Thermische Conductometry (TSC) scannen, als eine allgemeine Methode für die Untersuchung und Kontrolle das Phasenverhalten von leitfähigen körperlichen Gele

Summary

Die Kinetik des Kühlprozesses definiert die Eigenschaften von ionischen Gele basierend auf niedrigem Molekulargewicht Gelatoren. Dieses Manuskript beschreibt die Verwendung des thermischen Scan Conductometry (TSC), die volle Kontrolle über die Gelierung Prozess zusammen mit in Situ Messungen die Proben-Temperatur und Leitfähigkeit erhält.

Abstract

Der Thermo Scan Conductometry-Protokoll ist ein neuer Ansatz im Ionischen Gele basierend auf niedrigem Molekulargewicht Gelatoren zu studieren. Die Methode soll den dynamisch ändernden Status der Ionogels folgen und liefern weitere Informationen und Details über die subtile Veränderung der leitenden Eigenschaften mit einem Anstieg oder Rückgang der Temperatur. Darüber hinaus ermöglicht die Methode langfristig (z.B. Tage, Wochen) Messungen bei einer konstanten Temperatur zu untersuchen, die Stabilität und Langlebigkeit des Systems und die Alterungseffekte. Der Hauptvorteil der TSC-Methode gegenüber klassischen Conductometry ist die Fähigkeit zur Durchführung von Messungen bei der Gelierung, die mit der klassischen Methode durch Temperaturstabilisierung, unmöglich war, das dauert in der Regel eine lange Zeit vor der Einzelmessung. Es ist eine wohlbekannte Tatsache, dass um die physische Gel-Phase zu erhalten, die kühle Bühne schnell sein muss; Darüber hinaus können je nach Abkühlgeschwindigkeit, verschiedene Mikrostrukturen erreicht werden. Die TSC-Methode kann mit jedenfalls Kühlung/Heizung durchgeführt werden, die durch die Außentemperatur sichergestellt werden kann. In unserem Fall können wir lineare Temperatur ändern Preise zwischen 0,1 und ca. 10 ° C/min erreichen. Die thermische Conductometry scannen soll in Zyklen, ständig zwischen Heizen und kühlen Phasen arbeiten. Dieser Ansatz ermöglicht die Studie der Ausführbarkeit des Phasenübergangs thermisch reversibel Gel-Sol. Darüber hinaus ermöglicht es die Leistung der verschiedenen experimentelle Protokolle an derselben Probe, die in Ausgangszustand (falls erforderlich) ohne Ausbau von der Messzelle aktualisiert werden kann. Die Messungen können daher schneller, in effizienter Weise und mit viel höherer Reproduzierbarkeit und Genauigkeit durchgeführt werden. Darüber hinaus kann die TSC-Methode auch als Werkzeug verwendet werden, Ionogels mit gezielten Eigenschaften wie Mikrostruktur, mit einer sofortigen Charakterisierung der leitenden Eigenschaften herzustellen.

