Thermische Conductometry (TSC) scannen als een algemene methode voor het bestuderen van en het beheren van het gedrag van de fase van geleidende fysieke Gels

Summary

De kinetiek van het koelproces definieert de eigenschappen van Ionische gelen op basis van laag molecuulgewicht gelators. Dit manuscript beschrijft het gebruik van thermische scannen conductometry (TSC), die volledige zeggenschap over het proces van gelering, samen met in situ metingen van de monsters temperatuur en geleidbaarheid verkrijgt.

Abstract

Het thermische scannen conductometry protocol is een nieuwe aanpak bij het bestuderen van de Ionische gels op basis van laag molecuulgewicht gelators. De methode is ontworpen te volgen van de dynamisch veranderende status van de ionogels, en om het leveren van meer informatie en details over de subtiele verandering van geleidende eigenschappen met een toename of afname van de temperatuur. De methode kan bovendien de prestaties van de lange termijn (bijvoorbeeld dagen, weken) metingen bij een constante temperatuur te onderzoeken van de stabiliteit en duurzaamheid van het systeem en de effecten van veroudering. Het belangrijkste voordeel van de TSC-methode over klassieke conductometry is de mogelijkheid metingen uit te voeren tijdens het proces van gelering, dat was onmogelijk met de klassieke methode als gevolg van thermische stabilisatie, wat gewoonlijk een lange tijd voordat duurt de Individuele meting. Het is een bekend feit dat voor het verkrijgen van de fysieke gel-fase, de koeling fase snel moet; Bovendien, afhankelijk van de koeling tarief, verschillende microstructuren kunnen worden bereikt. De TSC-methode kan worden uitgevoerd met ieder geval koeling/verwarming die kan worden verzekerd door het systeem van de buitentemperatuur. In ons geval kunnen we lineaire temperatuur verandering tarieven tussen 0,1 en ongeveer 10 ° C/min. De thermische conductometry scannen is ontworpen om te werken in cycli, steeds veranderende tussen verwarming en koeling stadia. Een dergelijke benadering kunt studie van de reproduceerbaarheid van de faseovergang thermisch omkeerbare gel-sol. Het staat bovendien de prestaties van verschillende experimentele protocollen op hetzelfde monster, die kan worden vernieuwd in oorspronkelijke toestand (indien nodig), zonder verwijdering van de meetcel. Daarom de metingenmogen sneller, in een meer efficiënte manier en met veel hogere reproduceerbaarheid en nauwkeurigheid. Bovendien, kan de TSC-methode ook worden gebruikt als een instrument voor de vervaardiging van de ionogels met gerichte eigenschappen, zoals de microstructuur, met een directe karakterisering van geleidende eigenschappen.

