Nanothermite com merengue, como morfologia: de pó solto para objetos ultra porosos

Chemistry

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Summary

Este manuscrito descreve a síntese de combustíveis aluminophosphate matrizes pela reação de ácido ortofosfórico (H3PO4) com alumínio nanopowder. Quando esta reação é realizada com excesso de alumínio na presença de nanopowder do trióxido de tungstênio, leva a uma espuma nanothermite sólido, poroso.

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Martin, C., Comet, M., Schnell, F., Spitzer, D. Nanothermite with Meringue-like Morphology: From Loose Powder to Ultra-porous Objects. J. Vis. Exp. (130), e56479, doi:10.3791/56479 (2017).

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Abstract

O objetivo do protocolo descrito neste artigo é preparar composições aluminothermic (nanothermites) sob a forma de objetos porosos, monolíticos. Nanothermites são materiais combustíveis compostos inorgânico combustível e um oxidante. Em espumas nanothermite, o alumínio é o combustível e alumínio trióxido de fosfato e tungstênio são as metades de oxidantes. Observam-se as maiores velocidades de chama propagação (FPVs) em nanothermites em pó solto e FPVs estão fortemente diminuídos nanothermite pós de pelotização. Do ponto de vista física, nanothermite pós soltos são sistemas metaestáveis. Suas propriedades podem ser alteradas por compactação involuntária induzida por choques ou vibrações ou a segregação de partículas ao longo do tempo por fenômenos, estabelecendo-se que se origina das diferenças de densidade de seus componentes. Movendo-se de um pó para um objeto é o desafio que deve ser superado para integrar nanothermites em sistemas de pirotecnia. Nanothermite objetos devem ter uma boa resistência mecânica e alta Porosidade aberta. Espumas de Nanothermite conhecer ambos estes critérios, e são preparados por dispersão de uma mistura de nanométricas aluminothermic (Al/WO3) no ácido ortofosfórico. A reação do alumínio com a solução ácida dá o AlPO4 "cimento" em que Al e WO3 nanopartículas são incorporadas. Em espumas nanothermite, fosfato de alumínio desempenha o duplo papel de fichário e oxidante. Esse método pode ser usado com trióxido de tungsténio, que não é alterado pelo processo de preparação. Ele provavelmente poderia ser estendido para alguns óxidos, que são comumente usados para a preparação de nanothermites de alto desempenho. O WO3-espumas com base nanothermite descritos neste artigo são particularmente insensíveis ao impacto e à fricção, que os torna muito mais seguro lidar com que pó solto de3 Al/WO. A combustão rápida destes materiais tem aplicações interessantes em pirotecnia ignitores. Seu uso em detonadores como primeiras demão exigiria a incorporação de um explosivo secundário em sua composição.

Introduction

Este artigo relata um método para transformar aluminothermic nanométricas misturas (Al/WO3) de um estado de pó solto para espumas1. Nanothermites são rápidos de queima composições energéticas, que mais frequentemente são preparadas pela mistura física de um óxido metálico/sal com um metal redutor, sob a forma de nano pó2. Os óxidos mais representativos utilizados para preparar nanothermites são Cr2O33,4, Fe2O35, MnO26, WO37, MoO38 , CuO9 e Bi2O310,11, enquanto os sais metálicos utilizados são percloratos12,13, iodates14,15, periodates16,17 ou persulfates18de sulfatos. Nanopowder do alumínio é a melhor escolha como combustível para nanothermites devido às suas inúmeras propriedades desejáveis, tais como uma alta oxidação térmica (10-25 kJ/g)19, reação rápida cinética20, baixa toxicidade21, e uma feira grau de estabilidade, uma vez que foi com precisão passivado22.

Em baseados em Al nanothermites, a frente de chama se propaga em velocidades altas (0.1 - 2,5 km/s), mas isso não pode, no entanto, ser considerado como detonação23. O mecanismo de reação é na verdade conduzido pela convecção de gases quentes na porosidade do material não tenha reagido. Em outras palavras, a porosidade é essencial para a rápida queima de nanothermites. No entanto, o pó solto nanothermite não é estável do ponto de vista física. Eles são compactados por choques ou vibrações, e seus componentes da mais densa (geralmente o óxido) progressivamente separa a composição pelo efeito da gravidade. A estabilização da porosidade nanothermite é um desafio crucial para a sua integração em sistemas futuros de pirotecnia.

