Тепловые сканирования кондуктометрии (ТСК) как общего метода для изучения и управление поведением этапа проводящих физической гели

Термически реверсивные Ionogels
Физические гелеобразования — это процесс, который позволяет строительство сооружений собственн-собранные gelator молекул в присутствии молекул растворителя. Из-за non ковалентные характер взаимодействия, ответственных за это явление (например водорода склеивание, Ван-дер-Ваальса взаимодействий, дисперсия силы, электростатических сил, π-π укладки, и др.), эти системы являются термически обратимым. Этот тепловой обратимости, вместе с очень низкой концентрации gelator и широкий спектр систем, которые могут быть созданы, являются одними из главных преимуществ физического гели над химическим. Благодаря уникальным свойствам состояние физической гель, ionogels характеризуются желательных функций, таких как легко рециркуляции, длительный цикл жизни, расширение физических свойств (например , ионной проводимости), простота производства и снижение издержки производства. Принимая во внимание выше преимущества физической гели (которые уже имеют широкий спектр различных приложений^1,2,3,4), они считались использоваться как альтернативный способ для электролит кристаллизации и получение ionogels^5,6,,78. Однако классической кондуктометрии был не чувствительной и точно следовать такой динамически меняющихся систем. Таким образом он не может обнаружить фазовых переходов и расширение динамики ионов в матрице геля⁹. Причиной для этого нечувствительность был время, необходимое для стабилизации температуры, во время которого динамических изменений свойств образца велись до начала измерения. Кроме того количество измеренных температур была ограничена в целях, не значительно продлить экспериментальный время. Таким образом полностью и точно охарактеризовать ionogels, необходим новый метод, который будет иметь возможность следить за динамические изменения свойств как функция температуры и непрерывно записывать данные в режиме реального времени. То, что процесс гелеобразования проводится определяет свойства созданного ionogel. Non ковалентные межмолекулярные взаимодействия определяются на этапе охлаждения; изменив гелеобразования температуру и скорость охлаждения, одно может сильно влиять этих взаимодействий. Таким образом крайне важно для определения системы во время охлаждения, когда происходит гелеобразование. С классическим подходом это было невозможно из-за время стабилизации температуры для измерения и быстрой скорости охлаждения, необходимых для успешного гелеобразование. Однако с тепловой, кондуктометрии метод сканирования эта задача очень проста, обеспечивает точные и воспроизводимые результаты и позволяет исследование влияния различных кинетики тепловых изменений, примененных к образцу на примере свойства ¹⁰. В результате, ionogels с целевые свойства могут быть изучены и изготовлены в то же время.

Тепловые сканирования кондуктометрии (ТСК)
Тепловые сканирования кондуктометрии предполагается доставить воспроизводимость, точной и быстрой ответивших экспериментальный метод для измерения проводимости динамически изменяющихся и термически реверсивные системы, как ionogels на основе низкомолекулярного gelators. Однако она может также использоваться с электролитами, ионных жидкостей и других проводит образца, который может быть помещен в измерительной ячейке и проводимость в диапазон измерения датчика. Кроме того помимо прикладных исследований, метод был успешно используется для изготовления ionogels с целевые свойства как микроструктуры, оптические внешний вид или термической стабильностью и фаза температура перехода в точно и легко. В зависимости от кинетики и истории термообработка с использованием метода ТСК мы получить полный контроль над некоторые основные свойства физических гель систем. Дополнительно были оборудованы камеры в видео камеру, чтобы проверить состояние образцов и записывать изменения образца, особенно во время гелеобразования и процессы распада. Дополнительным преимуществом метода ТСК является его простота, как система может быть построен из стандартных кондуктометр, программируемый терморегулятор, линии газообразного азота для среднего нагрева/охлаждения, холодильника, измерительную камеру и PC, которые можно найти в большинстве лабораторий.

ТСК экспериментальной площадки
Тепловые сканирования кондуктометрии экспериментальной установки может быть построен в почти каждой лаборатории с относительно низкими затратами. В свою очередь один получает точную, воспроизводимые и быстрый метод для измерения жидких и полутвердых проводящие образцы на различных внешних условиях. В приводится подробная схема экспериментальной установки ТСК, построен в нашей лаборатории рис. 1.

