Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

Диффузного отражения инфракрасного спектроскопического идентификации диспергирующих / частиц Адгезивы механизмов в функциональных чернил

Published: May 8, 2015 doi: 10.3791/52744

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Добавка производственная недавно появились в качестве перспективного метода для изготовления всего из керамики до полупроводников в медицинских устройств 1. Как применение аддитивного производства расширить до печатной керамики, оксида металла, и металлических деталей, потребность в разработке специализированные функциональные чернила возникает. Вопрос о том, как сформулировать необходимые функциональные краски относится к фундаментальному вопросу в поверхностных и коллоидной науки: каковы механизмы, с помощью которых частицы в коллоидной дисперсии, стабилизированные против агрегации? В целом, стабилизация требует модификации поверхностей частиц, что близкий подход частиц (и, следовательно, агрегации) предотвращается либо кулоновского отталкивания (электростатической стабилизации), по энтропийной казни полимерной запутанности (стабилизации) стерический, или с помощью комбинации кулоновского и энтропийные силы (electrosteric стабилизации) 2. Для того, чтобы достичь какой-либо из этих механизмовСтабилизация, как правило, необходимо, чтобы изменить химию поверхности частиц через прикрепления полимеров или короткой цепью функциональных групп. Таким образом, рациональное определение стабильных функциональных красок требует, чтобы мы знаем, придает ли данный химические добавки к поверхности частицы и какие химические группы прикрепляются к поверхности частиц.

Цель метода, представленного в данном протоколе, чтобы продемонстрировать быстрый характеристику химических веществ, адсорбированных на поверхности частиц в функциональных красок. Эта цель особенно важна в качестве функциональных состав чернил переходов из специализированной задачи для поверхностных и коллоидных ученых к деятельности, в целом практикуется круга ученых и инженеров, заинтересованных в печати керамики, оксида металла, и металлических устройств. Достижение этой цели требует разработки эксперимент, который преодолевает проблемы, характеризующие непрозрачные, с высоким содержанием твердых дисперсий нагрузок. Это также требует различения между чemical видов, которые присутствуют в дисперсии, но не адсорбируется на частицах из тех, которые на самом деле адсорбируется. Кроме того, он требует различения тех видов, которые химически адсорбированных на частицах из тех, которые слабо physisorbed. В этом протоколе, мы описываем использование диффузного отражения ИК-спектроскопии для характеристики крепления диспергатора в функциональных чернил. Измерение инфракрасной спектроскопии диффузного отражения следующим методику пробоподготовки предварительного анализа необходимо различать адсорбированных из тех, просто присутствовать в дисперсии.

Разнообразие методов в настоящее время используется, чтобы разобраться в природе взаимодействий между химическими компонентами чернил и коллоидно дисперсных частиц. Некоторые из этих методов косвенные зондов, в которых измеренные свойства, как предполагается, коррелируют с поверхности функционализации. Например, изменения в суспензии реологии или оседания гТочные Предполагается, коррелируют с адсорбции модификаторов поверхности 3. Распределение частиц по размерам, а характеризуется динамичным рассеяния света (DLS) и дзета-потенциалом, характеризуется электрофоретической подвижности, дают представление адсорбции полимеров или видов с поверхностным зарядом 4,5. Аналогичным образом, образец потерю массы, как исследовали с помощью термогравиметрического анализа (ТГА) относится к присутствию десорбирующиеся видов и силы взаимодействия адсорбата и частицы 6. Информация из указанных выше косвенных зондов предложить изменения в химии поверхности, но они не обеспечивают непосредственное проникновение в идентичности адсорбирующие вида или механизма его адсорбции. Прямая понимание особенно важно для функциональных чернил, в которой большое количество компонентов, присутствующих в дисперсии. Для обеспечения подробную информацию на молекулярном уровне, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) 7, 13 С ядерного магнитногорезонанса (ЯМР) 4,6, и инфракрасной спектроскопии 8-12 были исследованы. Из этих трех вариантов, инфракрасная спектроскопия особенно перспективным. По сравнению с 13 С-ЯМР, ИК-спектроскопии не требует, чтобы чернила быть приготовлены с аналитически чистых растворителей, чтобы предотвратить помехи при измерении 13. По сравнению с рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, инфракрасной спектроскопии стандарт можно проводить при атмосферном давлении, устраняя необходимость в сверхвысоком вакууме при измерении.

