氣質聯用技術在3D打印材料國產化中的應用

近年來，3D打印技術在國內外得到了快速發展，應用領域越來越廣，在未來工業4.0領域將成為制造的關鍵環節。然而，3D打印材料的供給形勢卻不容樂觀，這成為制約3D打印產業發展的瓶頸。在國內，3D打印原材料目前缺乏相關標準，有能力生產3D打印材料的企業很少，特別是所需金屬材料主要依賴進口，價格較高，造成3D打印產品的成本較高，嚴重影響了其產業化進程。因此，對3D打印材料清洗液和打印墨水的研發顯得尤為重要。 
　　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在一起。打印墨水由噴頭噴出并與硫酸鈣粉末粘結，其材料成分直接關系到打印色彩和打印物件的強度。噴頭的使用直接關系到打印度、色彩等問題，也決定著產品質量。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境不良、打印膠水質量太差或打印機閑置時間過長等原因引起。打印墨水的質量是打印質量的關鍵，清洗劑是維護噴頭的重要材料，本文通過采用氣質聯用技術分析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量分數分別為6l%和49%。 
　　1.2 實驗儀器 
　　采用美國Agilent公司生產的氣相色譜質譜聯用儀（GC-MS），主要由氣相色譜、質譜和數據處理系統3部分組成。氣質聯用質譜儀的離子源主要是電子轟擊電離（EI）源，分析物經EI源電離得到的質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，進樣速度較快，沒時間加熱針頭，避免了揮發性組分通過針分餾或沸點高的化合物被吸附到針頭內表面造成樣品損失。由于針頭拔出時非常迅速，揮發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。因此，文中采用自動進樣器進樣技術。3D打印墨水和清洗劑分別采用氣相色譜一質譜進行全離子掃描分析。結果用質譜圖庫進行譜圖解析，并確認有機物的化學結構：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 結果與分析 
　　2.1 質譜定性分析 
　　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的不確定性。由于化學物的標準質譜圖具有指紋性質，所以用化學物的質譜圖來鑒定未知組分優于用色譜的保留時間來定性。本文采用質譜來定性分析未知物，大限度了分析的性。對所出各峰與質譜標準庫進行了對比.3D打印墨水有機成分檢測結果如圖l所示，圖中出現了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種物質分別為乙酰胺、丙三醇、2-吡咯烷酮、三乙醇胺。具體分析結果如表l所示，可以看出所測組分與標準質譜圖庫的匹配度均高于80。 
　　清洗劑有機成分檢測結果如圖2所示，圖中出現了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。具體分析結果見表2，可以看出所測組分與標準質譜庫的匹配度均高于80。 
　　2.2 歸一化定量分析 
　　當樣品中所有組分均能流譜柱，并在檢測器上都能產生信號時，可用歸一化法定量。歸一化法具有簡便、的優點，且進樣量的變化對定量結果影響很小。 
　　3D打印墨水定量分析結果顯示，丙三醇含量高，達到96.40%.乙酰胺含量低，具體分析結果如表3所示。清洗劑定量分析結果如表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，適當的乙酰胺可調節溶液的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，增加凝結的速度。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打印墨水化學性質穩定，不與噴頭發生反應，能夠促進二水硫酸鈣的凝結，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。適當的乙酰胺可以調節pH值，減小清洗劑對打印機的腐蝕，對清洗劑的穩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定性和滲透力。丙三醇為潛水劑，能與水分子結合形成氫鍵并增加它們的介電常數，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，但與乙二醇產生協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。綜合而言它們化學性能穩定，不與噴頭發生反應：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 測試數據的性和重復性 
　　為了數據的性和重復性，對3D打印墨水和清洗劑在相同條件下做了4組重復性實驗.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。結果表明：各組分相對標準偏差均<40.表明氣質聯用儀在分析3D打印墨水和清洗劑的常規有機成分是可行的。 
　　4 結束語 
　　氣相色譜質譜聯用技術是一項相對快捷、的分析技術，是分析復雜組分的有效工具。在農藥殘留、環境檢測、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用。本文通過氣質聯用技術分析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打印墨水化學性能穩定，能夠促進二水硫酸鈣的凝結，防止無機顏料沉降和凝聚；清洗劑化學性能穩定，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，對于國產化的研發有著重要指導意義，有利于促進我國3D打印產業的發展，更好地促進我國3D打印產業和工業4.0的融合。