Рисунок 1: блок-схема измерения сайта. Компоненты, состоящий на работе экспериментальной установки для тепловой сканирования кондуктометрии метода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Для изменения температуры домашние температуры был использован, но любой программируемой температуры контроллера, который можно изменить температуру линейно с определенной изменить курс, могут быть использованы. Для тепловой изоляции была построена специальная камера. С помощью изоляции камеры предназначен для сведения к минимуму горизонтальные градиенты температуры в образце и для обеспечения быстрой скорости охлаждения. Камера состоит из стекла цилиндра с 40-мм внутренний диаметр и 300 мм длины. В нижней части, где расположены нагреватель с вводами газообразного азота, конец входе оснащен диффузор равномерно распространить горячего или холодного газа. Это также место, где находится датчик температуры PT100 переменной температуры контроллера (СПП). Температура образца записывается независимо друг от друга, датчик температуры, расположенный в датчик проводимости. Кроме того камеры были оборудованы в видео камеру, чтобы проверить состояние образцов и записывать изменения образца, особенно во время гелеобразования и процессы распада. Азот газообразный, полученные от испарения жидкого азота в бак 250 Л высокого давления используется как средство нагрева и охлаждения. Рабочее давление азота линии равен 6 баров и уменьшена до 2 бара на объекте измерения. Такие параметры позволяют получение скорости потока между 4 и 28 Л/мин без каких-либо помех, что позволяет скорость охлаждения 10 ° C/мин. Для снижения начальной температуры газ азот, был использован внешний Холодильник, и снижение температуры было 10 ° C. Это позволяет получение хорошей линейностью изменения температуры, начиная от комнатной температуры. Во время быстрого охлаждения, температура газа азота уменьшается до-15 ° C оказывать высокие скорости охлаждения. Это необходимо для использования газообразного азота и даже не сухой воздух, чтобы избежать обледенения холодильник из-за низких температур.

Образцы были вставлены в флакон 9 мм внутренний диаметр и длина 58 мм, изготовлены из полипропилена и оснащены колпачок, который имеет резиновое кольцо для жесткой закрытия. Флаконов может использоваться до 120 ° C. (см. Рисунок 2).

Рисунок 2: картина полипропиленовые флакона и его монтаж на датчик проводимости. (1 полипропилена флакон, (2 винтовая крышка с резиновым кольцом, 2а - колпачок установлен на датчик проводимости, (3) флакон с датчиком смонтированные проводимости, винтовой крышкой, обеспеченные с тефлоновой лентой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

1. Подготовка экспериментальной площадки для измерения ТСК

1. Чтобы измерить полный характеристики метода ТСК, использование коммерчески доступных кондуктометр, оснащен четырьмя электродами клетки (в качестве альтернативы, два электрода, клетки могут быть использованы для низкой проводимости) и датчик температуры. Подключите его к компьютеру и записывать проводимости и температуры образца (4% wt % methyl-4,6-O-(p-nitrobenzylidene)-α-D-glucopyranoside 1 М молярной концентрации тетраэтиламмониевого бромид - TEABr в глицерин - Glyc, используемые в изученных случае, см. пункт 3 для ионных гель пробоподготовки) наряду с времени компьютера.
2. Для автоматического устройства индикации, использовать программное обеспечение, поставляемое производителем вместе с кондуктометр и задайте режим измерения непрерывный с интервал чтения каждый 1 s.
3. Подготовить линию азота (заполнить высокого давления азота бак с жидким азотом и начинают испаряться его для получения газообразного азота в линии азота) и установить давление в 2 барах и требуемый поток, затем снижение начальной температуры газ азот с помощью холодильник.
4. Плотно закрепите колпачок флакона на токопроводящих датчик и закрепите его с куском тефлоновой ленты (важно с нестабильных образцов) (см. Рисунок 2).

2. Приготовление раствора электролита

1. Подготовить электролитов, смешивая соответствующее количество глицерина, используется как растворитель и тетраэтиламмониевого бромид (TEABr) (использование шкалы для взвешивания необходимое количество соединений соответственно для концентрации требуется для расследования), используется как растворимое в Стеклянный флакон плотно закрыты и нагревают при 100 ° C в течение 15 мин.
2. Затем перемешайте смесь за 1 мин и тепла, которое снова при 100 ° C за 5 мин для обеспечения того, чтобы все экстракцию растворяется и смесь не станет однородной.
3. Используйте эти подготовленные растворов электролитов для измерений и впоследствии для приготовления ionogels.

