噴墨打印技術(shù)應(yīng)用于炸藥的納米量熱法測量

2023-03-24 17:21 睿度光電RUIDU
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美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）材料測量實(shí)驗(yàn)室的David A. LaVan團(tuán)隊(duì)為了評估使用納米量熱法研究分析材料熱解吸過程的可行性，通過使用MicroFab Jetlab II噴墨打印系統(tǒng)將100-200ng量的炸藥可重復(fù)地沉積在納米量熱儀的活性區(qū)域上，使用納米量熱法觀察到α-RDX和亞穩(wěn)態(tài)β-RDX相，以及RDX的競爭氣化和分解，最后，納米量熱法耦合質(zhì)譜法被證明可以表征痕量炸藥分析中的熱解吸過程。




介紹

在許多安全檢查點(diǎn)部署了追蹤爆炸物的快速檢測系統(tǒng)，熱解吸是痕量檢測的常見樣品引入步驟，熱解吸剖面對于痕量爆炸物的檢測至關(guān)重要。傳統(tǒng)的熱測量方法需要毫克數(shù)量的炸藥，加熱速度要慢得多，通常為10°C/分鐘。而納米量熱法能夠以高靈敏度對小質(zhì)量（在本工作中≈100ng至250ng）的樣品進(jìn)行熱測量，并且可以用任意的加熱曲線進(jìn)行編程。

納米量熱法用于爆炸物檢測**的挑戰(zhàn)是將精準(zhǔn)定量的爆炸粉末放在納米量熱計(jì)傳感器上。噴墨打印可以準(zhǔn)確控制樣品的質(zhì)量和位置，并用于沉積均勻、高度可重復(fù)和量化的炸藥。為了解決精準(zhǔn)定位問題，David A. LaVan團(tuán)隊(duì)通過使用MicroFab Jetlab II噴墨打印系統(tǒng)及其50μm噴口直徑的噴頭將TNT、PETN、PC和RDX四種炸藥精準(zhǔn)打印沉積在納米量熱計(jì)傳感器上，噴墨打印和納米量熱法也被用于制備和測量RDX的α相和β相。

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▲ 圖1 使用噴墨打印沉積在納米量熱計(jì)傳感器上的炸藥。
圖1顯示了四種炸藥，TNT、PETN、PC和RDX，通過噴墨打印沉積在納米量熱計(jì)傳感器上。每個納米量熱計(jì)傳感器上均勻分布著十個樣品點(diǎn)，每個點(diǎn)的樣品質(zhì)量相同。RDX、PETN、TNT和PC的標(biāo)稱樣品質(zhì)量分別為99ng、99ng、231ng和100ng。
納米量熱測量顯示了RDX、PETN、TNT和PC的納米量熱結(jié)果。圖2（a）顯示，在從室溫快速加熱到500°C以上的過程中，觀察到RDX的熔化和分解。187°C的一個峰與最近報道的亞穩(wěn)β-RDX的熔點(diǎn)（188°C）一致，202°C的另一個峰歸因于更穩(wěn)定的α-RDX的熔化（203°C–206°C）。PETN的結(jié)果如圖所示。圖2（b）顯示了熔化峰和分解峰，測量的熔化溫度為147°C，略高于文獻(xiàn)值，測量的分解溫度為304°C，遠(yuǎn)高于報告值。僅觀察到TNT的分解信號，如圖所示。圖2（c），沒有熔化信號。熔融峰的缺失可能取決于樣品的熱歷史和沉積條件，這在痕量檢測場測量中也*重要。PC的熔化在330°C和420°C之間是明顯的，如圖2（d）所示。
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▲ 圖2 （a）RDX、（b）PETN、（c）TNT和（d）PC的納米量熱法結(jié)果
圖3所示，PETN是在樣品面朝下和面朝上的情況下進(jìn)行測試的，表面朝下測量的樣品留下了一個干凈的表面；表面朝上測量的樣品在加熱器附近留下了許多小顆粒，這表明一部分樣品（或分解產(chǎn)物）以液滴的形式噴出，在附近重新沉積，并沒有真正蒸發(fā)，傳感器表面在測量后發(fā)生變化結(jié)果圖如下
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▲ 圖3 PETN表面取向效應(yīng)
使用噴墨打印進(jìn)行樣品遞送的優(yōu)點(diǎn)是具有樣品質(zhì)量和精確的樣品放置。將測量的熱容與體積值進(jìn)行比較，如圖4所示，根據(jù)熱容（藍(lán)色曲線）估計(jì)的質(zhì)量約為80ng，這比基于校準(zhǔn)噴墨打印機(jī)的質(zhì)量測量值（報告99ng）低約20%。加熱循環(huán)后，表觀熱容達(dá)到零，這表明傳感器上沒有樣品通過升華、蒸發(fā)、以氣溶膠形式從表面噴出/或分解的過程之一留下。
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▲ 圖4 熱容測量
納米量熱耦合質(zhì)譜將納米量熱儀與質(zhì)譜儀耦合，通過比較不同加熱速率下的熱解吸產(chǎn)物，探索評估加熱剖面對熱解吸影響的可行性，如圖5所示，擇了一種中等揮發(fā)性炸藥TNT作為例子。電離的TNT分子[M]?和相應(yīng)的碎片通過質(zhì)譜檢測，而TNT的熱財(cái)產(chǎn)則通過納米量熱法測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對于以不同加熱速率加熱的樣品，分解溫度和[M]?/[M-NO]?的比率是不同的。從結(jié)果可知，納米量熱法可以有效地與質(zhì)譜法相結(jié)合，以評估加熱速率對熱解吸的影響，然后可以將其用作研究加熱曲線的工具，以改進(jìn)痕量檢測。
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▲ 圖5 不同加熱速率下TNT的納米量熱耦合質(zhì)譜結(jié)果


結(jié)論

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所David A. LaVan團(tuán)隊(duì)為了研究熱解吸過程中的競爭過程，并評估加熱剖面對熱解吸的影響，通過使用MicroFab Jetlab II噴墨打印系統(tǒng)將四種中揮發(fā)性或低揮發(fā)性炸藥具有校準(zhǔn)的質(zhì)量沉積速率和精確定位的噴墨打印用于樣品沉積和質(zhì)量定量。沉積條件和納米量熱計(jì)的表面可以被調(diào)節(jié)以改變印刷材料的晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，噴墨打印可以用作制備表征痕量炸藥分析過程中的熱解吸過程的合適技術(shù)。


參考文獻(xiàn)：

[1]Yi, FengGillen, GregLawrence, JeffreyForbes, Thomas P.Staymates, MatthewLaVan, David A. Nanocalorimetry of explosives prepared by inkjet printing[J]. Thermochimica Acta: An International Journal Concerned with the Broader Aspects of Thermochemistry and Its Applications to Chemical Problems, 2020, 685(1).

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