Diffuse Reflexion Infrarot-spektroskopische Identifizierung von Dispergiermittel / Particle Bindungsmechanismen in Functional Inks

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die auf dispergierten Partikeln in kolloidalen Dispersionen adsorbierten Dispergiermittel-Moleküle zu identifizieren. Dies wird erreicht, indem zunächst die kolloidale Lösung zentrifugiert wird, um die Partikel vom Dispergiermittel zu trennen. Anschließend werden die isolierten Partikel mit Lösungsmitteln gewaschen, durch Zentrifugation zurückgewonnen und im Ofen getrocknet.

Das getrocknete Sediment wird dann in einer Kaliumbromid-Matrix vermischt und zu einem feinen Pulver gemahlen. Schließlich wird die Mischung in eine Probenhalterung gegeben und mittels diffuser Reflexions-Infrarot-Fourier-Transformations-Spektroskopie gemessen. Letztendlich erfolgt die diffuse Reflexions-Infrarot-Fourier-Transformations-Spektroskopie.

Ihre transformierte Spektroskopie wird verwendet, um Chemi-Orb- und Esor-Dispersionsmoleküle zu identifizieren. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber anderen Methoden wie der attenuierten Totalreflexions-Infrarotspektroskopie besteht darin, dass bei dieser Technik Störungen durch das Lösungsmittel minimiert werden. Somit kann diese Technik helfen, zentrale Fragen im Bereich der Kollaretten- und Oberflächenwissenschaft zu beantworten, beispielsweise, wie funktionelle Partikel in kolloidalen Dispersionen stabilisiert werden.

In diesem Video werde ich das Verfahren zur Infrarotspektroskopie demonstrieren, einschließlich der Probenvorbereitung und -messung, um oberflächenfunktionalisierte Partikel aus einer kolloidalen Dispersion zu isolieren. Pipettieren Sie zunächst genügend Tinte in ein frisches kegelförmiges Gefäß, sodass die Gesamtmasse der Partikel mindestens zwei Gramm beträgt. Geben Sie das Gefäß in einen Schwenkrotor einer Laborzentrifuge und zentrifugieren Sie die funktionalisierten Partikel 30 bis 90 Minuten lang.

Bei Raumtemperatur sollte die Zentrifugationsgeschwindigkeit für eine geeignete Partikelsedimentation so optimiert werden, dass innerhalb von 90 Minuten ein klarer, transparenter Überstand erzielt wird. Danach den Überstand in ein frisches Gefäß umpipettieren und eine Aliquotprobe für weitere Analysen aufbewahren. Was den Pellet-Anteil betrifft, stellen Sie das ungekapselte Gefäß kopfüber auf ein Papiertuch und lassen Sie verbleibende Tröpfchen des Überstands am Gefäß entlanglaufen, damit sie vom Tuch aufgesaugt werden.

Spülen Sie die obere Schicht des fest gepressten Pellets, indem Sie zwei Milliliter frisches Lösungsmittel mit derselben Zusammensetzung wie in der ursprünglichen Tintenformulierung hinzufügen. Dekantieren Sie sofort den Überstand und wiederholen Sie den Waschschritt noch dreimal. Vortexen Sie das Gefäß zu keinem Zeitpunkt während dieser Waschschritte.

Nach dem letzten Spülgang die ungekapselte Tube für fünf Minuten umgedreht platzieren und verbleibendes Lösungsmittel durch Abwischen mit einem Docht entfernen. Anschließend die funktionalisierten Partikel mit einem Metallspatel aus der Tube auf eine saubere, trockene Uhrglasoberfläche überführen. Falls gewünscht, überschüssige Partikel von der Spatelspitze mit einem fusselfreien, nicht abrasiven Wattestäbchen oder der Spitze eines anderen Spatels reinigen.

Legen Sie die Uhrglasprobe in einen Ofen mit 50 Grad Celsius und lassen Sie das Lösungsmittel langsam über einen Zeitraum von etwa 24 Stunden von den Partikeln verdunsten. Die Sedimente können bis zu drei Wochen lang im Ofen oder einem anderen sauberen, trockenen Ort aufbewahrt werden, bevor sie weiterverarbeitet werden. Zur Untersuchung der oberflächenfunktionalisierten Tintenpartikel mittels diffuser Reflexions-Infrarotspektroskopie stehen eine Vielzahl von FTIR-Spektrometern zur Verfügung.