Introduction

Thermisch reversibel Ionogels
Physische Gelierung ist ein Prozess, der den Bau von Strukturen von selbst-zusammengebauten Geliermittel Molekülen in Anwesenheit der Lösungsmittel Moleküle ermöglicht. Aufgrund nicht-kovalente Wechselwirkungen für dieses Phänomen verantwortlich (z.B. Wasserstoff-Bindung, van der Waals Wechselwirkungen, Zerstreuung Kräfte, elektrostatische Kräfte, π-π stapeln, etc.), diese Systeme sind thermisch reversibel. Diese thermische Reversibilität, zusammen mit der sehr geringen Konzentration der Geliermittel und die Vielfalt der Systeme, die erstellt werden können, sind einige der wichtigsten Vorteile der physischen Gele über die chemische. Dank der einzigartigen Eigenschaften des physischen Gel Staates, zeichnen sich die Ionogels mit wünschenswerten Eigenschaften wie einfache recycling, lange Lebensdauer, verbesserten physikalischen Eigenschaften (z.B. ionische Leitfähigkeit), Leichtigkeit der Produktion, und Senkung der der Produktionskosten. Unter Berücksichtigung der oben genannten Vorteile der physischen Gele (die bereits eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen^1,2,3,4) galten diese als eine alternative Möglichkeit für verwendet werden Elektrolyt Erstarrung und den Erhalt von Ionogels^5,6,7,8. Die klassischen Conductometry war jedoch nicht empfindlich und genau genug, um solche dynamisch verändernden Systeme folgen. Daher konnte nicht erkennen, die Phasenübergänge und verbesserte Dynamik der Ionen in der Gel-Matrix-⁹. Der Grund für diese Unempfindlichkeit war der Zeitaufwand für die Temperaturstabilisierung, während die dynamische Veränderungen der Eigenschaften der Probe im Gange waren, bevor die Messung gestartet wurde. Außerdem wurde die Anzahl der gemessenen Temperaturen in Ordnung, nicht zu deutlich verlängern die experimentelle Zeit beschränkt. Daher wurde vollständig und genau charakterisieren die Ionogels, eine neue Methode benötigt, was wäre in der Lage, die dynamischen Veränderungen der Eigenschaften als Funktion der Temperatur zu folgen, und Daten kontinuierlich in Echtzeit aufzeichnen. Die Art und Weise die Gelierung Prozess durchgeführt wird bestimmt die Eigenschaften der erstellten Ionogel. Die intermolekularen nicht-kovalente Wechselwirkungen sind bei der Kühlung definiert; durch Änderung der Temperatur Gelierung und Kühlraten, kann man diese Interaktionen stark beeinflussen. Daher war es sehr wichtig, das System beim Abkühlen wenn die Gelierung stattfindet zu messen. Mit dem klassischen Ansatz war das unmöglich aufgrund der Temperatur Stabilisierungszeit für die Messung und die schnelle Abkühlgeschwindigkeiten erforderlich für erfolgreiche Gelierung. Jedoch mit der thermischen Conductometry Scanmethode diese Aufgabe ist sehr einfach, liefert genaue und reproduzierbare Ergebnisse und ermöglicht die Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Kinetik der thermischen Änderungen an der Probe auf Eigenschaften der Probe ¹⁰. Infolgedessen Ionogels mit gezielten Eigenschaften untersucht und zur gleichen Zeit hergestellt werden können.

Thermal Scan-Conductometry (TSC)
Die thermische Conductometry scannen soll eine reproduzierbare, präzise und schnelle reagiert experimentelle Methode für die Leitfähigkeitsmessung von dynamisch verändernden liefern und thermisch reversible Systeme wie Ionogels basierend auf niedrigem Molekulargewicht Gelatoren. Es kann jedoch auch mit Elektrolyten, ionische Flüssigkeiten und anderen leitenden Probe, die in der Messzelle platzierbar und Leitfähigkeit im Messbereich des Sensors verwendet werden. Darüber hinaus wurde die Methode neben der Forschungsanwendung erfolgreich eingesetzt zur Fertigung Ionogels mit gezielten Eigenschaften wie Mikrostruktur, Optik oder thermische Stabilität und eine genaue und einfache Moeglichkeit Übergangstemperatur phase. Abhängig von der Kinetik und der Geschichte der thermischen Behandlung mit der TSC-Methode gewinnen wir volle Kontrolle über einige grundlegenden Eigenschaften des physischen Gel-Systeme. Zusätzlich wurden in einer Video-Kamera überprüfen den Zustand der Probe und die Änderungen der Probe vor allem während der Gelierung und Lösungsprozesse aufzeichnen die Kammer ausgestattet. Ein weiterer Vorteil der TSC-Methode ist seine Einfachheit, wie das System aus einer standard Conductometer einen programmierbare Temperaturregler, der gasförmigen Stickstoff-Linie für das Heizen/Kühlen Medium, Kühlschrank, Messkammer und einem PC erstellt werden kann, die in den meisten Labors gefunden werden kann.

Der TSC experimentelle Website
Die thermische Conductometry Versuchsaufbau Scannen kann in fast jedem Labor mit relativ geringen Kosten gebaut werden. Im Gegenzug erhält man eine genaue, reproduzierbare und schnelle Methode zur Messung von flüssigen und halbfesten leitfähiger Proben an verschiedenen äußeren Bedingungen. Eine detaillierte Regelung des TSC experimentellen Aufbaus errichtet in unserem Labor erfolgt in Abbildung 1.

