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氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)在3D打印材料國產(chǎn)化中的應(yīng)用
近年來,3D打印技術(shù)在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,在未來工業(yè)4.0領(lǐng)域?qū)⒊蔀橹圃斓年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而,3D打印材料的供給形勢卻不容樂觀,這成為制約3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。在國內(nèi),3D打印原材料目前缺乏相關(guān)標準,有能力生產(chǎn)3D打印材料的企業(yè)很少,特別是所需金屬材料主要依賴進口,價格較高,造成3D打印產(chǎn)品的成本較高,嚴重影響了其產(chǎn)業(yè)化進程。因此,對3D打印材料清洗液和打印墨水的研發(fā)顯得尤為重要。
文中采用的材料為3D打印材料的一種,通過噴頭噴出打印墨水,選擇性地將硫酸鈣粉末粘結(jié)在一起。打印墨水由噴頭噴出并與硫酸鈣粉末粘結(jié),其材料成分直接關(guān)系到打印色彩和打印物件的強度。噴頭的使用直接關(guān)系到打印度、色彩等問題,也決定著產(chǎn)品質(zhì)量。仔細清潔堵塞的噴嘴可以延長噴嘴的使用壽命,增強噴嘴的使用效果,噴頭的分辨率。噴頭堵塞是打印機常見的故障。造成噴頭堵塞的原因很多,主要是打印機工作環(huán)境不良、打印膠水質(zhì)量太差或打印機閑置時間過長等原因引起。打印墨水的質(zhì)量是打印質(zhì)量的關(guān)鍵,清洗劑是維護噴頭的重要材料,本文通過采用氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)分析3D打印墨水和清洗劑的成分來探究作用機理。
1 實驗儀器與方法
1.1 試劑
本文選取清洗劑和黑色打印墨水作為分析材料。其中,清洗劑為無色無味溶液,用來清洗噴頭上的打印墨水;墨水為黑色無味溶液。通過卡爾費休水分測定儀檢測,清洗劑和黑色打印墨水中水分質(zhì)量分數(shù)分別為6l%和49%。
1.2 實驗儀器
采用美國Agilent公司生產(chǎn)的氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS),主要由氣相色譜、質(zhì)譜和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3部分組成。氣質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜儀的離子源主要是電子轟擊電離(EI)源,分析物經(jīng)EI源電離得到的質(zhì)譜圖通過標準譜庫自動檢索匹配。
1.3 GC-MS分析條件
色譜條件:色譜柱HP-5MS(30m×0.25mmx0.5μm);載氣為氦氣(99.999%),流量1.0mL/min;進樣量3.0μL;分流比1:15;進樣口溫度250℃;程序初始溫度80℃,以8℃/min的速度升溫至280℃,保持lOmin。
質(zhì)譜條件:電子轟擊(EI);離子化能量:70eV;離子源溫度:230℃;傳輸線溫度:250℃;掃描范圍:20-450amu;掃描方式:全離子掃描(SCAN)。
1.4 實驗方法
自動進樣技術(shù),進樣速度較快,沒時間加熱針頭,避免了揮發(fā)性組分通過針分餾或沸點高的化合物被吸附到針頭內(nèi)表面造成樣品損失。由于針頭拔出時非常迅速,揮發(fā)度低的分析物沒有機會在針的外表面冷凝下來,降低或消除了分析物的歧視效應(yīng)。因此,文中采用自動進樣器進樣技術(shù)。3D打印墨水和清洗劑分別采用氣相色譜一質(zhì)譜進行全離子掃描分析。結(jié)果用質(zhì)譜圖庫進行譜圖解析,并確認有機物的化學(xué)結(jié)構(gòu):用歸一化面積百分比法定量計算有機溶液的相對百分含量。
2 結(jié)果與分析
2.1 質(zhì)譜定性分析
實驗對3D打印墨水和清洗劑樣品分別進行了測試,由于不同有機物在色譜條件下的保留時間可能相同或相近,所以用保留時間定性分析會存在判斷物質(zhì)的不確定性。由于化學(xué)物的標準質(zhì)譜圖具有指紋性質(zhì),所以用化學(xué)物的質(zhì)譜圖來鑒定未知組分優(yōu)于用色譜的保留時間來定性。本文采用質(zhì)譜來定性分析未知物,大限度了分析的性。對所出各峰與質(zhì)譜標準庫進行了對比.3D打印墨水有機成分檢測結(jié)果如圖l所示,圖中出現(xiàn)了4組峰,保留時間分別為:1.4,2.6,3.2,6.6min,與標準庫比較顯示4種物質(zhì)分別為乙酰胺、丙三醇、2-吡咯烷酮、三乙醇胺。具體分析結(jié)果如表l所示,可以看出所測組分與標準質(zhì)譜圖庫的匹配度均高于80。
