Introduction
Generative Fertigung hat vor kurzem als vielversprechende Technik für die Herstellung von Keramik, um alles von Halbleitern, um medizinische Geräte 1 entstanden. Da die Anwendung von Additiven Verfahren zu erweitern, um gedruckte keramische Metalloxid und Metallteilen, die Notwendigkeit, spezielle funktionelle Tinten zu formulieren entsteht. Die Frage, wie die erforderlichen funktionellen Tinten zu formulieren, bezieht sich auf eine grundlegende Frage in Oberflächen- und Kolloidwissenschaft: Was sind die Mechanismen, durch die Teilchen in kolloidalen Dispersion gegen Aggregation stabilisiert? Breit, Stabilisierung erfordert eine Modifikation der Partikeloberflächen, so daß enge Annäherung von Partikeln (und daher die Aggregation) durch Coulomb-Abstoßung (elektrostatische Stabilisierung) verhindert entweder durch die entropische Aufwand Polymer Verschränkung (sterische Stabilisierung) oder durch eine Kombination der Coulomb und entropischen Kräfte (elektrosterische Stabilisierung) 2. Um eines dieser Mechanismen zu erreichen,Stabilisierung ist es üblicherweise notwendig, die Partikeloberflächenchemie durch Bindung von Polymeren oder kürzerkettige funktionellen Gruppen zu modifizieren. Somit ist die rationale Formulierung von stabilen funktionellen Tinten verlangt, dass wir wissen, ob ein bestimmter chemischer Zusatz wird an der Partikeloberfläche und welche chemische Gruppe wird an der Partikeloberfläche.
Das Ziel der in diesem Protokoll vorgestellte Verfahren ist es, eine schnelle Charakterisierung chemische Spezies auf Teilchenoberflächen in funktioneller Tinten adsorbiert demonstrieren. Dieses Ziel ist besonders wichtig, da Funktionstintenformulierung Übergänge von einem spezialisierten Task für Oberflächen- und Kolloid Wissenschaftler auf eine Tätigkeit im Großen und Ganzen durch den Bereich von Wissenschaftlern und Ingenieuren interessiert Druck Keramik, Metalloxide und Metallvorrichtungen praktiziert. Die Erreichung dieses Ziels erfordert die Gestaltung ein Experiment, das die Herausforderungen der Charakterisierung undurchsichtig, hohe Feststoffbeladungen Dispersionen überwindet. Es erfordert auch Unterscheiden zwischen chemical Spezies, die in der Dispersion vorhanden ist, aber nicht auf die Partikel von den tatsächlich adsorbierten adsorbiert sind. Es erfordert eine weitere Unterscheidung zwischen den Arten, die chemisch auf den Partikeln von denen, die schwach physisorbiert adsorbiert werden. In diesem Versuchsprotokoll stellen wir die Verwendung von diffuser Reflexion-Infrarot-Spektroskopie zur Charakterisierung des Dispergiermittels Befestigung in funktioneller Tinten. Die diffuse Reflexion-Infrarot-Spektroskopie-Messung folgt einer Voranalyse Probenvorbereitungstechnik notwendig adsorbierten Spezies von denen lediglich in der Dispersion unterscheiden.
Eine Vielzahl von Verfahren werden derzeit verwendet, um Einsicht in die Natur der Wechselwirkungen zwischen chemischen Tintenkomponenten und kolloidal dispergierten Teilchen zu erhalten. Einige dieser Methoden sind indirekte Sonden in dem gemessenen Eigenschaften gelten als mit Oberflächenfunktionalisierung korrelieren. Zum Beispiel können Veränderungen in der Rheologie Aufschlämmung oder Sedimentation rAtes gelten als mit Adsorption von Oberflächenmodifizierungs 3 korrelieren. Korngrößenverteilung, wie gekennzeichnet durch dynamische Lichtstreuung (DLS) und Zeta-Potential, wie gekennzeichnet durch elektrophoretische Mobilität, einen Einblick in die Adsorption von Polymeren oder Art mit Oberflächenladung 4,5. In ähnlicher Weise abzutasten Masseverlust durch thermogravimetrische Analyse (TGA) untersucht betrifft Gegenwart desorbierende Spezies und der Stärke der Wechselwirkung zwischen dem Adsorbat und Teilchen 6. Die Informationen aus den oben genannten indirekten Sonden vorschlagen Veränderungen der Oberflächenchemie, jedoch liefern sie keine direkten Einblick in die Identität der adsorbierenden Spezies oder der Mechanismus der Adsorption. Direkten Einblick ist besonders wichtig für die Funktions Tinte in dem eine große Anzahl von Komponenten in der Dispersion vorhanden sind. Um detaillierte Informationen auf molekularer Ebene, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) 7, 13 C-Kern liefernResonanz (NMR) 4,6, und Infrarotspektroskopie 8-12 erforscht worden. Dieser drei Optionen ist Infrarot-Spektroskopie besonders vielversprechend. Im Vergleich zu 13 C-NMR, Infrarotspektroskopie ist nicht erforderlich, dass Tinten mit analysenreinen Lösungsmitteln formuliert, um Störungen während der Messung 13 zu verhindern. Im Vergleich zur Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie, können Standard-Infrarot-Spektroskopie bei Umgebungsdruck durchgeführt werden, wodurch die Notwendigkeit für Ultrahochvakuumbedingungen während der Messung.