A principal vantagem do processo de preparação aqui descrito é dar monólitos altamente poroso, sólido, nanothermite, que podem ser moldados pelo molde a pasta da qual eles formam. Além disso, nanothermite espumas são muito insensíveis ao choque, fricção e descarga eletrostática, comparado aos nanothermite pós soltos. A insensibilidade torna particularmente segura a alça e a máquina, por exemplo por corte ou perfuração.

Quando solto nanothermite pós são pressionadas ou peletizados, sua porosidade diminui e objetos são formados. A coesão de tais materiais origina-se das forças de superfície, que são responsáveis para a agregação de nanopartículas. A resistência mecânica de pelotas nanothermite pode ser melhorada na presença de nano-fibras de carbono, que actuam como um quadro para reforçar estes objetos24. Infelizmente, pressionando fortemente diminui a reatividade dos nanothermites. De acordo com Prentice et al, a prensagem das composições de nano-Al/nano-WO3 induz a um colapso da sua velocidade de reação por duas ordens de magnitude7. Em conclusão, ao contrário da maioria dos explosivos, nanothermites não pode ser dado forma pressionando.

Até à data, muito poucos métodos para estruturação de nanothermites têm sido relatados em lidar de literatura científica com nanothermites. Nanothermites pode ser depositado em substratos, ou dos pós de seus componentes dispersadas em um meio líquido por electroforese25, ou pela pulverização catódica de seus componentes em camadas sucessivas de26. Ambas as abordagens originar depósitos densos, que são menos reativos que pós soltos e tendem a delaminate do substrato sobre o qual estão preparados.

A preparação de objetos "tridimensionais", composto por nanothermite foi proposta por Tillotson et al 5, que usaram a síntese sol-gel desenvolvida pela Gash et al . que consiste em soluções de sais metálicos de coagulação por epóxidos27. Nanothermite monólitos são preparados por dispersão Al nanopowder no sol, antes de gelificação. Os geles são posteriormente secas em uma câmara de calor para produzir xerogels ou por um processo complexo que envolve a utilização de supercrítico CO2 para obter aerogels. Nanothermite aerogels não só têm forte reatividade, mas também podem ser usinados devido às suas excelentes propriedades mecânicas. Além disso, o processo de sol-gel permite sintetizar materiais micro e mesoporos com um incomparável grau de homogeneidade entre o combustível (Al) e o óxido na mistura. Apesar de estes interessantes características, o uso do processo sol-gel é limitado por: (i) a complexidade da síntese em lotes, que depende de vários parâmetros; (ii) a presença inevitável de síntese subprodutos (impurezas) do material final, e (iii) o muito tempo necessário para as diferentes etapas do processo.

Esteiras de combustíveis de nanothermite foram preparadas pela eletrofiação de nitrocelulose (ligante) de soluções acusadas de Al e CuO nanopartículas28. Estes feltros nanothermite são compostos de fibras com diâmetros de escala sub-micrônicas, que são um priori não-porosa. Com estes materiais, a porosidade é definida pelo entrelaçamento das fibras. As amostras de nanothermite mats queimar lentamente (0,06 - 1.06 m/s) em comparação com Al/CuO nanométricas puras misturas em um estado de pó solto, em que a frente de chama se propaga a uma velocidade de várias centenas de m/s29. Finalmente, o uso de nitrocelulose como uma pasta para nanothermites não é ideal, porque consideravelmente aumenta sua sensibilidade térmica e altera sua estabilidade química a longo prazo.

Membranas de nanothermites foram preparadas por Yang et al . do complexo hierárquica MnO2/SnO2 estende misturado com nanopartículas de Al6. Com estes materiais, a fase de óxido tem uma morfologia muito específica, na qual MnO2 nano-fios são cobertos por SnO2 ramos. Devido à sua estrutura muito particular, não só o óxido armadilhas Al nanopartículas, mas também garante a resistência mecânica da membrana.O processo de preparação de MnO2/SnO2/Al membranas é muito simples; consiste o nanothermite contido no líquido no qual ele foi preparado, usando o bolo de filtragem como uma membrana de filtragem.