Abbildung 1: Blockschaltbild des Standortes Messung. Die Komponenten, bestehend aus Versuchsaufbau für Thermo Scan Conductometry-Methode arbeiten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Für die Temperaturänderung ein hausgemachte Temperaturregler wurde verwendet, aber jede Art von programmierbarer Temperatur-Controller, der die Temperatur linear mit einer definierten Geschwindigkeit ändern kann, kann verwendet werden. Für die thermische Isolierung wurde eine spezielle Kammer gebaut. Der Zweck der Verwendung eine Isolationskammer ist, horizontale Temperaturgradienten in der Probe zu minimieren und schnelle kühle Raten zu gewährleisten. Die Kammer besteht aus einem Glaszylinder mit einer 40 mm innerer Durchmesser und 300 mm Länge. An der Unterseite, wo das Heizgerät mit gasförmigem Stickstoff Buchten befinden, ist Ende des Einlasses mit einem Diffusor ausgestattet, um das warmes oder kaltes Gas gleichmäßig verteilt. Dies ist auch der Ort, wo der Temperaturfühler PT100 der Variable Temperatur-Steuerung (VTC) befindet. Die Temperatur der Probe wird unabhängig von der Temperaturfühler befindet sich in der Leitfähigkeitssensor erfasst. Darüber hinaus wurden in einer Video-Kamera überprüfen den Zustand der Probe und die Änderungen der Probe vor allem während der Gelierung und Lösungsprozesse aufzeichnen die Kammer ausgestattet. Die gasförmige Stickstoff gewonnenen Verdampfung von flüssigem Stickstoff in die 250 L Hochdrucktank dient als Wärme- und Kältesektor Medium. Der Arbeitsdruck in der Stickstoff-Linie ist auf 6 bar eingestellt und reduziert auf 2 Bar an der Messstelle. Diese Einstellungen können die Einholung der Volumenströme zwischen 4 und 28 L/min ohne Störungen, wodurch eine Abkühlrate von 10 ° C/min. Um die Anfangstemperatur der Stickstoffgas zu senken, der externen Kühlschrank verwendet wurde, und die verminderte Temperatur betrug 10 ° C. Dies ermöglicht die Erlangung guter Linearität der Temperaturänderung, Raumtemperatur ab. Beim schnellen Abkühlen sinkt die Temperatur des Gases Stickstoff bis-15 ° C, hohe Abkühlgeschwindigkeiten zu unterstützen. Es ist notwendig zu gasförmigen Stickstoff verwenden, und nicht einmal trockene Luft, um zu vermeiden, Vereisung der Kühlschrank wegen der niedrigen Temperaturen.

Die Proben wurden in ein Fläschchen mit Innendurchmesser 9 mm und 58 mm Länge eingefügt, aus Polypropylen und ausgestattet mit einem Schraubverschluss, mit einem Gummiring zum fest verschließen. Die Ampullen eingesetzt werden bis zu 120 ° C. (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: das Bild von einem Polypropylen Fläschchen und der Halterung auf der Leitfähigkeitssensor. (1) die Polypropylen Vial, (2) die Schraubkappe mit Gummiring, 2a - montiert auf Leitfähigkeitssensor, (3) das Fläschchen mit montierten Leitfähigkeitssensor, gesichert mit Teflonband Schraubkappe Schraubkappe. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Protocol

1. Vorbereitung des Standortes experimentelle für TSC-Messung

1. Um die vollständigen Eigenschaften der TSC-Methode zu messen, verwenden Sie die im Handel erhältlichen Conductometer mit vier Elektrode Zellen (alternativ zwei Elektroden, die Zellen für niedrigen Leitfähigkeiten verwendet werden können) und einem Temperatursensor ausgestattet. An den PC anschließen und aufnehmen, die Leitfähigkeit und Temperatur der Probe (4 % Gew.-% des methyl-4,6-O-(p-nitrobenzylidene)-α-D-glucopyranoside in 1 M molare Konzentration von Tetraethylammonium Bromid - TEABr in Glycerin - Glycerin verwendet im untersuchten Fall, siehe Absatz 3 Ionischen Gel Probenvorbereitung) zusammen mit der Uhrzeit des Computers.
2. Für automatische anzeigen, verwenden Sie die Software des Herstellers zusammen mit der Conductometer und soll dem Messbetrieb kontinuierlich mit Intervall Lesungen pro 1 s.
3. Vorbereiten die Stickstoff-Linie (Füllung der Hochdruck-Stickstoff Behälter mit flüssigem Stickstoff und beginnen, es zu gasförmigen Stickstoff in der Stickstoff-Linie verdampfen), und stellen Sie den Druck, 2 Bars und erforderlichen Durchfluss, dann sinken die Anfangstemperatur der Stickstoffgas mit Hilfe eines Kühlschranks.
4. Fest der Schraubverschluss der Flasche auf den leitfähigen Sensor montieren und befestigen Sie es mit einem Stück Teflonband (entscheidend mit flüchtigen Proben) (siehe Abbildung 2).