Существует предшествующей литературой для использования инфракрасной спектроскопии для исследования взаимодействия между коллоидно-диспергированного керамики, оксида металла, и металлических наночастиц. Эти работы могут быть разделены на попытки измерить поверхностное химию на месте с помощью нарушенного полного отражения инфракрасного (ATR-IR) 9, и пытается измерить поверхностное химия ex-situ с использованием твердого дискретизации 8. Втотя есть преимущества для измерений в точке, неопределенности, которые возникают в связи с необходимостью для спектрального манипуляции сделать метод трудно многокомпонентных красок, в которых есть растворители и несколько полимерных компонентов. Таким образом, этот протокол фокусируется на твердом проб и измерения ex-situ. Все твердые методов отбора проб влекут за собой стадию предварительной обработки, где твердое вещество, полученное путем разделения частиц от растворителя, и стадию анализа, где инфракрасные измерения проводятся на твердых частицах. Разница между методами возникает в выборе образца предварительной обработки и в выборе экспериментальной методики, используемой для инфракрасного анализа твердого вещества. Исторически сложилось, что традиционный способ использовать инфракрасную спектроскопию, чтобы проанализировать твердых веществ для измельчения небольших количеств (<1%) твердого образца с бромидом калия (KBr) порошка, а затем подвергнуть смесь высокой спекание под давлением. Результатом является прозрачным KBr осадок. Это прocedure успешно пытались с порошками, полученными из водных суспензий наночастиц диоксида циркония функционализированными polyethyleneamine 10, с монослоев жирных кислот на наночастиц кобальта 7, и катехола полученных диспергаторов на Fe 3 O 4 наночастиц 14. Несмотря на эти успешные применения методики гранулирования KBr для обнаружения адсорбированных диспергаторов, диффузного отражения инфракрасной спектроскопии дает несколько преимуществ. Одним из преимуществ упрощается пробоподготовки. В отличие от KBr гранулирования, твердый образец в диффузного отражения может быть просто измельчают вручную. Там нет Спекание порошка как сам загружается в чашку для образца и диффузно рассеяны инфракрасный свет измеряется. Другим преимуществом диффузного отражения над KBr гранулирования является повышенная чувствительность поверхности 15. Увеличение поверхностной чувствительности особенно полезен для настоящей заявки, в которой CRIческие вопросы присутствие и характер адсорбатами на наночастиц поверхностей.

Среди работ, которые использовали диффузного отражения метод отбора проб для исследования адсорбции химических веществ на коллоидно дисперсных образцов, основные различия возникают в способе разделения наночастиц из жидкой среды. Этот шаг является критическим, потому что, без разделения, было бы невозможно отличить специально адсорбированных диспергаторы из диспергаторов просто растворенных в жидкой среде. В некоторых примерах, метод разделения не является очевидным из экспериментальных 12,16,17 протокола. Если указано, наиболее часто практикуется метод предполагает разделение гравитационное. Смысл заключается в том, что керамика, оксид металла и металлические наночастицы все более плотным, чем окружающие сред. Когда они поселиться, они будут давить с ними только специально адсорбированных. Химических веществ, не взаимодействующих с частьюicles останется в растворе. В то время как дисперсии могут легко решить при нормальном гравитационной силы 18, стабильная чернил для струйной печати не должна заметно решить в течение периода времени менее чем за год. Таким образом, предпочтительным является метод с использованием центрифугирования для разделения предварительно анализа. Это было продемонстрировано в ряде исследований адсорбции диспергатора на стеклянных частиц, диспергирующего 19,20 связующего адсорбции на оксиде алюминия 8 и анионного диспергатора функционализации CuO 11. Совсем недавно, мы использовали его, чтобы оценивать механизмы жирной связывания в неводных дисперсий NiO, используемых для струйной и аэрозоль струйной печати твердого оксида слоев топливных элементов 21 кислоты.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Предварительная анализ Подготовка проб