Es gibt Literaturbeispielen für die Verwendung von Infrarotspektroskopie, um die Wechselwirkung zwischen kolloiddispersen Keramik, Metalloxid und Metallnanopartikel zu sondieren. Diese Arbeiten können in Versuchen getrennt werden, um Grenzflächenchemie in situ zu messen mit abgeschwächter Totalreflexion Infrarot (ATR-IR) 9, und versucht, die Grenzflächenchemie Ex-situ-Messung unter Verwendung von festen Abtastrate 8. Während gibt es Vorteile für in situ-Messungen, die Unsicherheiten, die auf die Notwendigkeit der spektralen Manipulation entstehen Sie machen das Verfahren schwierig für Mehrkomponentenfarben in dem es Lösungsmitteln und mehrere Polymerkomponenten. Daher konzentriert sich dieses Protokoll auf festen Probenahme und Ex-situ-Messung. Alle festen Abtastverfahren bringen einen Vorbehandlungsschritt, in dem ein Feststoff durch die Trennung der Teilchen von dem Lösungsmittel erhalten wird, und einen Analyseschritt, wenn Infrarot-Messungen werden an den Feststoffpartikeln durchgeführt. Der Unterschied zwischen den Verfahren entsteht in der Wahl des Proben Vorbehandlung und in der Wahl der experimentellen Technik für Infrarot-Analyse des Feststoffs verwendet. Historisch gesehen ist die traditionelle Art, Infrarotspektroskopie verwendet, um Feststoffe zu analysieren war, geringe Mengen (<1%) der festen Probe mit Kaliumbromid (KBr) zermalmen und zu unterwerfen, dann das Gemisch auf Hochdruck-Sintern. Das Ergebnis ist eine transparente KBr-Pellet. Diese procedure erfolgreich mit Pulvern aus wässrigen Suspensionen von Nanopartikeln mit Zirkoniumoxid Polyethylen 10 funktionalisiert mit Fettsäuremonoschichten auf Co-Nanopartikel 7 abgeleitet versucht worden, mit Catechin abgeleitete Dispergiermittel auf Fe 3 O 4 -Nanopartikel 14. Trotz dieser erfolgreichen Anwendungen des KBr Pelletiertechnik zum Nachweis von adsorbiertem Dispergiermittel stellt diffusen Reflexion-Infrarot-Spektroskopie mehrere Vorteile. Ein Vorteil ist, vereinfacht die Probenvorbereitung. Im Gegensatz zu KBr Pelletierung kann die feste Probe in diffuser Reflexion einfach von Hand geschliffen werden. Es gibt keinen Sinterschritt als Pulver selbst wird in den Probenbecher geladen und die diffus gestreuten Infrarot-Licht wird gemessen. Der andere Vorteil der diffusen Reflexion über KBr Pelletierung wird der erhöhte Oberflächenempfindlichkeit 15. Die Erhöhung der Oberflächenempfindlichkeit ist besonders nützlich für die vorliegende Anmeldung, in welcher der CRIsche Fragen sind das Vorhandensein und die Art von Adsorbaten auf die Nanopartikel-Oberflächen.