Introduction

Thermisch omkeerbare Ionogels
Fysieke gelering is een proces waarmee de opbouw van structuren van zelf geassembleerde gelator moleculen in aanwezigheid van de oplosmiddelen moleculen. Niet-covalente karakter van de interacties die verantwoordelijk is voor dit verschijnsel (bijvoorbeeld waterstof binding met van der Waals interacties, dispersie krachten, elektrostatische krachten, π-π stapelen, etc.), deze systemen zijn thermisch omkeerbaar. Deze thermische omkeerbaarheid, samen met de zeer lage concentratie van de gelator en de grote verscheidenheid van de systemen die kunnen worden gemaakt, zijn enkele van de belangrijkste voordelen van fysieke gels boven chemische. Dankzij de unieke eigenschappen van de fysieke gel staat, de ionogels worden gekenmerkt met wenselijke functies zoals gemakkelijke recycling, lange cyclus leven, verbeterde fysische eigenschappen (b.v. Ionische geleidbaarheid), productie, gebruiksgemak en verlaging van de productiekosten. Rekening houdend de met de bovenstaande voordelen van fysieke gels (die al een breed scala van verschillende toepassingen^1,,^2,,^3,4), werden deze verondersteld te worden gebruikt als een alternatieve manier voor elektrolyt stollen en het verkrijgen van ionogels^5,,^6,,^7,8. De klassieke conductometry was echter niet gevoelig en nauwkeurig genoeg is te volgen van dergelijke dynamisch veranderende systemen. Dus, het kon niet detecteren de fase-overgangen en verbeterde dynamiek van ionen in de gel matrix⁹. De reden voor deze ongevoeligheid was de tijd die nodig is voor de stabilisatie van de temperatuur, waarin dynamische veranderingen van de eigenschappen van het monster aan de gang waren voordat de meting werd gestart. Bovendien beperkt het aantal gemeten temperaturen was in orde, niet aanzienlijk de experimentele om tijd te verlengen. Daarom, volledig en nauwkeurig karakteriseren de ionogels, een nieuwe methode moest worden, die zou kunnen te volgen van de dynamische veranderingen van eigenschappen als functie van de temperatuur, en continu registreren van gegevens in real-time. De manier waarop die de gelering proces verloopt bepaalt de eigenschappen van de gemaakte ionogel. De intermoleculaire niet-covalente interacties zijn gedefinieerd in de koeling fase; door het veranderen van de gelering temperatuur en koeling van tarieven, kan een sterk beïnvloeden die interacties. Het was dus uiterst belangrijk voor het meten van het systeem tijdens het koelen wanneer de gelering plaatsvindt. Met de klassieke aanpak was dit niet mogelijk vanwege de temperatuur stabilisatie tijd voor het meten, en de snelle koeling tarieven die nodig zijn voor succesvolle gelering. Echter met de thermische conductometry methode voor het scannen deze taak is zeer eenvoudig, levert nauwkeurige en reproduceerbare resultaten, en het stelt het onderzoek van de invloed van verschillende kinetiek van thermische wijzigingen toegepast op het monster op monster eigenschappen ¹⁰. Dientengevolge, de ionogels met gerichte eigenschappen kunnen worden bestudeerd en vervaardigd op hetzelfde moment.

Thermische Conductometry (TSC) scannen
De thermische conductometry scannen wordt verondersteld te leveren een reproduceerbare, nauwkeurig en snel reagerende experimentele methode voor het meten van de geleidbaarheid van dynamisch wijzigt en thermisch omkeerbare systemen, zoals ionogels op basis van laag moleculair gewicht gelators. Echter, het kan ook worden gebruikt met elektrolyten, Ionische vloeistoffen, en alle andere geleidende monster dat kan worden geplaatst in de meetcel en geleidbaarheid in het meetbereik van de sensor heeft. Bovendien, naast de toepassing van het onderzoek, is de methode met succes gebruikt voor de vervaardiging van ionogels met gerichte eigenschappen zoals microstructuur, optische verschijning of thermische stabiliteit, en fase van overgang temperatuur in een nauwkeurige en eenvoudige manier. Afhankelijk van de kinetiek en geschiedenis van thermisch behandelen met gebruik van de TSC-methode, we volledige controle krijgen over sommige basiseigenschappen van fysieke gel systemen. Bovendien hebben de zaal is uitgerust in een videocamera de monster status controleren en opnemen van de wijzigingen van het monster vooral tijdens gelering en ontbinding processen. Een bijkomend voordeel van de TSC-methode is de eenvoud, zoals het systeem kan worden gebouwd uit een standaard conductometer, een programmeerbare temperatuur controller, de lijn van de gasvormige stikstof voor het medium verwarming/koeling, de koelkast, meetkamer en een PC, die kan worden gevonden in de meeste laboratoria.

De TSC experimentele Site
De thermische scannen conductometry experimentele opstelling kan worden gebouwd in bijna elk laboratorium met relatief lage kosten. In ruil daarvoor verkrijgt men een snelle, nauwkeurige en reproduceerbare methode voor het meten van vloeibare en halfvaste geleidende monsters op verschillende externe omstandigheden. Een gedetailleerde regeling van de TSC experimentele opzet gebouwd in ons laboratorium wordt gegeven Figuur 1.

Figuur 1: blokdiagram van de meting site. De onderdelen bestaande werken van experimentele opstelling voor thermische scanmethode conductometry gebruikt. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Voor de temperatuurverandering, een zelfgemaakte temperatuur controller werd gebruikt, maar elke vorm van programmeerbare temperatuur controller, die kan veranderen de temperatuur lineair met de snelheid van een gedefinieerde wijzigen, kan worden gebruikt. Voor thermische isolatie, is een speciale kamer gebouwd. Het doel van het gebruik van een isolatie-kamer is te minimaliseren horizontale temperatuurgradiënten in de steekproef en te verzekeren van de snelle koeling tarieven. De kamer bestaat uit een glazen cilinder met een 40-mm binnen diameter en 300 mm lengte. Aan de onderkant, waar de kachel met gasvormige stikstof inhammen liggen, is het einde van de inlaat uitgerust met een diffusor gelijkmatig het warm of koud gas. Dit is ook de plaats waar de temperatuursensor PT100 van de variabele temperatuur controller (VTC) bevindt. De temperatuur van het monster wordt onafhankelijk geregistreerd door de temperatuursensor in de geleidbaarheidsensor gelegen. De kamer zijn bovendien uitgerust in een videocamera de monster status controleren en opnemen van de wijzigingen van het monster vooral tijdens gelering en ontbinding processen. De gasvormige stikstof verdamping van vloeibare stikstof in de 250 L hogedruk tank verkregen wordt gebruikt als een warmte- en koelingsector medium. De werkdruk in de lijn van stikstof is ingesteld op 6 bars, en teruggebracht tot 2 bars op de meetplaats. Dergelijke instellingen toestaan de accumulatie van debiet tussen 4 en 28 L/min zonder verstoringen, waarmee een koeling snelheid van 10 ° C/min. Lagere de begintemperatuur van het stikstofgas, de externe koelkast is gebruikt, en de verminderde temperatuur was 10 ° C. Hierdoor is de accumulatie van goede lineariteit van de temperatuurverandering, vanaf kamertemperatuur. Tijdens snelle afkoeling, is de temperatuur van de stikstofgas daalde tot-15 ° C bij hoge koeling. Het is noodzakelijk voor het gebruik van gasvormige stikstof en niet zelfs droge lucht, om te voorkomen dat de koelkast ijsvorming vanwege lage temperaturen.

De monsters werden ingevoegd in een flesje van 9 mm inwendige diameter en lengte van 58 mm, gemaakt van polypropyleen en uitgerust met een schroefdop, die een Rubberring voor strakke afsluiting heeft. De flacons kunnen worden gebruikt tot 120 ° C. (Zie Figuur 2).

Figuur 2: het beeld van een polypropyleen flesje en de montage ervan op de geleidbaarheidsensor. (1) de polypropyleen injectieflacon, (2) de schroef-dop met rubberring, 2a - de schroefdop gemonteerd op de geleidbaarheidsensor, (3) de flacon met gemonteerde geleidbaarheidsensor, de schroefdop beveiligd met Teflon tape. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Protocol

1. voorbereiding van de experimentele Site TSC meting

1. Gebruik de verkrijgbare conductometer uitgerust met vier elektrode cellen (u kunt ook twee elektrode cellen kunnen worden gebruikt voor geringe geleidbaarheid) en een temperatuursensor voor het meten van de volledige kenmerken van de TSC-methode. Het verbinden met de PC en het opnemen van de geleidbaarheid en de temperatuur van het monster (4% wt % van methyl-4,6-O-(p-nitrobenzylidene)-α-D-glucopyranoside in 1 M molaire concentratie van tetraethylammonium bromide - TEABr in glycerol - Glyc gebruikt in geval van de bestudeerde, zie paragraaf 3 voor de bereiding van de monsters van de Ionische gel) samen met computertijd.
2. Voor automatische uitlezingen, gebruik van de software geleverd door de fabrikant samen met de conductometer en de meting modus instelt op continu met interval lezingen elke 1 s.
3. Voorbereiden van de stikstof-lijn (Vul de hogedruk stikstof tank met vloeibare stikstof en beginnen te verdampen te krijgen van gasvormige stikstof in de lijn van de stikstof) en stel de druk tot 2 bars en vereiste stroom, dan dalen de begintemperatuur van het stikstofgas met de hulp van een koelkast.
4. Strak de schroef-dop van het flesje op de geleidende sensor monteren, en veilig met een stuk van teflon tape (cruciaal met vluchtige monsters) (Zie Figuur 2).

2. voorbereiding van de elektrolyt oplossing

1. Bereid de elektrolyten door het mengen van een juiste hoeveelheid glycerol, gebruikt als oplosmiddel en tetraethylammonium bromide (TEABr) (gebruik schaal te weeg de benodigde hoeveelheid verbindingen dienovereenkomstig voor de concentratie nodig voor onderzoek), gebruikt als een opgeloste stof wordt gevergd, in een glazen ampul strak gesloten en verwarmd bij 100 ° C gedurende 15 minuten.
2. Vervolgens roer het mengsel voor 1 min en warmte die het opnieuw bij 100 ° C gedurende 5 minuten om ervoor te zorgen dat alle de opgeloste stof is opgelost en het mengsel homogeen is.
3. Gebruik deze bereid elektrolyt oplossingen voor metingen, en daarna voor bereiding van ionogels.

3. voorbereiding van de laagmoleculaire bestanddelen Ionische Gels

1. Voorbereiden van de ionogels uit de elektrolyt oplossingen (zie punt 2) door 178.6 mg van de laagmoleculaire bestanddelen gelator toe te voegen aan 4 mL 1 M TEABr/Glyc elektrolyt oplossing te verkrijgen 4% wt % van Ionische gel monster.
   Opmerking: De chemische synthese van de gebruikte gelator werd elders beschreven¹¹.
2. Oplossen van de gelator, toe te voegen aan de glazen ampul met de elektrolyt oplossing en verwarmen bij 130 ° C gedurende 20 minuten met extra roeren om te helpen van ontbinding.
3. Na volledig oplossen van het gelator, verhit het mengsel voor een extra 5 min om ervoor te zorgen het monster homogene.
4. Vervolgens snel afkoelen van het monster in een droge koeling blok bij 10 ° C om fysieke gelering. Na de ingreep, moet een homogene, transparant of ondoorzichtig gel fase worden verkregen (Figuur 3).
   Opmerking: Nadat de eerste gelering is uitgevoerd, het monster wordt vloeibaar bij het draaien naar sol fase bij hoge temperaturen, maar na zijn terugkeer naar kamertemperatuur blijkt naar de gel fase opnieuw. De temperatuur die nodig zijn voor de faseovergang gel-sol is lager dan de temperatuur die nodig zijn voor de ontbinding van de kristallijne gelator. Wijzigt de kinetiek van de koeling fase, kan een invloed hebben op de fysische eigenschappen van de verkregen ionogel, zoals microstructuur, optische verschijning of de gel-sol fase overgang temperatuur (T_gs).

Figuur 3 : De fysieke verschijning van het onderzochte monster. De 1M TEABr/Glyc elektrolyt (een), 4% ionogel met 1 M TEABr/Glyc elektrolyt in transparante fase (b), 4% ionogel met 1 M TEABr/Glyc elektrolyt in ondoorzichtige fase (c). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

4. in Situ thermische scannen van Conductometry van Ionogels

1. Ter voorbereiding van het monster van TSC meting, Verwarm de ionogel hierboven de T_gs temperatuur, 94.85 ° C in het onderzochte geval. Overbrengen naar de precooled polypropyleen flacon nadat het ontpopt tot sol fase. Als gevolg van de snelle afkoeling van de sol, wordt de gel-fase gemaakt.
2. De flacon de geleidbaarheidsensor (met de schroefdop van de flacon daarop) invoegen door het te duwen in de gel, draai de schroefdop en veilig met Teflon tape.
3. Het uitvoeren van de meting en record geleidbaarheid TSC, temperatuur en tijd om te bereiden geleidbaarheid vs temperatuur, temperatuur vs tijd en geleidbaarheid vs tijd afhankelijkheden. Herhaal de meting in het onderzochte temperatuurbereik (9.85-99.85 ° C) in verwarming-koeling cycli (minstens 2 maal).
   Nota: Herinner me dat de 1^st -cyclus wordt gebruikt voor het elimineren van alle verschillen van het monster die veroorzaakt door de voorbereiding-procedure.
4. Uitvoeren van de metingen met verschillende koeling tarieven (7 ° C/min 4 ° C/min en 1 ° C/min. in bestudeerde geval) om te verkennen hoe beïnvloedt de geleidende en thermische eigenschappen van de onderzochte ionogels.
   Opmerking: om aan te tonen hoe de TSC-methode kan worden gebruikt als een instrument om te ionogels met gerichte Eigenschappen verkrijgen, een reeks van experimenten met niet-waterige ionogel gebaseerd op gelator 1, glycerol en TEABr werd uitgevoerd en gepresenteerd in dit manuscript.