  1. Разделение функциональных частиц из чернил автомобиля: центрифугирования
    1. На основе первоначального состава краски, вычислить, сколько образец чернил необходимо получить как минимум 2,0 г осадка частиц. Например, если чернила 10% по объему керамики и плотность керамики 6,67 г / см 3, то, как минимум, 3,0 мл чернил необходим для генерации 2,0 г осадка.
    2. Пипеткой по крайней мере, минимальное требуемое количество чернил в центрифужную пробирку. Выбор центрифужную пробирку должны быть сделаны на основе количества чернил, необходимых и инертности материала трубы к чернилам растворителей.
    3. Поместите трубку в центрифуге. Выбор центрифуги и скоростью вращения будет определяться гравитационного силы, необходимой для осаждения чернил частицу. Стандарт лаборатории Центрифуга, как центрифуги Sorvall ST16 с TX-200 Бакет ротора обычно достаточно.
    4. Центрифуга Программа вращаться чернила на ротационной РАТе и время, необходимое для получения прозрачного супернатанта. Для центрифуги, используемой здесь, типичные скорости и пояс 3000 - 4000 оборотов в минуту в течение от 30 мин до 90 мин. Прибытие на правильной скорости и времени, необходимого для осаждения чернил может потребовать проб и ошибок, потому что даже вращательного чернила тех же средних размеров частиц может иметь различное распределение частиц по размерам.
  2. После разделения пробами: удаление супернатанта, образец стиральная, сушильная
    1. После прозрачный супернатант был достигнут, удалить центрифужную пробирку от центрифуги.
    2. Слейте супернатант и сохранить в закрытой стеклянной пробирке образца для возможного последующего анализа. Функциональные частицы теперь остаточные в центрифужную пробирку.
    3. После декантации, поместите кэппированную центрифужную пробирку вверх дном на бумажное полотенце и дать дополнительный супернатант капать в течение 1 мин.
    4. Снимите трубку с бумажным полотенцем и промыть осевших частиц путем добавления кТрубка примерно 2 мл свежего растворителя того же состава, используемого в рецептуре печатной краски. Следует отметить, что этот растворитель коснется только самый верхний слой частиц осажденных в центрифужную пробирку. Слить растворителя. Повторите цикл полоскания три раза.
    5. После последнего цикла полоскания, поместите кэппированную центрифужную пробирку вверх дном на бумажное полотенце и дать дополнительный растворитель капать из примерно 5 мин.
    6. Использование тонкой металлической шпателем, чтобы удалить осадок из нижней части в центрифужную пробирку, и наносили на чистую, сухую часовым стеклом. Используйте безворсовой неабразивную тампон ватный или кончик чистой лопаточкой, чтобы удалить избыток частиц от кончика шпателя.
    7. Поместите часового стекла в 50 ° C печи и позволяют частицы высохнуть в течение 24 часов. Температура в печи должна быть относительно низкой, чтобы свести к минимуму возможность разложения адсорбированных видов. Время, необходимое для сушки частиц будет зависеть от давления паров растворителя, 24 ч типично, но результаты, как правило, чувствительны к времени ожидания в короткие, как 12 часов и до тех пор, как 3 недели.