3. Подготовка ионных гели низкой молекулярной массой

1. Подготовка ionogels из растворов электролитов (см. раздел 2), добавив 178.6 мг gelator низкой молекулярной массой до 4 мл раствора электролита 1 М TEABr/Glyc для получения 4% wt % ионных гель образца.
   Примечание: Химический синтез используется gelator был описан в другом месте¹¹.
2. Распустить gelator, добавить его в стеклянный флакон с раствор электролита и тепло его на 130 ° C в течение 20 мин с дополнительные помешивая, чтобы помочь распада.
3. После полностью растворяют gelator, тепло смесь дополнительные 5 минут, чтобы убедиться, что образец является однородной.
4. Затем быстро охладить вниз образца в сухого охлаждения блока на 10 ° C до обеспечения физической гелеобразование. После процедуры однородной, прозрачным или непрозрачным гель этапа должны быть получены (рис. 3).
   Примечание: После того, как была выполнена первая гелеобразования, образец становится жидким при повороте соль фазы при высоких температурах, но после возвращения в комнатной температуре он поворачивает к этапу геля снова. Температуры, необходимые для гель соль фазового перехода ниже температуры, необходимые для роспуска кристаллический gelator. Путем изменения кинетики стадии охлаждения, одно может влиять на физические свойства полученных ionogel, как микроструктуры, оптические внешний вид или температура перехода фазы гель соль (_gsT).

Рисунок 3 : Внешности исследуемого образца. 1 М TEABr/Glyc электролита (), 4% ionogel с 1 М TEABr/Glyc электролита в прозрачной фазе (b), 4% ionogel с 1 М TEABr/Glyc электролита в непрозрачный фазе (c). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

4. в Situ тепловой сканирования кондуктометрии Ionogels

1. Подготовить образцы для измерения ТСК, тепло ionogel выше температуры T_gs , 94.85 ° C в случае изучал. Передача его в помощи полипропиленовые флакона после того, как он поворачивает к фазе соль. Из-за быстрого охлаждения соль, этапа гель создан.
2. Вставьте датчик проводимости (с колпачок флакона на нем) в пробирку, вставив его в гель, затяните резьбовую крышку и закрепите его с тефлоновой лентой.
3. Выполните измерение и запись проводимости ТСК, температуры и времени для подготовки проводимости против температуры, температуры против времени и зависимости времениs v проводимости. Повторите измерение в исследуемом температурном диапазоне (9,85-99,85 ° C) в циклов нагрева охлаждения (по крайней мере 2 раза).
   Примечание: Помните, что 1^st цикла используется для устранения всех несоответствий образца, вызванной процедуре подготовки.
4. Проводить измерения с различными скоростями охлаждения (7 ° C/мин., 4 ° C/мин и 1 ° C/мин в изученных случае) для изучения, как это влияет на токопроводящих и тепловые свойства исследуемых ionogels.
   Примечание: продемонстрировать, как ТСК метод может использоваться в качестве инструмента для получения ionogels с целевые свойства, серию экспериментов с безводным ionogel на основе gelator 1, глицерин и TEABr была выполнена и представлены в этой рукописи.

5. пример ТСК измерения

1. Вставьте исследуемых ionogel в пробирку и вставьте датчик проводимости.
2. Выполните 1 цикла нагрева охлаждения^st для улучшения контакта электрода и удалить все несовершенства микроструктуры ionogel результате поместить образец в пробирку и видел, как царапины, трещины и воздушные пузыри, включены в геле.
3. Измерение проводимости и температуры, а также время, в течение 2^nd и 3^rd нагрева охлаждения цикла расследовать производительность ionogel и воспроизводимость системы. Установите скорость нагрева 2 ° C/мин и скорость охлаждения до 7 ° C/мин и Желирование при температуре 10 ° c. В результате получите прозрачный гель фазы.
4. Выполните 4 цикл^th и 5^й отопления охлаждения, нагрева и охлаждения ставки равен 2 ° C/мин и гелеобразования температура равна 10 ° C. В результате получите смесь Гель прозрачный и непрозрачный фаз.
5. Выполните 6-^й и 7^th , который равен 2 ° C/мин и при температуре гелеобразования цикла нагрева охлаждения с нагревом и охлаждением ставки равен 60 ° C. В результате получите непрозрачный белый гель фазы.
6. Выполните анализ производных 1^st для записанных данных, чтобы увидеть различия между образцами.
7. Держите образец для 20 мин на каждом гелеобразования температур для обеспечения завершения процесса гелеобразование.