2. Vorbereitung des Elektrolyt-Lösung

1. Bereiten Sie die Elektrolyte durch Mischen einer entsprechenden Menge an Glycerin, als Lösungsmittel und Tetraethylammonium Bromid (TEABr) verwendet (Verwendung Waage wiegen die erforderliche Menge an Verbindungen entsprechend für die Konzentration benötigt für die Untersuchung), verwendet als ein gelöster Stoff eine Glasphiole fest geschlossen und bei 100 ° C für 15 min erhitzt.
2. Zunächst rühren Sie die Mischung für 1 min und Wärme, die sie wieder bei 100 ° C für 5 min um sicherzustellen, dass der gelöste Stoff aufgelöst ist und die Mischung homogen ist.
3. Verwenden Sie diese Elektrolytlösungen für Messungen, und danach zur Vorbereitung des Ionogels vorbereitet.

3. Vorbereitung der niedermolekularen Ionischen Gele

1. Vorbereiten der Ionogels von Elektrolytlösungen (siehe Abschnitt 2) indem Sie 4 mL 1 M TEABr/Glycerin-Elektrolyt-Lösung 4 % erhalten 178,6 mg von niedermolekularen Geliermittel hinzufügen Gew.-% der Ionischen Gel Probe.
   Hinweis: Die chemische Synthese von den verwendeten Geliermittel wurde an anderer Stelle beschrieben¹¹.
2. Die Geliermittel auflösen, Glasfläschchen mit der Elektrolytlösung hinzufügen und Erhitzen bei 130 ° C für 20 min mit zusätzlichen rühren Auflösung unterstützen.
3. Nach dem völlig auflösen der Geliermittel, erhitzen Sie die Mischung für eine zusätzliche 5 min um sicherzustellen, dass die Probe homogen ist.
4. Als nächstes schnell abkühlen der Probe in einem trockenen Kühlblock bei 10 ° C um physische Gelierung zu gewährleisten. Nach dem Eingriff sollte eine homogene, transparent oder opak Gel-Phase (Abbildung 3) eingeholt werden.
   Hinweis: Nachdem die erste Gelierung durchgeführt worden, die Probe wird flüssig, beim Drehen auf Sol-Phase bei hohen Temperaturen, aber nach seiner Rückkehr nach Raumtemperatur sich herausstellt, dass die Gel-Phase wieder. Für den Gel-Sol-Phasenübergang erforderliche Temperatur ist niedriger als die Temperatur für die Auflösung des kristallinen Geliermittel benötigt. Ändern Sie die Kinetik der der kühlenden Bühne, kann man die physikalischen Eigenschaften des erhaltenen Ionogel, Mikrostruktur, Optik oder Gel-Sol-Phase-Sprungtemperatur (T_gs) beeinflussen.

Abbildung 3 : Die physische Erscheinung der untersuchten Probe. 1M TEABr/Glycerin Elektrolyten (ein), 4 % Ionogel mit 1 M TEABr/Glycerin Elektrolyt in transparente Phase (b), 4 % Ionogel mit 1 M TEABr/Glycerin Elektrolyt in undurchsichtigen Phase (c). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

4. in Situ Thermal Scan-Conductometry Ionogels

1. Zur Vorbereitung der Probenmaterials auf TSC Messung Heizen Sie die Ionogel über der T-_gs -Temperatur 94,85 ° C im untersuchten Fall. Nachdem sich, Sol-Phase herausstellt auf die vorgekühlte Polypropylen Flasche übertragen. Durch die schnelle Abkühlung der Sol entsteht die Gel-Phase.
2. Das Fläschchen einfügen Sie Leitfähigkeitssensor (mit dem Schraubverschluss der Flasche drauf), indem man es in das Gel, festziehen Sie Schraubkappe und sichern Sie es mit Teflonband.
3. Führen Sie den TSC Messung und Aufzeichnung Leitfähigkeit, Temperatur und Leitfähigkeit Vs Temperatur, Temperatur Vs Zeit und Leitfähigkeit Vs Zeitabhängigkeit Vorbereitungszeit. Wiederholen Sie die Messung im untersuchten Temperaturbereich (9,85-99,85 ° C) im Heiz-Kühl-Zyklen (mindestens 2 Mal).
   Hinweis: Denken Sie daran: 1^St -Zyklus verwendet, um alle Abweichungen von der Probe, verursacht durch die Vorbereitung-Verfahren zu beseitigen.
4. Führen Sie die Messungen mit unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten (7 ° C/min, 4 ° C/min und 1 ° C/min im untersuchten Fall), um zu erkunden, wie es die leitfähigen und thermischen Eigenschaften der untersuchten Ionogels beeinflusst.
   Hinweis: um zu demonstrieren wie die TSC-Methode als Instrument eingesetzt werden kann, Ionogels mit gezielten Eigenschaften zu erhalten, wurde eine Reihe von Experimenten mit nichtwässrigen Ionogel basierend auf Geliermittel 1, Glycerin und TEABr aufgeführt und präsentiert in diesem Manuskript.