Измерение 2. диффузного отражения инфракрасной спектроскопии

  1. Подготовка инфракрасного спектрометра: выравнивание аксессуар, продувки отсека
    1. Включите ИК-спектрометра.
    2. Чтобы подготовиться к диффузного отражения инфракрасного измерения спектроскопии, место диффузное аксессуар отбора проб отражения в инфракрасной отсека выборки спектрометра. Инфракрасный спектрометр может быть преобразование Фурье любой инфракрасный спектрометр, способный взаимодействовать с диффузным взятия проб отражения. Shimadzu ИК Престиж 21 спектрометр сопряжена с аксессуаром Пайк Технологии EasiDiff была использована для этого протокола. Для большинства частиц краски, стандартный дейтерированная, L-аланин сульфат легированный триглицинсульфата (DLaTGS) детектор обеспечивает достаточной чувствительности для измерения. Охлаждаемый жидким азотом ртути теллурида кадмия (MCT) Detector обеспечивает четыре десятикратного увеличения чувствительности, но это обычно не требуется для идентификации адсорбатов на поверхности чернил частиц.
    3. Совместите диффузного отражения аксессуар отбора проб в соответствии с инструкциями изготовителя.
  2. После выравнивания, закрыть отсек инфракрасного дискретизации и начинают продувку азотом или CO 2 -Free сухого воздуха (скорость продувки 10 л / мин). Стандартный генератор продувочного газа Паркер Balston ИК-подает воздух с менее чем 1 м.д. воды и CO 2. Количество времени продувки, необходимой для получения стабильного воды и СО 2 бесплатно камеру будет зависеть от конфигурации купе образца и влажности в лаборатории. Необходимое время продувки может быть определена экспериментально путем сравнения спектров фон, принятое на 1 или 2-минутные интервалы и оценки интенсивности воды и CO 2 полосы как функции времени.
  3. Подготовка образца для диффузного отражения инфракрасной спектроскопии МПСКАДЫШЕВИЧ
    1. Получить следующие подготовительные аксессуары образец: маленький (35 мм) агат ступку и пестик, небольшой металлический шпатель, прямо лезвие, и два диффузного отражения инфракрасного образец чашки. Протрите аксессуары чистые с этанолом, затем ацетоном и дайте им высохнуть в течение 10 мин в 50 ° C духовке.
    2. Удалить чистые, сухие аксессуары пробоподготовки из духовки, поместите их на большом Kimwipe и дать им остыть до комнатной температуры.
    3. В то время как пробоподготовки аксессуары охлаждения, удалить сухие частицы краски из печи, и использовать аналитические весы для измерения 0,025 г образца частиц. Оставьте образец сидя в аналитических весах.
    4. Вернуться к подготовке образцов аксессуаров и залить 0,5 г KBr в агатовой ступке. Всегда используйте KBr продан за инфракрасных приложений. Предварительно измеряется отдельные пакеты 0,5 г КБР (Thermo Scientific) рекомендуется, потому что они минимизируют время и экспозицию гигроскопической KBr весом в ambieнт водяной пар. Измельчить КБР к единому внешнему виду, обычно 1 мин непрерывной ручного шлифования.
    5. Полностью заполнить один из диффузного отражения инфракрасного чашек отбора проб с землей KBr порошка. Слегка нажмите порошок с тупым концом пестика и долейте чашку дискретизации с KBr.
    6. Используйте сторону лезвием бритвы, чтобы сгладить верхнюю часть KBr в кювету для образца. Это заполнено и плоский образец задания или фон.
    7. Утилизировать любой KBr оставаясь в ступке, и протрите.
    8. Откройте новый 0,5 г пакет КБР порошка (или добавить 0,5 г порошка КБР), и вылить в ступке.
    9. Добавить предварительно взвешивают 0,025 г чернил частиц к 0,5 г KBr, и измельчить с пестиком до образования однородной порошок, обычно 1 мин непрерывного ручного шлифования. Это соотношение частиц краски в KBr обеспечивает 5% мас образца во время измерения. Это в стандартном диапазоне (1 - 10 мас%), но можно регулировать вверх или вниз в зависимости Oп поглощающая и силы сигнала образца.
    10. Выполните шаги 2.3.5 и 2.3.6, чтобы создать чашку образца, заполненный частиц / KBr смеси.
  4. Инфракрасный измерения спектроскопического
    1. Поместите ссылку и примеры чашки в держатель, и поместить держатель в диффузного отражения инфракрасной спектроскопии аксессуар отбора проб. Поместите держатель так, чтобы чашку, содержащую фона (чистый KBr) материал воздействию инфракрасного излучения.
    2. Закройте инфракрасный отсек дискретизации и позволяют отсека для очистки в течение 5 мин. Это время продувки может регулироваться в зависимости от количества времени, определенного необходимым в шаге 2.2.
    3. Через 5 мин продувки, получить инфракрасный спектр фона в интересующей области. Число сканирований должен быть установлен, чтобы максимизировать отношение сигнала к шуму при минимизации времени измерения. 128 сканирует на 4 см -1 резолюции, как правило, достаточно.
    4. После Background завершения сканирования открыть инфракрасный для образцов и перемещения чашку, содержащую частицы KBr / смесь так, чтобы он теперь воздействию инфракрасного излучения.
    5. Повторите шаги 2.4.2 и 2.4.3 для получения спектра частиц / KBr смеси.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Экспериментальная процедура описана в данном протоколе была применена, чтобы разобраться в механизме стабилизации частиц NiO в краске, используемой для печати анод ТОТЭ. Эта краска представляет собой дисперсию частиц в NiO 2-бутанола, альфа терпинеол, а также ряд диспергаторов и связующих 22. Представитель результаты приведены здесь для упрощенной дисперсии NiO в 2-бутанола с диспергатора олеиновой кислоты. На рисунке 1А, мы показываем сырые диффузного отражения данных ИК-спектроскопии. Для интерпретации этих данных, необходимо сравнить спектр частиц NiO, полученных из дисперсии к спектру частиц NiO, прежде чем дисперсии (фиг.1В) и к спектру чистого диспергатора, олеиновая кислота (Фиг.1С). Заметим здесь, что ни один из данных на рисунке 1 не претерпел Вычитание или математическое преобразование. Таким образом, нет никаких сомнений вrtifacts, вытекающие из обработки данных. Поскольку спектроскопические подписи дисперсной NiO отличается от NiO, что не подвергались дисперсии, очевидно, что адсорбата вид присутствует на полученной из NiO / 2-бутанол / дисперсии олеиновой кислоты NiO. Так как эти пики не возникают, когда NiO диспергируют в 2-бутанола без олеиновой кислоты, пики должны поступать из фрагмента олеиновой кислоты. Различия между аккуратным олеиновой кислоты (рис 1в) и фрагмента олеиновой кислоты, адсорбированной на NiO обеспечить понимание механизма адсорбции. Участие связи С = С в связывающем взаимодействии адсорбата / частиц маловероятно, потому что область СН стрейч (~ 2800 см -1 до 3200 см -1) без помех. Следует отметить, что виниловые СН растяжения в одном положении адсорбированной и аккуратной олеиновой кислоты. С другой стороны, C = O растяжения, соответствующий функциональности карбоновой кислоты (1,708 см -1) является сильным и присутствует в аккуратной олеиновой переменногоID, но отсутствовал, адсорбированного олеиновой кислоты. Кроме того, вне плоскости деформации ОН режиме олеиновой кислоты (γ (ОН), ~ 940 см -1) исчезает при дисперсии с NiO. Исчезновение растяжения режиме карбонильной и режима деформации ОН, сопровождается появлением ν (COO) пика (1547 см -1), предполагая, что облигации олеиновой кислоты в NiO через обе атомов кислорода в η конфигурации 2 21 , Предлагаемые η 2 вида может быть хелатных (оба атома кислорода склеивания с помощью одного поверхностного центра Ni) или преодоление (атомов кислорода приклеивания к поверхности через соседние Ni центров) (рисунок 2). Различие между этими вариантами потребует способность разрешить ν S (COO) и ν, как (COO) режимы, как было установлено в ходе предыдущих инфракрасных и рентгеновских кристаллографических исследований ацетата соединения 23.