Органических ионных гели представляют собой новый класс функциональных материалов, которые могут стать альтернативное решение для полимерных электролитов гель. Однако для достижения этой цели, эти гели должны быть глубоко исследованы и поняты. Термически обратимого характера процесса гелеобразования и свойства динамически изменяющейся температуры и стадии возникновения, требуется новый экспериментальный метод, который позволит записи данных и обнаружения тонкие изменения в температуре изменения. Тепловые сканирования кондуктометрии является единственным методом, который позволяет запись проводимости и температуры образца в циклов нагрева охлаждения и линейное изменение температуры. Метод «TSC» является первым способны выполнять измерения во время процесса гелеобразования, который доставляются новые сведения об изменении свойств образца ionogel во время этой стадии.

Рисунок 4 : ТСК нагрева охлаждения цикла измерения [им] HSO 4 ионные жидкости. ТСК цикла нагрева охлаждения измеряется для [им] HSO4 ионные жидкости синтезированных согласно Bielejewski и др. 12 Красная точки показывают влияние Бад электрода контакт последствий от трещин и пузырьки воздуха после погружения электродов в ionogel фазе [им] HSO4. Оранжевые точки показывают, как плохой контакт был удален путем обработки образца с помощью метода ТСК. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4 показывает типичный температурная зависимость проводимости, записанная методом ТСК. Первый цикл нагрева охлаждения показывает, как несовершенства микроструктуры образцов и плохие электрические связаться с электродами, созданные во время процесса производства, снижает производительность gelled электролита. Этот неблагоприятный эффект является серьезной проблемой в случае полимер геля электролитами. Однако в случае органических ионных гели, эта проблема легко решается путем выполнения второго цикла нагрева охлаждения в устройстве. Температурная зависимость проводимости Записанная во время второй Отопление показывает увеличение проводимости, который указывает, что улучшился контакт с электродами. Кроме того путем анализа кривой ТСК, один можно обнаружить некоторые тонкие аномалии. Эти аномалии имеют свое происхождение в фазовых переходов от геля соль фазу во время этапа топления и от Соль гель фазу во время стадии охлаждения, а также другие виды фазовых переходов, которые влияют на мобильность ионов. Анализ первой производной проводимость в функции температуры обеспечивает четкую картину аномалий.

Рисунок 5 : Зависимость от температуры ionogel 4%, с 1 М TEABr/Glyc электролит. Зависимость температуры 4% ionogel сделано с 1 М TEABr/Glyc электролита на прозрачный гель фазы (). 1st производная σDC записаны для ionogel на этапе прозрачный гель (b). Один аномалия отметил результаты от присутствия одного фазового перехода от этапа прозрачный гель соль фазу. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 6 : Зависимость от температуры ionogel 4%, с 1 М TEABr/Glyc электролита в смеси двух фаз гель. Зависимость температуры 4% ionogel сделал с 1 М TEABr/Glyc электролита на смесь двух фаз гель, прозрачные и непрозрачные, (). 1st производная σDC записаны для ionogel, (b). Два аномалий наблюдаемых результатов от двух фазовых переходов в образце. Аномалии при низкой температуре приводит к от фазового перехода от этапа прозрачный гель соль и аномалия на более высокой температуры результаты от фазового перехода от этапа непрозрачный гель к этапу соль, соответственно. Оба этапа гель (прозрачного и непрозрачного) были созданы в образце геля, в результате умеренной температуры изменения ставки (4 ° C/мин), используемые во время охлаждения образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 7 : Зависимость от температуры ionogel 4%, с 1 М TEABr/Glyc электролит. На этапе непрозрачный гель () 1st производная σDC записаны для ionogel, здесь наблюдается аномалия (b) сингл результаты от присутствия одного фазового перехода от этапа непрозрачный гель соль фазу. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Показатели 5-7 шоу серии кривых ТСК, вместе с первой производной для того же образца ionogel, но полученные с по-разному исполнил ступеней охлаждения. Результаты показывают, как стадии охлаждения влияет на свойства полученных образцов. Кроме того эти данные показывают, насколько чувствительна метод ТСК. Рисунок 5 показывает кривая ТСК, записанная для прозрачной образца, Рисунок 6 смеси в прозрачных и непрозрачных образца и Рисунок 7 для образца белая, непрозрачная. Выполнив анализ записанных данных ТСК, мы обнаружили, что помимо оптических появление этапа ионных гель, тепловые свойства были изменены. Для этапа белая, непрозрачная гель (рис. 7) термостабильность и Tgs этап перехода температуры были выше, чем для этапа прозрачный (рис. 5). В случае смешанной фазы прозрачные и непрозрачные (рис. 6) мы наблюдали два Tgs этап перехода температурные характеристики для каждого из этапов.

Автор не имеет ничего, чтобы раскрыть