5. Beispiel für TSC-Messung

1. Legen Sie die untersuchten Ionogel in die Flasche, und die Leitfähigkeitssensor einschieben.
2. Führen Sie die 1^St Heiz-Kühl-Zyklus zur Verbesserung der Elektrodenkontakt und entfernen alle Unvollkommenheiten der Platzierung der Probe in das Fläschchen und gesehen wie Kratzer, Risse, infolge Ionogel Mikrostruktur und Luftblasen in das Gel enthalten.
3. Messen der Leitfähigkeit und Temperatur zusammen mit der Zeit während der 2^Nd und 3^rd Heiz-Kühl-Zyklus um die Leistung der Ionogel und die Reproduzierbarkeit des Systems zu untersuchen. Legen Sie die Heizrate auf 2 ° C/min und Abkühlgeschwindigkeit auf 7 ° C/min und Gelierung Temperatur um 10 ° C. Dadurch erhalten Sie eine transparentes Gel-Phase.
4. Führen Sie die 4^th und 5^th Heiz-Kühl-Zyklus, mit Heiz- und Kühlraten gleich 2 ° C/min und die Gelierung Temperatur gleich 10 ° C. Dadurch erhalten Sie eine Mischung aus den transparenten und deckenden Gel-Phasen.
5. Führen Sie die 6^th und 7^th Heiz-Kühl-Zyklus mit Heizung und Kühlung gleich 2 ° C/min und einer Gelierung Temperatur 60 ° c gleich Preise Als Ergebnis erhalten Sie eine undurchsichtige, weiße Gel-Phase.
6. Führen Sie die Analyse der 1^St Derivate für aufgezeichnete Daten, Unterschiede zwischen den Proben zu sehen.
7. Halten Sie die Probe für 20 min an jedem der Gelierung Temperaturen um sicherzustellen, dass die Gelierung abgeschlossen ist.

Results

Die Organische ionische Gele bilden eine neue Klasse von Funktionsmaterialien, die eine alternative Lösung für Polymer-Gel-Elektrolyte werden kann. Um dieses Ziel zu erreichen, haben jedoch diese Gele tief untersucht und verstanden werden. Die thermisch reversibel Charakter des Prozesses Gelierung und die dynamisch ändernden Eigenschaften der Temperatur und Phase auftreten, benötigt eine neue experimentelle Methode ermöglicht die Erfassung und Erkennung von subtilen Veränderungen in Tempe...

Discussion

Die Thermal Scan-Conductometry ist eine neue experimentelle Methode, die zu einer effizienten und effektiven Weg der Untersuchung dynamisch verändernden Systeme wie Ionogels basierend auf niedrigem Molekulargewicht Gelatoren, Elektrolyte oder ionische Flüssigkeiten erwiesen hat. Ihre Anwendbarkeit ist jedoch nicht nur auf Ionogels beschränkt. Die TSC-Methode kann leicht verwendet werden, mit anderen Arten der Durchführung von weicher Materie Systeme wie Hydrogele, Emulsionen, Cremes oder Abgaben mit Träger, in denen die ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
SevenCompact S230 Konduktometer	Mettler-Toledo		ausgestattet mit InLab 710 Sensor
, selbstgebaute VTC
LabX PH 3.2 Software	Mettler-Toledo		Software für die Datenerfassung,
Tetraethylammoniumbromid	Sigma-Aldrich	140023
Glycerin	Sigma-Aldrich	G5516
Methyl-4,6-O-(p-nitrobenzyliden)-a-D-glucopyranose			syntheziert nach Gronwald, O., Shinkai, S., J. chem. Soc., Perkin Trans. 2 1933-1937 (2001).
[im]HSO4			synthezeid von der Gruppe von Prof. Mohammad Ali Zolfigol, Fakultät für Chemie Bu-Ali Sina Universität Hamedan, I.R.Iran  nach Bielejewski, M., Ghorbani, M., Zolfigol, M., Tritt-Goc, J., Noura, S., Narimani, M., Oftadeh, M. RSC Adv. 6, 108896-108907 (2016).
Polypropylen-Fläschchen	Paradox Company, Krakau, Polen	PTC 088	www.insectnet.eu