Диффузный гeflectance инфракрасный данные спектроскопии чувствителен к подготовке образцов (проб эффективность / KBr KBr перемешивания и / образца размером частиц) и в той мере, которая инфракрасный источник спектроскопические правильно разогрет. Рисунок 3 обеспечивает пример U-образной базовой и широкие пики. В то время как спектр на фиг.3 предоставляет аналогичную качественную информацию о природе кислоты / олеиновой NiO связи, то ширина пика оттянуть решение спектральных признаков, особенно в регионах ниже 1250 см -1 и выше 3000 см -1. Кроме того, U-образный базовый преувеличивает интенсивность спектральных характеристик с увеличением искажений на любом конце шкалы волновых чисел.

Наконец, превращение диффузного отражения инфракрасных спектральных данных путем применения уравнений Кубелка Мунка обеспечивает механизм, посредством которого интенсивность рассеянного излучения может быть количественно связана с концентрацией 24.

Фигура 1
Рисунок 1. Сырье инфракрасные спектроскопические данные. Диффузного отражения инфракрасные спектральные данные, соответствующие (А) частиц NiO, полученных из NiO / олеиновой кислоты дисперсии / 2-бутанола, по сравнению с (B) NiO частиц одна, по сравнению с (С) ослабляется Общая отражения infrareд спектроскопические данные из аккуратной олеиновой кислоты.

Рисунок 2
. Рисунок 2. Возможные η 2 конфигураций для склеивания олеиновой кислоты в NiO Возможная конфигурация включает: (A) Хелатирующие, и (б) моста. Эти варианты адсорбции основаны на типичных структур, наблюдаемых в неорганических комплексов 23. Длины связей и валентные углы не в масштабе.

Рисунок 3
Рисунок 3. Сырье инфракрасные спектроскопические данные. Диффузного отражения инфракрасного спектроскопические данные, соответствующие NiO частиц, полученных из NiO / олеиновой кислоты дисперсии / 2-бутанол. Красный след иллюстрирует U-образную формуд базовой линии и увеличение ширины пиков, характерных недостаточной разминки источника ИК и недостаточного перемешивания и измельчения образца и KBr порошков. Для данных в этом чертеже, источник ИК от Shimadzu ИК Престиж-21 инструмента был включен примерно 1 ч перед измерением. Для Shimadzu ИК Престиж-21 инструмента, улучшение данные обычно получают, когда источник ИК был включен в течение двенадцати или более часов перед измерением. Для красного следа на этом рисунке, смешивание и измельчение выполняли в течение менее одной минуты и неоднородности размеров зерен в образце четко видимой.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Два важных фактора для создания высокого качества инфракрасные спектры с помощью этой процедуры являются: 1) минимизации абсолютное количество загрязнения воды и различия в количестве загрязнения воды между чашечки для образцов и справочных; и 2) создание образцов и справочных чашки с единых плоских слоев и аналогичных KBr размеров зерен. Оба из этих факторов достигается уделяя особое внимание процедурам подготовки проб, изложенных в разделе 2.3.