5. voorbeeld van TSC meting

1. Schuif de onderzochte ionogel in de flacon, en duw in de geleidbaarheidsensor.
2. Het uitvoeren van de 1^st verwarming-koeling cyclus ter verbetering van de elektrode contactpersoon, en verwijder alle onvolkomenheden van de microstructuur van de ionogel die voortvloeien uit het plaatsen van het monster in het flesje en gezien als krassen, scheuren, en luchtbellen die zijn opgenomen in de gel.
3. Meten van de geleidbaarheid en de temperatuur samen met tijd tijdens de 2^nd en 3^rd verwarming-koeling cyclus voor het onderzoek naar de prestaties van de ionogel, en de reproduceerbaarheid van het systeem. De opwarmsnelheid instellen tot 2 ° C/min en koeling rate tot 7 ° C/min, en gelering temperatuur tot 10 ° C. Dientengevolge, verkrijgen een transparante gel-fase.
4. Uitvoeren van de 4^th en 5^th verwarming-koeling cyclus, met de verwarming en koeling tarieven gelijk is aan de 2 ° C/min en de gelering temperatuur gelijk is aan 10 ° C. Dientengevolge, verkrijgen een menging van de transparante en ondoorzichtige gel fasen.
5. Het uitvoeren van de 6^th en 7^th verwarming-koeling cyclus met verwarming en koeling tarieven gelijk is aan de 2 ° C/min, en bij een temperatuur van gelering gelijk aan 60 ° C. Dientengevolge, verkrijgen een dekkende, witte gel-fase.
6. De analyses van de derivaten 1^st voor de opgenomen gegevens te zien van de verschillen tussen monsters uit te voeren.
7. Houd het monster gedurende 20 minuten op elk van de gelering temperaturen om ervoor te zorgen dat de gelering is voltooid.

Results

De organische Ionische gels vormen een nieuwe klasse van functionele materialen die uitgroeien een alternatieve oplossing voor polymeer gel elektrolyten tot kan. Echter, dit om doel te bereiken, deze gels moeten diep worden onderzocht en begrepen. Het thermisch reversibele karakter van het proces van gelering, en de dynamisch veranderende eigenschappen van temperatuur en fase optreden, vereist een nieuwe experimentele methode waarmee het opnemen van gegevens en opsporing van subtiele vera...

Discussion

De thermische conductometry scannen is een nieuwe experimentele methode die heeft bewezen te zijn van een efficiënte en effectieve manier om dynamisch veranderende systemen, zoals ionogels op basis van laag molecuulgewicht gelators, elektrolyten of ionische vloeistoffen te onderzoeken. De toepasbaarheid ervan is echter niet beperkt slechts tot ionogels. De TSC-methode kan gemakkelijk worden gebruikt met andere soorten uitvoeren van zachte materie systemen zoals hydrogels, emulsies, crèmes of andere kosten verschuldigd zi...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
SevenCompact S230 conductometer	Mettler-Toledo		uitgerust met InLab 710 sensor
home-build VTC
LabX PH 3.2 software	Mettler-Toledo		software gebruikt voor data-acquisitie
tetraethylammonium bromide	Sigma-Aldrich	140023
glycerol	Sigma-Aldrich	G5516
methyl-4,6-O-(p-nitrobenzylidene)-a-D-glucopyranose			gesynthetiseerd volgens Gronwald, O., Shinkai, S., J. chem. Soc., Perkin Trans. 2 1933-1937 (2001).
[im]HSO4			gesynthetiseerd door de groep van prof. Mohammad Ali Zolfigol, Faculteit Scheikunde Bu-Ali Sina Universiteit Hamedan, I.R.Iran  volgens Bielejewski, M., Ghorbani, M., Zolfigol, M., Tritt-Goc, J., Noura, S., Narimani, M., Oftadeh, M. RSC Adv. 6, 108896-108907 (2016).
polypropyleen flacon	Paradox Company, Cracow, Polen	PTC 088	www.insectnet.eu