Mit einer Streu-Reflexions-Messeinrichtung können die meisten Tintenpartikel analysiert werden. Ein standardmäßiger deuterierter L-Alanin-dotierter Triglycin-Sulfat-Detektor bietet ausreichende Empfindlichkeit für den Nachweis. Schalten Sie die Infrarotlampenquelle ein und lassen Sie die Lampe mindestens eine Stunde lang aufwärmen, um das Signal-Rausch-Verhältnis in der IR-Spektroskopie zu verbessern.

Führen Sie die Kammerreinigung durch und lassen Sie die Lampe mindestens einen Tag vor den Messungen stabilisieren. Dieser Schritt muss vor der Ausrichtung durchgeführt werden. Um den Einrichtungsprozess zu beginnen, platzieren Sie das diffus reflektierende Probenzubehör in das Probenfach des Spektrometers und richten Sie das Probenzubehör selbst gemäß den Herstelleranweisungen aus.

Nach dem Verschließen der Probenkammer gleichen Sie den Feuchtigkeits- und Kohlendioxidgehalt in der Kammer aus, indem Sie gemäß den Herstellerangaben Ihres Geräts einen kontinuierlichen Strom trockenen Stickstoffs oder Kohlendioxids oder freier trockener Luft mit einer bestimmten Durchflussrate zuführen. Überwachen Sie den Rückgang der Hintergrund-IR-Signale für Wasser und Kohlendioxid in Echtzeit. Notieren Sie im Abstand von einer bis zwei Minuten jeweils den Zeitpunkt, zu dem beide Hintergrund-IR-Peaks zufriedenstellende Werte erreicht haben.

Die Voraussetzung für einen erfolgreichen Probenvorbereitungsablauf ist das Vorhandensein der folgenden Hilfsmittel: ein kleiner 35-Millimeter-Agatmörser mit Pistill, ein kleiner Metallspatel, ein Rasierklinge und zwei Probenträger für die diffuse Reflexion im Infrarotbereich. Reinigen Sie zunächst jedes Hilfsmittel manuell mit Aceton. Stellen Sie alle Hilfsmittel in einen auf 50 Grad Celsius eingestellten Ofen und lassen Sie sie 10 Minuten lang trocknen.

Nach der Trockenhitzebehandlung lassen Sie die Gegenstände zusammen mit den Zubehörteilen langsam auf der Laborbank auf Raumtemperatur abkühlen. Nehmen Sie die zuvor getrockneten Tintenpartikel aus dem Ofen bei 50 Grad Celsius heraus. Legen Sie ein Blatt Wiegepapier auf eine Mikrowaage.

Messen Sie sorgfältig 25 Milligramm der Tintenteilchen ab und lassen Sie die Teilchen vorerst auf der Mikrowaage. Wenn die Zubehörteile für die Probenvorbereitung abgekühlt sind, geben Sie 0,5 Gramm Kaliumbromidpulver für die Infrarotspektroskopie in die Agatmörser.

Da Kaliumbromid hygroskopisch ist, empfiehlt es sich, kommerziell erhältliche, vorgemessene Kaliumbromid-Packungen zu verwenden, um die Gefahr von überschüssigem Wasser zu minimieren. Bei der Dampfadsorption während des Wang-Verfahrens wird das Kaliumbromid mit Hilfe von Mörtel und Pistill gemahlen, bis das Pulver gleichmäßig erscheint. Danach füllt man vorsichtig eine der Infrarot-Probenkapseln mit dem gemahlenen Kaliumbromidpulver fast bis zum Rand.

Drücken Sie die Oberfläche des Pulvers leicht mit dem stumpfen Ende des Pistills an und füllen Sie die Probenkappe vorsichtig nach. Mit einer Rasierklinge glätten Sie die Oberfläche des Pulvers sorgfältig, sodass sie bündig mit dem Rand der Probenkappe abschließt; die fertige Probe aus reinem Kaliumbromid in der Probenkappe wird als Referenzprobe bezeichnet.