Для минимизации общего количества воды и загрязнения, чтобы сохранить загрязнения воды же в качестве ссылки и образца, необходимо свести к минимуму количество времени, которое гигроскопичен KBr подвергается паров воды в атмосфере и сохранить ссылку и Образец KBr воздействию атмосферы в течение примерно тех же количествах времени. Чтобы свести к минимуму количество времени, KBr подвергается воздействию паров воды в атмосфере во время выборки Препаратып, чернила образец частиц должны быть взвешены, прежде чем пакеты KBr открыты (или KBr порошок взвешивают). Кроме того, ИК-образец отсек должен находиться под непрерывным чистки чистый, сухой воздух (или азот), так что нет адсорбции воды не происходит во время измерения. Чтобы свести к минимуму разницу в загрязнение воды между чашечки для образцов и справочных, новый KBr ссылка чашка должна быть создана и измеряется каждый раз новый образец создается и измеряется. Кроме того, KBr, используемый для выборки чашки должна быть открытой и подвергается воздействию воздуха с минимальной задержкой после ссылки KBr измельчают.

Для создания выборки и справочные чашки с единых плоских слоев и аналогичных KBr размеров зерен, образцы должны быть выровнены по той же количества времени и с той же силой. С практикой, ручной шлифовальный является достаточно эффективным, хотя механическое измельчение и смешивание аксессуары имеются в продаже. После надлежащего порошка была достигнута, образец и эталонныхИБП должен быть упакован таким образом, чтобы верхний слой является плоским и равномерным. Один простой способ сделать это, чтобы заполнить чашу с порошком, слегка нажмите порошок с пестиком, затем довершение чашку с дополнительной порошка. Этот верхний слой порошка затем выравнивается путем запуска сторону бритвенным лезвием вдоль поверхности. После того, как созданы, чашки для образца и ссылки, то должны перевозиться в диффузного отражения аппарата, не нарушая плоских поверхностей. Чтобы сделать это, все внимание должно быть принято не трясти чашки.

При выполнении диффузного отражения для отбора проб частиц краски, наиболее распространенные проблемы, возникающие в базовой неравномерность, чрезмерное ширина пика, и неадекватное отношение сигнала к шуму. Наиболее частым базовый нерегулярность произносится U-форма, в которой высокие и низкие области волновых чисел преувеличивают рост поглощения. Это может быть артефактом недостаточно образец смешения 24. Альтернативно, это может быть показателем, что в infrarИсточник ред излучения в спектрометре не достаточно разогрет. По сравнению с другими ИК выборки в других режимах, измерения диффузного отражения представляется весьма чувствительны к спектрометр разминки время. Аналогично, ширина пика весьма чувствительна к подготовке образцов, в частности, от размера частиц грунта KBr. Большие размеры частиц приводят к более широким пиков 24. Таким образом, если ширина пика является слишком большим, чтобы решить желаемой спектральной характеристики, может быть полезно для переключения поставщиков KBr, расширить вручную время измельчения, или переключиться на механическом измельчении. Поскольку настоящее методика направлена ​​на выявления поверхностных адсорбатов, недостаточно отношение сигнала к шуму также иногда встречается. Если МСТ-детектор доступен, он может быть полезен для переключения с детектора на DLaTGS умолчанию к более чувствительным МСТ-А. Отношение сигнал-шум также повышена за счет увеличения числа сканирований и уменьшая область спектра, над которым выполняется сканирование.

Фигура 1 [1]