Para resumir, a única nanothermite objetos mencionados na literatura científica são depósitos em substratos, aerogels ou esteiras. A ideia de preparar nanothermites na forma de espumas sólidas abre novos horizontes para a integração destes materiais energéticos nos sistemas de pirotecnia funcional. O processo de formação de espuma, relatado neste artigo é fácil de executar e pode ser aplicado virtualmente a qualquer nanothermite preparado a partir de alumínio nanopowder. O agente de formação de espuma é ácido ortofosfórico (H3PO4), uma substância química comum, barata e não tóxico, que reage com nano-Al dar o cimento (AlPO4) e os gases (H2, H2O vapor) que criam a porosidade do material1. Fosfato de alumínio é particularmente estável em altas temperaturas, ao contrário de ligantes orgânicos tais como polímeros energéticos (nitrocelulose). No entanto, AlPO4 se comporta como um oxidizer para nano-Al na alta temperatura, de acordo com o conceito de "explosivos negativos", proposto por Shimizu30.

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Protocol

Atenção: Realize todas as reações descritas neste artigo em uma câmara de explosão-comprovada com uma janela blindada que permite tanto a inspeção visual e a observação dos processos de formação de espuma/combustão por vídeo de alta velocidade. Cuide-se sobre o risco experimental resultantes da ignição potencial de aluminothermic composições e a explosão de hidrogênio no ar. Por esta razão, sempre trabalha em uma câmara de explosão-comprovada equipada com ventilação de exaustão adequada. Lembre-se que devem ser realizadas experiências em materiais energéticos por cientistas experientes, que estão plenamente conscientes dos perigos de pirotecnia, e que todos os testes devem ser realizados em conformidade com as leis locais e regulamentos de segurança. Note-se que os autores declinar qualquer responsabilidade pelo uso indevido destes resultados.

1. preparação de uma matriz de Aluminophosphate

Nota: As experiências são realizadas à temperatura ambiente (15-25 ° C).

  1. Pese a 3,00 g de alumínio nanopowder.
  2. Pesar, 4,00 g de uma solução comercial (85%) de ácido ortofosfórico (H3PO4) em um copo de 150 mL; adicionar o ácido gota a gota com um pipeta Pasteur de polietileno de 3 mL.
    1. Opcionalmente, um volume de 0 - 2 mL de água deionizada pode ser adicionado ao ácido ortofosfórico.
    2. Homogeneizar a solução por abrandar girando o copo com a mão a aproximadamente 100 rpm.
  3. Coloca o copo que contém o ácido na câmara de explosão.
  4. Despeje o alumínio nanopowder pesada na etapa 1.1 para o béquer contendo a solução H3PO4 .
  5. Mistura-se rapidamente com uma espátula de aço inoxidável; Execute esta etapa em menos de um minuto.
  6. Feche a câmara de explosão imediatamente.
  7. Espere até que ocorra a reação de formação de espuma.
  8. Depois, espere um adicional 10 min para a matriz de aluminophosphate esfriar.
  9. Retire o copo da câmara de explosão usando um laboratório arco tong.
  10. Recupere a amostra, que adere à parede do copo, por quebrá-la cuidadosamente. Cuidado com a presença de resíduos ácidos e não manipulam os materiais sem luvas.

2. síntese das espumas Nanothermite

Nota: As experiências são realizadas à temperatura ambiente (15-25° C).