Um die Versuchsprobe vorzubereiten, öffnen Sie eine neue Packung mit 0,5 Gramm Kaliumbromid und gießen Sie sie in die Mörserauflage. Geben Sie dieses Kaliumbromid-Bett zusammen mit den zuvor abgewogenen 25 Milligramm Tintenpartikeln in den Mörser und verreiben Sie die Mischung mit Pistill und Mörser, bis beide Pulver eine einheitliche Konsistenz und Erscheinung aufweisen. Überführen Sie nun die Mischung aus Tintenpartikeln und Kaliumbromid vorsichtig in eine neue Probenschale für die Infrarotspektroskopie.

Drücken Sie die Oberfläche des Pulvers mit dem stumpfen Ende des Pistills nach unten und füllen Sie die Probenkapsel vorsichtig mit weiterem Pulver auf. Glätten Sie abschließend überschüssiges Pulver mit einem Rasiermesser. Die Referenz- und Versuchsproben sind nun bereit für die Infrarotspektroskopie-Messungen.

Platzieren Sie zunächst sowohl die Referenz- als auch die Probenbecher in den Halter und setzen Sie den Halter dann in die Probenkammer ein. Positionieren Sie den Halter so, dass der Referenzbecher mit den reinen Kaliumbromid-Kristallen mit dem Infrarot-Beleuchtungspfad ausgerichtet ist. Schließen Sie die Infrarot-Probenkammer schnell und bringen Sie die Kammer erneut ins Gleichgewicht, indem Sie trockene Luft oder Stickstoff für die vorab festgelegte Zeit zum Ausgleich der Wasser- und Kohlendioxidkonzentrationen durchströmen lassen.

Normalerweise mindestens fünf Minuten, um die Hintergrundspitzen von Wasser und Kohlendioxid zu verringern. Minimieren Sie die Belüftungszeit während des Probenauftrags. Nach dem Spülen der Kammer bestrahlen Sie die reine Kaliumbromid-Referenzprobe mit Infrarotstrahlung und messen die Spektren innerhalb der interessierenden Frequenzen.

Die Anzahl der Scans sollte optimiert werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu maximieren und gleichzeitig die Messdauer zu minimieren. Öffnen Sie nach der Erfassung der Referenzspektren das Infrarot-Probenfach und positionieren Sie den Halter so um, dass die experimentelle Probenkapsel mit dem Infrarot-Beleuchtungspfad ausgerichtet ist. Schließen Sie das Probenfach erneut und lassen Sie ausreichend Zeit für die Re-Äquilibration unter Spülen mit trockenem Stickstoff oder Luft, bis die Äquilibration erreicht ist. Beginnen Sie anschließend mit der Aufnahme der Infrarotspektren der experimentellen Probe mittels diffuser Reflektanz-Infrarotspektroskopie.

Die Daten legen nahe, dass bei einer Dispersion von Nickel(II)-oxid, Butanol und Ölsäure die Assoziation der Ölsäure an der Oberfläche der Nickel(II)-oxid-Partikel über die Carbonylgruppe und die Hydroxylgruppe der Fettsäure vermittelt sein könnte. Anhand der Infrarotspektroskopiedaten lassen sich einige Möglichkeiten spekulieren, wie Carbonsäuregruppen mit einer Metalloxidoberfläche interagieren könnten. Bei der diffusen Reflektions-Infrarotspektroskopie können geringfügige Abweichungen in der Probenvorbereitung und im Geräte-Setup-Protokoll, beispielsweise die Infrarotlampe oder die Aufwärmzeit vor der Messung, das Signal-Rausch-Verhältnis, die Qualität der Basislinie sowie die Reproduzierbarkeit der spektroskopischen Messungen erheblich verschlechtern. Nach diesem Verfahren können zusätzliche Experimente mittels attenuierter Totalreflexions-Infrarotspektroskopie durchgeführt werden, um weitere Fragen zu beantworten, beispielsweise, ob die Anwesenheit von Adsorbaten oder die Mechanismen der Adsorption durch das Lösungsmittel beeinflusst werden. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.