где Vs является скорость осаждения частицы с плотностью ρ р и радиусом R. Плотность жидкости и вязкость ρ е и μ, соответственно, и ускорение земного притяжения г, Органические пигменты или другие материалы на основе углерода в диапазоне от менее чем 100 нм, может потребоваться высокие г силы, и, следовательно, высокая скорость центрифугирования отделить. Даже когда разъемные, органические пигменты или другие углеродные частицы на основе может быть трудно измерить из-за сильного и широкого поглощения углерода в инфракрасной области. На практике, чтобы уменьшить концентрацию образца материала на основе углерода (т.е. увеличение разбавления KBr) иногда помогает улучшить детектируемость адсорбатов, но сигнал все еще ​​имеет тенденцию к снижению. Конечный ограничение этого метода является то, что измерение экс-месте. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы гарантировать, что в процессе сушки, адсорбированных частиц не разлагается, ни существенно изменить его взаимодействие с функциональной чернил частицы. Один из способов проверить это выполнить нарушенного полного отражения инфракрасной спектроскопии (ATR-ИК) на небольшом количестве еще влажное осадка сразу же после центрифугирования.TR-ИК-спектры могут быть собраны периодически, как образец высыхает на ATR пластины. Полосы наблюдали будет, таким образом, показать адсорбата плюс уменьшающиеся количества растворителя, как функцию времени. Если адсорбата полосы, полученные через этот эксперимент ATR-ИК согласны с адсорбата полос, образующихся в процессе измерения диффузного отражения, то есть свидетельства, что процесс сушки существенно не изменится характер взаимодействия адсорбата / частиц. Отметим здесь, что в то время как ATR-ИК выполнена таким образом, генерирует полезную информацию, измерение диффузного отражения является предпочтительным, поскольку измерение ATR-ИК, таким образом, выполняется требуется, что образец остается в камере для периода времени, достаточного для испарения растворителя. Данные, полученные в ходе этих длительных экспериментальных раз могут пострадать от значительных групп водных (даже когда отсек энергично продувают чистым сухим воздухом). Эксперименты подтверждения также могут быть выполнены с использованием ATR-ИК эксперименты на unseparated чернил 9, но собственно вычитание базовой нетривиально в такой ситуации, и это может быть невозможно отличить physisorbed полимера и полимера в растворе.

Описанный выше диффузного отражения протокол инфракрасной спектроскопии дает ценную информацию о характере взаимодействия адсорбатов и функциональных частиц в керамической, оксидов металлов и металлических красок. В свою очередь, это понимание может сообщить рациональное формулировку функциональных красок. Как печать керамики, оксида металла, и металлических устройств переходов от научных исследований к коммерческой изготовления, это диффузного отражения метод инфракрасной спектроскопии будет полезно промышленных рецептуры лабораторий. Вместо того чтобы полагаться на косвенные доказательства частиц адсорбата / взаимодействия (реологии, размер частиц, дзета-потенциал), разработчики будут иметь прямое доказательство которых молекулы наиболее эффективно связь с и стабилизации данной частицы.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgments

Авторы признают, поддержку ВВС Research Labs под ЕЭС подряда # S-932-19-MR002. Авторы признают далее, поддержку оборудования от штата Нью-Йорк Высшей исследований и инициатив преподавания (GRTI / GR15).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
FTIR bench Shimadzu Scientific Instruments IR_Prestige 21 used in this work; in 2013 IR-Tracer 100 model replaced Prestige-21 Any research grade FTIR with purgable sample compartment is acceptable
Purge gas generator for sample compartment Parker Balston 74-5041NA Lab Gas Generator Provides air with less than 1 ppm CO2 and water; also possible to purge compartment with N2 tank
Diffuse Reflectance Infrared Accessory Pike Technologies 042-10XX Includes sample preparation kit and mortar and pestle (these can also be purchased separately, described below)
Diffuse Reflectance Sample Preparation kit Pike Technologies 042-3040 Includes sample holder cups, spatulas, alignment mirror, mirror brush, razor blades
Agate mortar and pestle Pike Technologies 161-5035
Centrifuge ThermoScientific Sorvall ST16 Most benchtop centrifuges capable of ~5,000 rpm will be acceptable
Name Company Catalog Number Comments
Consumables
Centrifuge tubes Evergreen Scientific 222-2470-G8K Any centrifuge tube of compatible size and material is acceptable
KBr powder packets ThermoScientific 50-465-317 Also possible to use alternative KBr supplier