清洗劑有機成分檢測結(jié)果如圖2所示,圖中出現(xiàn)了5組峰,保留時間分別為:1.4,1.6,2.6,3.0,3.2min,與標準庫比較顯示5種物質(zhì)分別是:乙酰胺、乙二醇、丙三醇、山梨酸、N,N-二甲基乙酰胺。具體分析結(jié)果見表2,可以看出所測組分與標準質(zhì)譜庫的匹配度均高于80。
2.2 歸一化定量分析
當(dāng)樣品中所有組分均能流譜柱,并在檢測器上都能產(chǎn)生信號時,可用歸一化法定量。歸一化法具有簡便、的優(yōu)點,且進樣量的變化對定量結(jié)果影響很小。
3D打印墨水定量分析結(jié)果顯示,丙三醇含量高,達到96.40%.乙酰胺含量低,具體分析結(jié)果如表3所示。清洗劑定量分析結(jié)果如表4所示,丙三醇含量高,為96.00%,N,N-二甲基乙酰胺含量低。
2.3 3D打印墨水打印機理分析
打印墨水的主要成分是水分,半水硫酸鈣與水分反應(yīng)凝成二水硫酸鈣。乙酰胺、丙三醇、2-吡咯烷酮、三乙醇胺和水相互溶解,適當(dāng)?shù)囊阴0房烧{(diào)節(jié)溶液的pH值,減小打印墨水對打印機的腐蝕,且4種組分對打印噴頭沒有腐蝕作用。丙三醇為增溶劑,可以提高溶液中無機顏料的溶解性。2-吡咯烷酮為助粘劑,能夠粘附在各種基底上,在打印過程中能夠促進二水硫酸鈣的凝結(jié),增加凝結(jié)的速度。三乙醇胺為分散劑,分散那些難溶于液體的無機顏料固體和液體顆粒,同時也能防止顆粒的沉降和凝聚,提升光澤,降低粘度,增加顏料載入量,增加顏色飽和度、透明度。綜合而言,該3D打印墨水化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不與噴頭發(fā)生反應(yīng),能夠促進二水硫酸鈣的凝結(jié),能夠防止無機顏料的沉降和凝聚,閃點較高,不易燃,低毒性,使用安全。
2.4 清洗劑清洗機理分析
水基溶液加入丙三醇、乙二醇、乙酰胺可以增加山梨酸的溶解性。乙酰胺和乙二醇可以溶解噴頭殘留墨水中的有機物和無機顏料。適當(dāng)?shù)囊阴0房梢哉{(diào)節(jié)pH值,減小清洗劑對打印機的腐蝕,對清洗劑的穩(wěn)定性和清洗能力也有一定的幫助。加入少量的乙二醇可增強清洗劑的穩(wěn)定性和滲透力。丙三醇為潛水劑,能與水分子結(jié)合形成氫鍵并增加它們的介電常數(shù),能夠增強與難溶性有機物的互溶性,同時300以上丙三醇有防腐作用。山梨酸微溶水,易溶于丙三醇、乙二醇,能使溶液與山梨酸互溶,作為防腐劑對霉菌、酵母菌等真菌抑制性強。山梨酸在水基溶液中易氧化,但與乙二醇產(chǎn)生協(xié)同作用促進抑制真菌,對溶液起到一定的保護作用。丙三醇、乙二醇對金屬沒有腐蝕作用,可以噴頭在清洗過程中不被腐蝕。N,N-二甲基乙酰胺,是乙酰胺氨基的兩個氫被甲基取代后的衍生物,且相對含量很小,在此不予考慮。3D打印墨水是由乙酰胺、丙三醇、2-吡咯烷酮、三乙醇胺等組成的混合溶液,采用相似相溶原理來清洗,不會因清洗而帶來二次污染。綜合而言它們化學(xué)性能穩(wěn)定,不與噴頭發(fā)生反應(yīng):表面張力和粘度小,滲透力強:可以白行干燥;閃點較高,不易燃;低毒性,使用安全。
3 測試數(shù)據(jù)的性和重復(fù)性
為了數(shù)據(jù)的性和重復(fù)性,對3D打印墨水和清洗劑在相同條件下做了4組重復(fù)性實驗.3D打印墨水各組分相對標準偏差如表5所示,清洗劑各組分相對標準偏差如表6所示。結(jié)果表明:各組分相對標準偏差均<40.表明氣質(zhì)聯(lián)用儀在分析3D打印墨水和清洗劑的常規(guī)有機成分是可行的。
4 結(jié)束語
氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)是一項相對快捷、的分析技術(shù),是分析復(fù)雜組分的有效工具。在農(nóng)藥殘留、環(huán)境檢測、藥物成分、司法鑒定、未知物成分分析中得到越來越廣泛地應(yīng)用。本文通過氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)分析3D打印墨水和打印材料清洗劑,確定了其有機成分及相對含量,并對材料各成分的作用機理進行了分析該3D打印墨水化學(xué)性能穩(wěn)定,能夠促進二水硫酸鈣的凝結(jié),防止無機顏料沉降和凝聚;清洗劑化學(xué)性能穩(wěn)定,利用相似相溶原理可以清洗噴頭中的有機物和無機顏料。提升人們對3D打印材料的認識,對于國產(chǎn)化的研發(fā)有著重要指導(dǎo)意義,有利于促進我國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,更好地促進我國3D打印產(chǎn)業(yè)和工業(yè)4.0的融合。