  1. Preparação da mistura nanothermite
    1. Em um balão de fundo redondo de 100 mL, pese 3,00 g e 3,45 g de Al e WO nanopós3 , respectivamente.
    2. Misture o nanopós com um misturador do vortex operando a 2.500 rpm.
    3. Suavemente agite a mistura com uma espátula de aço inoxidável para homogeneizá-lo. Evite qualquer atrito entre a parede de vidro do balão de fundo redondo e a espátula durante esta operação.
      Nota: Nesta etapa, o experimentador deve ser aterrado para evitar qualquer descarga eletrostática, o que poderia causar a ignição da mistura.
    4. Repita a operação 2.1.2.
  2. Preparação das soluções-H 3 PO 4
    1. Pesar, 4,00 g de uma solução comercial (85%) de ácido ortofosfórico (H3PO4) em um copo de 150 mL; adicionar o ácido gota a gota com um pipeta Pasteur de polietileno de 3 mL.
    2. Preparação de soluções diluídas de4 de3PO H:
      1. Levar a amostra preparada na etapa 2.2.1 e adicionar 0 a 2 mL de água desionizada com um pipeta Pasteur de polietileno de 1 mL.
      2. Homogeneizar a solução pelo movimento de rotação lento do copo aplicado à mão a uma velocidade de cerca de 100 rpm.
  3. Preparação de espumas nanothermite
    1. Coloca o copo que contém o ácido preparado no passo 2.2 na câmara de explosão.
    2. Despeje o nanothermite preparado no passo 2.1 no copo que contém a solução H3PO4 .
    3. Mistura-se rapidamente com uma espátula de aço inoxidável; Execute esta etapa em menos de um minuto.
    4. Feche a câmara de explosão imediatamente.
    5. Espere até que ocorra a reação de formação de espuma.
    6. Depois, espere um adicional 10 min para o arrefecimento da espuma nanothermite.
    7. Retire o copo da câmara de explosão, com um laboratório arco tong.
    8. Recupere a amostra, que adere à parede do copo, por quebrá-la cuidadosamente. Cuidado com a presença de resíduos de ácidos e evitar a manipulação dos materiais sem luvas.

3. a combustão de espumas Nanothermite

  1. Coloque a matriz aluminophosphate, preparado na etapa 1.10 ou a espuma nanothermite, preparado na etapa 2.3.8 na câmara de explosão.
  2. Coloque um dispositivo de ignição pirotecnia perto da amostra da etapa 3.1.
  3. Feche a câmara de explosão.
  4. Conecte o dispositivo de ignição de um dispositivo electrónico seguro.
  5. Fogo da cadeia de pirotecnia.
  6. Observe a combustão através da janela blindada com uma câmera ultra operando em 10.000 a 30.000 quadros/s.

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Representative Results

A matriz de aluminophosphate contém alumínio cristalizado (Al) e fosfato de alumínio (AlPO4). A presença destas fases foi confirmada por difração de raios x (Figura 1). Além disso, gravimétricos experimentos mostraram que este material também contém uma parte não-cristalino, que é alumina amorfa. Estes materiais, fosfato de alumínio se comporta como aglutinante e oxidante. As propriedades oxidantes de AlPO4 foram evidenciadas por medir o calor da explosão (3.340 J/g) de uma mistura de nano-Al/AlPO4 wt./wt.% 50/50 em um calorímetro de bomba1.

A água, que é adicionada para as H3PO4 soluções diluídas, desacelera o aumento da temperatura do meio de reação (Figura 2). A secagem de H3PO4 anidrido de fósforo (P.4O10), ou por qualquer dessecante forte, não é aconselhado (Figura 2, curva mais à esquerda). Na ausência de água, o colar sofre aquecimento muito rápido, o que provoca a ignição da espuma energética e uma explosão de hidrogênio no ar. Por favor, note que a massa de hidrogênio liberado pela preparação de uma amostra de espuma nanothermite de 10g é aproximadamente 0,5 g e que a combustão de tal montante deste gás no ar dá uma energia de cerca de 60 kJ. Os limites de inflamabilidade de hidrogênio variam de 4 até 75 vol.% no ar e sua temperatura de ignição é entre 500 e 580 ° C31.

Os sistemas preparados com água são mais fáceis de misturar, devido a uma proporção de pó líquido a mais favorável. Água retarda a reação de formação de espuma e torna mais progressiva e mais seguro. Nanothermite espumas produzidas a partir de soluções diluídas tem melhor resistência mecânica, mas expandir a menos. A análise por difração de raios x de espumas nanothermite revela que contêm alumínio cristalizado, fosfato de alumínio e trióxido de tungstênio (Figura 3). Este último não quimicamente interage com a reação de formação de espuma.

A composição da matriz aluminophosphate (nano-Al/AlPO4) e a espuma nanothermite (nano-Al/AlPO4/nano-WO3) preparado de acordo com o protocolo são descritos na tabela 1. A densidade das espumas depende das condições experimentais em que eles foram sintetizados, em particular, a concentração da solução H3PO4 . Ele normalmente varia de 5 a 20% da sua densidade teórica, correspondente a uma porosidade elevada (80-95%).

O calor libertado pela combustão de matriz aluminophosphate e a espuma nanothermite, que foram preparados de acordo com o protocolo experimental são igual a 3,4 kJ/g e 2,5 kJ/g, respectivamente. A combustão de espumas na bomba calorimétrica produz resíduos que contenham fósforo, cuja presença é caracterizada pela contínua emissão de fumos brancos em contato com o oxigênio atmosférico. Fósforo é produzido pela redução de AlPO4 dentro da câmara fechada, na ausência de ar.

Aluminophosphate matrizes e espumas nanothermite não são particularmente sensíveis ao estresse de fricção e choque. No entanto, devem ser manipulados com cuidado devido à sua sensibilidade moderada para descarga eletrostática e fontes, tais como uma chama de aquecimento. Sua combustão produz grandes bolas de fogo com faíscas de partículas derretidas. O impacto destas fases incandescente altera a superfície da janela blindada da câmara de explosão.

O experimento de combustão descrito no protocolo experimental qualitativamente ilustra as espumas de combustão rápida de aluminophosphate (ou nanothermite). Não pode ser usado para medir a velocidade de propagação de chama em monólitos nanothermite, porque os vapores abundantes liberados pela reação de esconder a frente de chama. Além disso, a combustão segue vários caminhos dentro a porosidade do material, que torna difícil saber onde a frente de combustão é em um determinado momento e, consequentemente, a medida de uma velocidade de propagação.

Figure 1
Figura 1: padrão de difração de raios-x de uma matriz de aluminophosphate. Padrão de difração de raios-x de uma matriz de aluminophosphate, mostrando a presença de cristalizado Al e AlPO4. Esta figura foi modificada de cometa et al 1 o diffractogram foi realizada em uma espuma, que tinha sido previamente esmagada em pó fino, com uma distribuição de tamanho de partícula inferior a 200 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: evolução da temperatura para nanothermite cola durante sua reação de formação de espuma. Evolução da temperatura para nanothermite cola durante sua reação de formação de espuma, dependendo o H3concentração de PO4 . Esta figura foi modificada de cometa et al 1 a temperatura foi medida com termopar tipo K colocado na pasta e conectada a um proporcional-integral-Derivativo (PID) controlador. O fugitivo da reação de formação de espuma é observado quando a temperatura é superior a 40 ° C. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: padrão de difração de raios-x de espuma nanothermite. Padrão de difração de raios-x de espuma nanothermite, mostrando a presença de Al cristalizado, AlPO4 e WO3. Esta figura foi modificada de cometa et al 1 como espumas de aluminophosphate, o diffractogram foi realizada em uma amostra, que foi previamente esmagado em pó fino, com uma distribuição de tamanho de partícula inferior a 200 µm. nota que trióxido de tungstênio não reage com ácido ortofosfórico na condições experimentais utilizadas.Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Amostra Al (wt.%) Al2O3 (wt.%) AlPO4 (wt.%) WO3 (wt.%) H2O (wt.%)
Al/H3PO4. H2O 21,8 9.4 68,8 0.0 0.0
Al/WO3/h3PO4. H2O 14,6 5.0 44.2 36,2 0.0

Tabela 1: composição química das aluminophosphate (nano-Al/AlPO4) e espumas nanothermite (nano-Al/nano-WO3/AlPO4) preparadas de acordo com o protocolo. Estes valores foram calculados a partir dados térmica química.

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Discussion

O processo de mistura de nanopós com ácido e o fechamento da câmara de explosão devem ser realizados rapidamente, por razões de segurança. O atraso de reação pode variar até certo ponto (1-10 min), dependendo das condições experimentais. Isso é encurtado quando a temperatura é muito alta, ou na presença de fontes de aquecimento externo, como um holofote, que pode causar ativação precoce da reação de formação de espuma. Por outro lado, ela é aumentada quando a temperatura é baixa. Em caso de muito atraso de espuma (> 15 min), a reação pode ser parada derramando-se rapidamente uma grande quantidade de água no copo (100 mL). A preparação da espuma matrix ou nanothermite aluminophosphate deve ser executada à temperatura ambiente (15-25 ° C), sabendo que a reação de formação de espuma é ativada quando a temperatura da pasta está entre 40 a 45 ° C (Figura 2). A reação de formação de espuma é precedida por um sinal de aviso, que é uma ligeira expansão da pasta com bolhas de gás quebrando sua superfície. O fugitivo de reação é caracterizado por uma expansão rápida e forte da pasta, acompanhada de importante lançamento gasoso (H2 e H2O vapor).

A quantidade de nanopowder misturado com a solução de4 H3PO define a consistência da massa. Baixos índices de líquido do pó/ácido dar cola, Considerando que os baixos índices de ácido/pó mistura difícil. O óxido usado para a preparação de nanothermite deve ser compatível com ácido ortofosfórico. As espumas de aluminophosphate ou nanothermite sempre devem ser preparadas em pequenas quantidades (normalmente 10 g), para minimizar o risco de explosão decorrentes do hidrogênio liberado no ar durante o processo.

O primeiro passo crítico é a pesagem de nanopós, que devem ser efectuadas por um operador usando adequado equipamento de proteção individual (máscara de cartucho de filtro de FFP3) sob uma coifa. A mistura de nanopowder(s) com ácido ortofosfórico deve ser feita rapidamente para ter tempo para fechar a câmara de explosão-comprovada, que é mais difícil quando a massa é grossa, por exemplo, com uma proporção de pó/ácido elevado. As espumas devem ser sintetizadas longe de fontes de calor, devido à formação de hidrogênio pela reação. Todas as amostras energéticas devem ser manuseadas com cuidado; pó solto de nano-Al/nano-WO3 possui um limiar de particularmente baixa sensibilidade à descarga eletrostática (0,14 mJ). Finalmente, o teste ardente de espumas deve ser executado em uma câmara de combustão que é equipada com um escape de ar adequado.

A preparação de nanothermite objetos por este processo é exclusiva. O único método para a preparação de grandes nanothermite monólitos é a metodologia de sol-gel. Esta técnica requer precursores específicos e etapas de síntese/secagem muito longo, o que o torna muito caro. Além disso, os materiais produzidos pela técnica sol-gel sempre contenham impurezas provenientes do processo. Finalmente, a porosidade do produto sol-gel é extremamente pequena comparado com espumas nanothermite, que limita a propagação por mecanismos de convecção (perdas de pressão) e podem alterar a sua reatividade.

A integração futura de espumas nanothermite em sistemas de pirotecnia exigirá o uso de outros óxidos (por exemplo, CuO e Bi2O3) a fim de melhorar suas propriedades reativas. Além disso, a adição de explosivos secundários em espumas nanothermite, no processo de composição ou com infiltração subsequente (a partir de uma solução) de espuma pre-existente, poderia ser usada para sintetizar a detonar nanocompósitos energética32. Tais materiais poderiam encontrar aplicações interessantes em primeiras demão de chumbo. O molde de espuma nanothermite em objetos com formas bem definidas, será o próximo desafio a ser vencido.

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Disclosures

Nós não temos nada para divulgar.

Acknowledgements

Os autores gostaria de agradecer os fotógrafos da ISL, Yves Suma e Yannick Boehrer, para as fotos de amostras e para a observação por vídeo de alta velocidade de síntese e a combustão de nanothermite espumas. Eles também gostariam de expressar sua gratidão ao seu colega, Dr. Vincent Pichot de NS3E de laboratório para caracterização de materiais por difração de raios x.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aluminum nanopowder Intrinsiq Materials - nanopowder, ≈ 100 nm particle size Al QNA891
Tungsten(VI) oxide Sigma-Aldrich 550086-25G nanopowder, <100 nm particle size (TEM) Lot# MKBR9903V
Orthophosphoric Acid Fisher Scientific - 85% solution
polyethylene Pasteur pipette 3 mL Th. Geyer 7691062 LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,50 ml, Length 145 mm
polyethylene Pasteur pipette 1 mL Th. Geyer 7691063 LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,25 ml, Length 150 mm
Test tube shaker Reax Control Heidolph 541-11000-00 Vortex mixer with strong 5 mm vibration orbit yields

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References

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