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wray, P. Additive manufacturing- Turning manufacturing inside out. American Ceramic Society Bulletin. 93, (2014).
  2. Hiemenz, P. C., Rajagopalan, R. Principles of Colloid and Surface Chemistry, Third Edition, Revised and Expanded. Marcel Dekker. (1997).
  3. Böhnlein-Mauß, J., et al. The function of polymers in the tape casting of alumina. Advanced Materials. 4, 73-81 (1992).
  4. Grote, C., Cheema, T. A., Garnweitner, G. Comparative Study of Ligand Binding during the Postsynthetic Stabilization of Metal Oxide Nanoparticles. Langmuir. 28, 14395-14404 (2012).
  5. Zhang, Q., et al. Aqueous Dispersions of Magnetite Nanoparticles Complexed with Copolyether Dispersants: Experiments and Theory. Langmuir. 23, 6927-6936 (2007).
  6. Amstad, E., Gillich, T., Bilecka, I., Textor, M., Reimhult, E. Ultrastable Iron Oxide Nanoparticle Colloidal Suspensions Using Dispersants with Catechol-Derived Anchor Groups. Nano Letters. 9, 4042-4048 (2009).
  7. Wu, N., et al. Interaction of Fatty Acid Monolayers with Cobalt Nanoparticles. Nano Letters. 4, 383-386 (2004).
  8. Blackman, K., Slilaty, R. M., Lewis, J. A. Competitive Adsorption Phenomena in Nonaqueous Tape Casting Suspensions. Journal of the American Ceramic Society. 84, 2501-2506 (2001).
  9. Hind, A. R., Bhargava, S. K., McKinnon, A. At the solid/liquid interface: FTIR/ATR — the tool of choice. Advances in Colloid and Interface Science. 93, 91-114 (2001).
  10. Wang, J., Gao, L. Surface properties of polymer adsorbed zirconia nanoparticles. Nanostructured Materials. 11, 451-457 (1999).
  11. Guedes, M., Ferreira, J. M. F., Ferro, A. C. A study on the aqueous dispersion mechanism of CuO powders using Tiron. Journal of Colloid and Interface Science. 330, 119-124 (2009).
  12. Guedes, M., Ferreira, J. M. F., Ferro, A. C. Dispersion of Cu2O particles in aqueous suspensions containing 4,5-dihydroxy-1,3-benzenedisulfonic acid disodium salt. Ceramics International. 35, 1939-1945 (2009).
  13. Gottlieb, H. E., Kotlyar, V., Nudelman, A. NMR Chemical Shifts of Common Laboratory Solvents as Trace Impurities. The Journal of Organic Chemistry. 62, 7512-7515 (1997).
  14. Amstad, E., et al. Influence of Electronegative Substituents on the Binding Affinity of Catechol-Derived Anchors to Fe3O4 Nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry C. 115, 683-691 (2010).
  15. Naviroj, S., Koenig, J. L., Ishida, H. Diffuse Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopic Study of Chemical Bonding and Hydrothermal Stability of an Aminosilane on Metal Oxide Surfaces. The Journal of Adhesion. 18, 93-110 (1985).
  16. Li, C. -C., Chang, M. -H. Colloidal stability of CuO nanoparticles in alkanes via oleate modifications. Materials Letters. 58, 3903-3907 (2004).
  17. Lee, S., Paik, U., Yoon, S. -M., Choi, J. -Y. Dispersant-Ethyl Cellulose Binder Interactions at the Ni Particle-Dihydroterpineol Interface. Journal of the American Ceramic Society. 89, 3050-3055 (2006).
  18. Lee, S. J., Kim, K. Diffuse reflectance infrared spectra of stearic acid self-assembled on fine silver particles. Vibrational Spectroscopy. 18, 187-201 (1998).
  19. Lee, D. H., Condrate, R. A. FTIR spectral characterization of thin film coatings of oleic acid on glasses: I. Coatings on glasses from ethyl alcohol. Journal of Materials Science. 34, 139-146 (1999).
  20. Lee, D. H., Condrate, R. A., Lacourse, W. C. FTIR spectral characterization of thin film coatings of oleic acid on glasses Part II Coatings on glass from different media such as water, alcohol, benzene and air. Journal of Materials Science. 35, 4961-4970 (2000).
  21. Jay Deiner,, Piotrowski, L., A, K., Reitz, T. L. Mechanisms of Fatty Acid and Triglyceride Dispersant Bonding in Non-Aqueous Dispersions of NiO. Journal of the American Ceramic Society. 96, 750-758 (2013).
  22. Young, D., et al. Ink-jet printing of electrolyte and anode functional layer for solid oxide fuel cells. Journal of Power Sources. 184, 191-196 (2008).
  23. Nakamoto, K. Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Complexes. 5th edn, John Wiley & Sons, Inc. (1997).
  24. Fuller, M. P., Griffiths, P. R. Diffuse reflectance measurements by infrared Fourier transform spectrometry. Analytical Chemistry. 50, 1906-1910 (1978).
Диффузного отражения инфракрасного спектроскопического идентификации диспергирующих / частиц Адгезивы механизмов в функциональных чернил
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Deiner, L. J., Farjami, E. Diffuse Reflectance Infrared Spectroscopic Identification of Dispersant/Particle Bonding Mechanisms in Functional Inks. J. Vis. Exp. (99), e52744, doi:10.3791/52744 (2015).More

Deiner, L. J., Farjami, E. Diffuse Reflectance Infrared Spectroscopic Identification of Dispersant/Particle Bonding Mechanisms in Functional Inks. J. Vis. Exp. (99), e52744, doi:10.3791/52744 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter