.
  3. Agiter le bocal à nouveau trois fois, puis décapsuler le pot. Utilisation d'un propre, jetable, une pipette en verre, transférer environ 1 à 2 ml de solvant d'extraction dans un flacon d'analyse pour l'analyse de gaz ou de liquide par l'intermédiaire d'chromatographie 7 pour mesurer la masse de contaminant retenue par les substrats.

6 Analyse et Modélisation

  1. Convertir les données de spectrométrie de masse brut (pression partielle dérivé de courant ionique mesuré) pour le flux de masse du substrat. Utilisation d'une combinaison de la formule Hertz-Knudsen pour convertir la pression partielle de l'espèce gazeuse à l'incident détecté flux de vapeur au niveau du détecteur et comprennent un facteur d'échelle qui tient compte de la zone contaminée sur le substrat à partir de l'événement de la contamination initiale.
  2. Utiliser des méthodes inverses (par exemple, l'algorithme de Levenberg-Marquardt) pour déterminer les valeurs constantes de concentration de saturation et de diffusion (paramètres clés de transport de masse) pour le transport des contaminants à travers le revêtement de peinture. Comparez le flux déterminée expérimentalement de vapeur à un flux de vapeur prévu (une solution analytique de la deuxième loi de Fick avec des conditions aux limites appropriées appliquées (voir l'équation 4 de la référence 4)). Utiliser les paramètres de transport de masse pour prédire les profils de concentration pour le système de matériau contaminant.

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Representative Results

Le panneau supérieur de la figure 3 présente des exemples de flux de masse calculée de VX et HD à partir de substrats SD peint basé sur la spectrométrie de masse à temps résolu pour les principaux fragments de masse de VX et HD (masse sur charge rapport, m / z = 114 et 109, respectivement). Un spectromètre de masse quadripolaire comporte trois volets principaux: un ioniseur, un analyseur de masse ou de filtre, et un détecteur de charge. les espèces de gaz sont ionisées par ionisation par impact électronique (source d'électrons de type à filament chaud), et les ions produits sont injectés dans un filtre de masse quadripolaire en route pour atteindre une tasse ou un multiplicateur d'électrons détecteur de Faraday pour la mesure de courant ionique (proportionnelle à la pression partielle de gaz de mesure ). Pour instrument utilisé dans ce procédé, l'ioniseur est située à proximité (<3,5 cm), la proximité ligne de visée à la surface du substrat de sorte que les espèces émis à partir d'un substrat contaminé (angle d'émission atteint un sommet de substrat normal) ont été détectés de manière préférentielle etpseudo-instantanément. Les ions qui constituent le courant d'ions au niveau du détecteur sont affectées à des fragments de masse (m) d'un état ​​d'ionisation particulier (z), qui résulte du processus d'ionisation par impact d'électrons à travers l'utilisation des normes de spectrométrie de masse indépendants et des bases de données (par exemple, les spectres de masse NIST base de données). L'abondance relative des ions particulières créées dans un événement électrons d'ionisation par impact est spécifique à la molécule, et un grand soin est nécessaire dans l'attribution des signatures spectrales de masse en particulier pour les plus grosses molécules, comme VX et HD, qui subissent rarement ionisation ou la fragmentation des événements uniques. Avant expériences résolues en temps ont été effectuées, spectres de masse complets pour les conditions de préparation de substrat équivalent ont été enregistrés afin de vérifier la présence et l'abondance relative de m / z des pics spécifiques pour les espèces introduites dans la chambre d'analyse. Cette vérification inclus confirmant que l'intensité du fragment principal masse attendue pour til analyte d'intérêt n'a pas été convolution avec des contributions provenant d'autres espèces dans le système. Les mesures résolues en temps à des expériences ultérieures ensuite enregistré l'intensité critère de m / z des pics en fonction du temps associée avec les analytes d'intérêt.

Les données brutes de spectrométrie de masse sont sous la forme de pressions partielles de gaz tels que mesurés à l'ionisation du spectromètre. Pour cette étude, les valeurs de pression partielle pour le HD primaire et VX fragments utilisés pour les calculs de flux sont basées sur une section transversale de type à ionisation de l'azote sans correction possible de l'efficacité de fragmentation spécifique de la molécule. Comme spécifié dans le protocole, l'étape 6.1, ces mesures de pression partielle au niveau du détecteur sont d'abord convertis en un flux de masse en utilisant la formule de Hertz-Knudsen qui concerne:

L'équation 1 Equation 1

N det, i, est un flux incident moléculaire, P i, on mesure la pression partielle (Pa), m est la masse moléculaire de l'espèce (g / molécule), k est la constante de Boltzmann (J / K), et T est la température de la chambre (K). Ensuite, afin de déterminer le flux de la surface contaminée, N c, le flux de masse mesuré au niveau du détecteur, N det, i, est multiplié par le rapport de la surface de détection du spectromètre de masse (surface de la section transversale du détecteur parallèlement à l' surface contaminée) de la zone de contamination sur la surface:

Equation 2 Equation 2

det A est l'aire du détecteur et c A est la zone contaminée àle substrat. Les données présentées dans le panneau supérieur de la figure 3 l'accent sur ​​le régime de temps associée au transport de masse par diffusion des espèces provenant du sous-sol du substrat. Les mesures préalables à la spectrométrie de masse ont montré que les deux VX et HD gouttes ne restent pas sessile sur la peinture avec SD-liquide résiduel en vrac sur le substrat avant son introduction dans l'aspirateur; la zone contaminée finale moyenne de VX et HD était de 2,6 ± 0,1 et 5,9 ± 0,6 cm 2, respectivement. Régime de temps de début (<1.000 sec) les données ne sont pas incluses dans ces parcelles, qui sont en partie influencés par spectromètre de masse en équilibre pour le fonctionnement de l'ioniseur à des pressions partielles relativement élevés ainsi que la désorption du contaminant liquide en vrac qui est pris au piège ou faiblement liés à la surface de le substrat. Les données démontrent un régime de diffusion limitée qui commence par une décroissance exponentielle de la vitesse de flux de masse et est la source des données utilisées pour l'estimation des paramètres de diffusive de transport de la sous-surface du substrat contaminé. La définition de la transition dans les régimes a été confirmée par la mesure de l'évaporation du liquide et VX HD déposés sur des substrats de verre de borosilicate (matériau imperméable), qui ont montré un taux d'évaporation constante à la fois VX HD et jusqu'à ce que le liquide déposé est épuisée. Aux fins d'illustrer les diverses interactions qui constituent le système complexe à l'étude, le panneau inférieur de la figure 3 montre les signaux d'arrière-plan de mesure à partir d'un substrat de peinture non contaminée. Notez l'évolution temporelle non-monotone ainsi que la coïncidence de fonctionnalités à travers des profils d'espèces. Comme les mesures sont enregistrées dans des conditions de vide, l'une des espèces piégées dans le substrat de peinture sont capables de diffuser hors de la couche. Cette constatation illustre la possibilité que le taux de flux de masse sur le substrat (proportionnelle à la pression partielle) peut être influencée par l'abondance relative de rate de l'épuisement des autres espèces du revêtement, y compris les solvants de l'eau et de la peinture.

L'estimation des paramètres a été réalisée en utilisant l'émission de vapeur flux de diffusion limitée. L'ajustement calculée, qui est une solution d'analyse à la seconde loi de diffusion de Fick, permet la détermination de la saturation et de la diffusivité constante pour les combinaisons de matériaux contaminants spécifiques 8. Émission de vapeur, y compris le flux grandeur de masse, ainsi que le taux de variation temporelle du flux de masse, à partir d'une matière est entraînée par la distribution des contaminants par rapport à la matière, ainsi que les paramètres de transport associés à la contamination de la matière 9 11. Si la distribution d'un contaminant est connu, alors le flux de contaminants dans le matériau peut être prédit 1. En revanche, si le flux d'émission de vapeur est mesurée (similaire au mode opératoire expérimental décrit ci-après), la distribution de la concentration en substrat et la transpparamètres de ort peuvent être déterminées; une technique qui est couramment désigné sous le nom d'analyse inverse 12,13. Dans cette expérience, l'expression de flux de vapeur à partir du substrat peut être obtenue par l'intermédiaire d'une solution analytique à une dimension (1D) à la seconde loi de Fick pour le profil de concentration de contaminants dans un revêtement d'épaisseur finie, en supposant diffusive transport de masse 4,13. Figure 4 illustre les différentes conditions aux limites associées à contraindre la solution analytique pour la diffusion moléculaire dans un revêtement absorbant l'épaisseur finie. Les détails du calcul sont donnés ailleurs 4, et les résultats sont résumés dans le tableau 1.

Les paramètres de transport de masse estimés à partir des mesures de flux de vapeur a été mis en oeuvre pour prédire la distribution de la concentration de contaminants à l'intérieur et à l'évolution de la couche de peinture SD. Ce résultat a notamment représenté le champ de concentration au cours de la eépaisseur de tôle de la peinture au début de la diffusion du contaminant hors de la couche de peinture (après évaporation du liquide en vrac à partir de la surface). Le panneau supérieur de la figure 5 illustre les résultats de simulation de la distribution spatiale de la concentration-dépendante de la HD ou VX dans le revêtement de peinture SD. Bien que le revêtement absorbe une masse plus élevée de HD, comme indiqué par une plus grande concentration de saturation énumérés dans le tableau 1, il est localisé plus près de la surface du substrat par rapport à VX. Le panneau inférieur de la figure 5 illustre le flux de vapeur résultant de contaminants provenant des peintures, qui pourraient engendrer des risques pour la santé du personnel au voisinage du matériau. Les différences dans les phénomènes de transport entre HD et VX démontrent que les interactions intermoléculaires peuvent altérer le transport de molécules absorbant à travers les systèmes de peinture pour produire différentes distributions.

"Figure Figure 1: Préparation du support et diagramme de mesure qui illustre les étapes de préconditionnement, la contamination, le vieillissement, et la mesure de l'émission consécutive de l'agent à partir de substrats. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2: Représentation schématique de la chambre d'émission de vapeur sous vide poussé. Substrats sont chargés sur un support de substrat à température contrôlée qui fait directement face à un spectromètre de masse quadrupolaire. La chambre a une pression de base (pas de substrat chargé) de <10-7 Pa et est pompépar une pompe moléculaire à traînée turbo qui est supporté par une pompe à membrane de support. Substrats sont introduits avec la chambre à vide ventilé, et des mesures de flux de masse au spectromètre de masse commencent une fois que le système est pompé <10-2 Pa. diamètre du substrat sert de référence à l'échelle. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3 Top: VX (bleu) et HD (rouge) calculé à partir de substrats de flux basé sur la mesure expérimentale de l'émission de vapeur contaminé SD agent chimique le revêtement de substrats résistant. La pression partielle (dérivé du courant d'ions), mesurée à la spectrométrie de masse des fragments principaux pour un analyte donné (VX : M / z = 114; HD: m / z = 109) peut être reliée directement à la masse du flux initial à partir du substrat, en supposant une détection de ligne de visée émis à partir d'espèces du matériau. Les données présentées sont pour le régime de transport de masse diffusion limitée que lorsque vrac, liquide contaminant lié à la surface a désorbé bas:. Contexte des mesures de pression partielle des espèces de gaz émis par un substrat de peinture intacte. Pour le but d'illustrer la complexité du système à l'étude, les profils résolues en temps complet sont inclus à partir du point initial de la collecte de données (lorsque la pression totale de la chambre chuté en dessous de 10-2 Pa, le point plus rapprochée à laquelle le spectromètre de masse pourrait enregistrer ). La clé de couleur illustre les valeurs m / z spécifiques qui correspondent aux espèces détectées identifiés.

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Figure 4 Définition d'absorption par diffusion moléculaire 1D régie par la loi de Fick, y compris des conditions aux limites définition des variables:. C sous, de la concentration de contaminant dans le substrat; C sous, assis, de la concentration de saturation, z, la distance le long de l'épaisseur de la couche absorbante ; sous D, la diffusivité de contaminant dans le revêtement; sous t, l'épaisseur de la couche de peinture. Pour le modèle qui décrit la mesure sous vide pour l'évolution des contaminants du substrat, le modèle suppose que z = 0, il y aura une interface revêtement sous vide, au point où les domine de transport diffusion limitée. La forme de la solution d'analyse à la loi de Fick à ces conditions aux limites et son utilisation ultérieure à des calculs d'analyse inverse sont détaillés dans RÉFÉREnce 4.

Figure 5
Figure 5 haut: Calculé à partir des profils de concentration déterminée expérimentalement flux massique à partir de substrats de peinture pour chaque agent en fonction de la profondeur de revêtement de peinture en utilisant une analyse inverse. Les profils reflètent la distribution au niveau du point où le flux de vapeur à partir de la matière contaminée viennent uniquement à partir de la sous-surface et est déterminée par le transport de masse par diffusion. Dans l'ensemble, dans ce cas, plus la masse est absorbée HD et le fait d'une portion plus mince de la couche de peinture par rapport à VX. Cette différence se reflète dans la concentration de saturation et de diffusion des valeurs de coefficient calculé Bas:. Profils de flux de vapeur calculée sur la base des profils de concentration de point de départ dans la partie supérieure de la figure. Le calculée, en fonction du temps de la vapeur flux correspond à expdonnées erimental présentés dans la figure 3 en ce qui concerne la prédiction de la différence relative à l'évolution de chaque agent. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Agent Diffusivité (m 2 / s) Saturation (g / m 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 x 10 5

Tableau 1: transport de masse des résultats d'estimation des paramètres de VX et HD interagir avec de la peinture SD. Tableau adapté de la référence 4.

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Discussion

Paramètres de transport de masse pour la HD et VX dans la peinture ont été déterminées par l'analyse inverse numérique des données d'émission de vapeur. Avec les paramètres calculés, il est alors possible de produire des cartes de gradient de concentration en fonction du temps de la distribution des contaminants dans le revêtement de peinture. Les résultats des analyses inverses ont montré que la solubilité de la peinture en HD SD était supérieur à VX, mais la diffusivité est environ 5 fois plus faible. Les résultats suggèrent que la contamination de HD était fortement concentrée à la surface du revêtement, tandis que le profil de contamination VX pénétré à travers le revêtement de peinture SD. Par conséquent, les exigences de décontamination pour la peinture SD seront différentes selon le contaminant chimique. Les applications de cette méthode fournissent une compréhension de base de l'absorption des contaminants dans les matériaux et, en définitive, un outil prédictif pour caractériser la résistance contaminant des matériaux.

Bien que le travail présenté here a montré des résultats prometteurs, il ya de nombreux facteurs à prendre en compte dans les systèmes de ce genre qui contiennent intrinsèquement nombreuses interactions enchevêtrées. Pour étendre cette approche à des systèmes encore plus contaminant matériau pour différentes conditions environnementales, il faudra une évaluation continue des influences sur les mesures de flux de masse. Ces effets comprennent la désorption de multiples espèces de la masse, autres que les analytes d'intérêt comme évoqué dans la figure 3, qui peuvent ou non modifier la dynamique du transport de masse par rapport à d'autres conditions environnementales. Par exemple, le milieu de mesure du vide peut entraîner un changement dans la composition absorbée et le contenu (par exemple, de l'eau et d'autres solvants organiques associés à de la peinture) par rapport à des conditions de pression ambiante qui peut à son tour modifier le profil d'évolution contaminant.

Application de la technique pour les systèmes chimiques très persistants qui nécessitent une plus grande plage dynamique pour Pressu partiellere des mesures peuvent nécessiter une évaluation de la sensibilité de l'instrument en ce qui concerne la relation entre la pression de la chambre et du courant d'ions mesuré. En revanche, l'application de la technique à des espèces chimiques hautement volatils ou réactifs peut exiger un examen attentif de la durée entre l'évacuation de la chambre et de la collecte de données (étapes 4.3 et 4.4) pour s'assurer que les données de flux de masse viables.

Enfin, il peut y avoir d'autres mécanismes qui régissent 14-16 transport de masse, tels que les transports poreux et diffusion mutuelle ou la nécessité de tenir compte de la nature multicouche de couches de peinture comme apprêt et les couches supérieures de manteau. Toutes ces influences possibles en ce qui concerne à la caractérisation de transport de contaminants font actuellement partie des études en cours.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Les auteurs remercient le Dr Wes Gordon (SECB) pour le soutien à la conception de l'instrument. Ce travail présente les résultats cumulatifs de deux programmes de recherche financés par Eric Lowenstein et Michael Roberts (Threat Reduction Agency Défense) au titre du programme CA08MSB317. Les rapports techniques mentionnés ici peuvent être obtenus 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

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