Unter Arbeiten, die diffuse Reflexion Abtasttechnik verwendet wurden, um die Adsorption der chemischen Spezies an kolloidal dispergierten Proben Sonde ergeben sich die Hauptunterschiede in der Verfahren zur Abtrennung der Nanopartikel aus dem flüssigen Medium. Dieser Schritt ist wichtig, denn ohne die Trennung, es unmöglich sein, spezifisch adsorbierte Dispergiermittel aus Dispersionsmitteln einfach in dem flüssigen Medium gelöst zu unterscheiden wäre. In einigen Beispielen ist das Trennverfahren nicht aus dem Versuchsprotokoll 12,16,17 offensichtlich. Wenn angegeben, beinhaltet die am häufigsten praktizierte Methode Schwerkrafttrennung. Das Grundprinzip ist, daß die keramischen Metalloxid und Metall-Nanopartikel sind dichter als das umgebende Medium. Wenn sie sich niederlassen, werden sie mit ihnen nur die spezifisch adsorbierten Spezies nach unten ziehen. Chemische Spezies nicht mit dem Teil der InteraktionRZEUGE wird in Lösung bleiben. Während Dispersionen können leicht unter normalen Schwerkraft 18 zu regeln, sollte eine stabile Tintenstrahltinte nicht einsehbar begleichen über einen Zeitraum von weniger als einem Jahr. Als solche wird bevorzugt, das Verfahren zur Verwendung der Zentrifugation für Voranalyse Trennung. Dies wurde in mehreren Studien an Dispergiermittel Adsorption an Glaspartikeln 19,20 Dispergiermittel Bindemittel Adsorption auf Aluminiumoxid 8 und anionische Dispergiermittel Funktionalisierung CuO 11 gezeigt. Zuletzt wir verwendet haben, um Mechanismen der Fettsäure-Bindung in nicht-wässrigen für Tintenstrahldrucker und Aerosolstrahldruck der Festoxidbrennstoffzelle Schichten 21 verwendet NiO Dispersionen bewerten.
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Protocol
1. Präanalytik Probenvorbereitung
- Trennung von Funktionspartikeln aus Druckfarbenträger: Zentrifugation
- Basierend auf der anfänglichen Tintenformulierung, zu berechnen, wie viel Tinte Probe benötigt wird, um ein Minimum von 2,0 g Partikelsediment zu erhalten. Zum Beispiel, wenn die Tinte 10 Vol% keramische und die Dichte der Keramik ist 6,67 g / cm 3, dann ein Minimum von 3,0 ml der Tinte benötigt wird, um 2,0 g Sediment zu erzeugen.
- Pipette wenigstens die minimale erforderliche Farbmenge in einem Zentrifugenröhrchen. Wahl der Zentrifugenröhrchen sollte basierend auf Tintenmenge benötigt und auf Reaktionsträgheit von Rohrmaterial, Tinte Lösungsmittel hergestellt werden.
- Zeigen Rohr in Zentrifuge. Wahl der Zentrifuge und der Drehgeschwindigkeit wird durch die Schwerkraft erforderlich ist, um die Tintenpartikel sedimentieren diktiert werden. Ein Standard-Laborzentrifuge wie der Sorvall ST16 Zentrifuge mit einem TX-200 Schwingbecherrotor ist in der Regel ausreichend.
- Programm Zentrifuge um Tinte mit einer Dreh ra Spinte und Zeit notwendig, um einen klaren Überstand zu erzeugen. Für die Zentrifuge verwendet hier, typische Preise und Zeiten sind 3.000 - 4.000 rpm für 30 min und 90 min. Die Einstellung der richtigen Drehzahl und Zeit erforderlich, die Tinte kann Versuch und Irrtum erforderlich sedimentieren weil auch Tinten der gleichen mittleren Teilchengrößen können unterschiedliche Teilchengrößenverteilungen.
- Post-Trennung Probenhandhabung: Entfernung von Überstand, Proben Waschen, Trocknen
- Sobald eine klare Überstand erreicht wurde, entfernen Sie das Zentrifugenröhrchen aus der Zentrifuge.
- Überstand dekantieren und speichern in einem verschlossenen Glasprobenfläschchen für mögliche zukünftige Analysen. Die funktionellen Partikel sind nun Rest in dem Zentrifugenröhrchen.
- Nach dem Dekantieren, legen Sie die nicht begrenzten Zentrifugenröhrchen auf den Kopf auf einem Papiertuch und lassen Sie zusätzliche Überstand für 1 min heraustropfen.
- Entfernen Sie das Rohr aus dem Papiertuch und spülen Sie die sedimentierten Partikel durch Zugabe zu derRöhre ungefähr 2 ml frischem Lösungsmittel aus der gleichen Zusammensetzung in der Tintenformulierung verwendet. Man beachte, daß dieses Lösungsmittel nur die oberste Schicht der im Zentrifugenröhrchen sedimentiert Teilchen berühren. Dekantieren Lösungsmittel. Wiederholen Sie den Spülvorgang dreimal.
- Nach dem letzten Spülgang, legen Sie die nicht begrenzten Zentrifugenröhrchen auf den Kopf auf einem Papiertuch und lassen Sie die zusätzlichen Lösungsmittels für etwa 5 min heraustropfen.
- Verwenden Sie einen dünnen Metallspachtel, um das Sediment vom Boden des Zentrifugenröhrchens auf eine saubere, trockene Uhrglas entfernen und zu verbreiten. Verwenden Sie ein fusselfreies nicht scheuer Wattestäbchen oder die Spitze eines sauberen Spatel, um überschüssige Partikel von der Spatelspitze entfernen.
- Legen Sie das Uhrglas in einen 50 ° C Ofen und lassen die Teilchen für 24 Stunden trocknen. Die Temperatur des Ofens relativ niedrig gehalten werden, um die Möglichkeit der Zersetzung von adsorbierten Spezies zu minimieren. Die zur Trocknung der Teilchen erforderliche Zeit von dem Dampfdruck des Lösungsmittels abhängt. 24 Stunden ist typisch, aber die Ergebnisse sind in der Regel unempfindlich gegen Zeiten so kurz wie 12 Stunden und so lange wie 3 Wochen warten.
2. diffuse Reflexion-Infrarot-Spektroskopie Messung
- Herstellung von Infrarot-Spektrometer: align Zubehör, Spülung Fach
- Schalten Sie IR-Spektrometer.
- Um diffuse Reflexion der Infrarotspektroskopie-Messungen vorzubereiten, legen Sie die diffuse Reflexion Probenahme Zubehör in das Infrarot-Spektrometer Probenahmefach. Das Infrarot-Spektrometer kann jedes Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer Lage, mit einer diffusen Reflexionsproben-Entnahmevorrichtung. Ein Shimadzu IR Prestige 21 Spektrometer mit einer Pike Technologies EasiDiff Zubehör angeschlossen wurde für dieses Protokoll verwendet. Für die meisten Druckfarben-Teilchen stellt eine Standard deuterierten, L-Alanin dotierten Triglycinsulfat (DLATGS) -Detektor genügend Sensibilität für die Messung. Ein mit flüssigem Stickstoff gekühlten Quecksilber-Cadmium-Tellurid (MCT) detector bietet eine vier- bis zehnfache Empfindlichkeit zu erhöhen, aber dies ist in der Regel nicht zur Identifizierung von Adsorbaten auf Tintenpartikeloberflächen notwendig.
- Richten Sie die diffuse Reflexion Probenahme Zubehör nach den Anweisungen des Herstellers.
- Nach der Ausrichtung, schließen Sie die Infrarot-Abtastung Raum und beginnen Spülen mit Stickstoff oder mit CO 2 -freie, trockene Luft (Spülrate von 10 L / min). Ein Standard-Parker Balston FT-IR Spülgas-Generator liefert Luft mit weniger als 1 ppm Wasser und CO 2. Die Menge an Reinigungszeit erforderlich, um eine stabile Wasser und CO 2 freie Kammer, würden auf die Probenkammer-Konfiguration und der Feuchtigkeit im Labor abhängen. Die notwendige Spülzeit kann experimentell durch Vergleich Grundspektren in 1 oder 2 Minuten-Intervallen entnommen und die Beurteilung der Intensitäten von Wasser und CO 2 Bändern als eine Funktion der Zeit bestimmt werden.
- Bereiten Probe für diffuse Reflexion der Infrarotspektroskopie Messsung
- Erhalten Sie die folgenden Probenvorbereitung Zubehör: (35 mm) Achat Mörser und Stößel, kleinen Metallspatel, gerade Rasierklinge und zwei diffuse Reflexion Infrarot-Probenbecher. Wischen Sie das Zubehör sauber und mit Ethanol, dann mit Aceton, und lassen Sie sie für 10 Minuten in einem 50 ° C Ofen trocknen.
- Entfernen sauberen, trockenen Probenvorbereitung Zubehör aus dem Ofen, legen Sie sie auf einem großen Kimwipe, und es ihnen ermöglichen, auf RT abkühlen.
- Während die Probenvorbereitung Zubehör Abkühlen Entfernen der getrockneten Tintenpartikel aus dem Ofen, und die Verwendung einer Analysenwaage auf 0,025 g der Partikelprobe zu messen. Lassen Sie die Probe sitzen in der Analysenwaage.
- Zurück zur Probenvorbereitung Zubehör und gießen Sie 0,5 g KBr in den Achat-Mörser. Verwenden Sie immer KBr verkauft für Infrarot-Anwendungen. Abgemessenen Einzel 0,5 g Pakete KBr (Thermo Scientific) werden empfohlen, weil sie minimieren Wiegezeit und Belichtung des hygroskopischen KBr auf die Ambient Wasserdampf. Schleifen Sie die KBr auf ein einheitliches Erscheinungsbild, in der Regel 1 min kontinuierlicher manuelles Schleifen.
- Vollständig zu füllen eine der diffusen Reflexion Infrarot-Abtastung Tassen mit dem Boden KBr-Pulver. Drücken Sie leicht das Pulver mit dem stumpfen Ende des Stößel, und oben von der Stichprobenbecher mit KBr.
- Mit der Kante der Rasierklinge, um die Oberseite des KBr in den Probenbecher zu glätten. Dieses gefüllt und abgeflacht Probe ist die Referenz oder Hintergrund.
- Entsorgung von jeglichen verbleibenden KBr im Mörser und sauber wischen.
- Öffnen Sie ein neues Paket von 0,5 g KBr-Pulver (oder fügen Sie 0,5 g KBr-Pulver), und gießen Sie in den Mörtel.
- In der zuvor gewogene 0,025 g Farbpartikel in die 0,5 g KBr und schleifen mit den Stößel, um eine einheitliche Pulverform, üblicherweise 1 min kontinuierlicher manuelles Schleifen. Dieses Verhältnis der Farbstoffpartikel KBr stellt eine 5 Gew% Probe während der Messung. Dies ist innerhalb des Standardbereichs (1 - 10 Gew%), aber nach oben oder unten, je o eingestellt werdenn das Absorptionsvermögen und die Signalstärke der Probe.
- Führen Sie die Schritte 2.3.5 und 2.3.6, um eine Probenbecher mit der Partikel / KBr-Gemisch gefüllt erstellen.
- IR-spektroskopische Messung
- Legen Sie die Referenz- und Probenbecher in die Halterung ein, und legen Sie die Halterung in die diffuse Reflexion der Infrarotspektroskopie Probenahme Zubehör. Positionieren Sie die Halterung so, dass die Tasse mit dem Hintergrund (reines KBr) Material der Infrarotstrahlung ausgesetzt ist.
- Schließen des Infrarotprobenahmekammer und damit die Kammer für 5 min spülen. Dieser Purge Zeit kann je nach der Menge an Zeit bestimmt notwendig zu sein in Schritt 2.2 eingestellt werden.
- Nach 5 min Spülen erhalten ein Infrarotspektrum des Hintergrunds in dem Bereich von Interesse. Die Anzahl der Abtastungen sollte entsprechend dem Signal-Rausch-Verhältnis zu maximieren bei gleichzeitiger Minimierung Meßzeit werden. 128 Scans bei 4 cm -1 Auflösung ist in der Regel ausreichend.
- Nach der background Scan abgeschlossen ist, öffnen Sie die Infrarot-Probenraum und bewegen Sie die Tasse mit dem Partikel / KBr Mischung, so dass es nun an der Infrarotstrahlung ausgesetzt ist.
- Wiederholen Sie die Schritte 2.4.2 und 2.4.3, um ein Spektrum des Teilchens / KBr Mischung zu erhalten.
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Representative Results
Die in diesem Protokoll beschriebenen experimentellen Verfahrensweise angewendet wurde, um einen Einblick in den Mechanismus der NiO Teilchenstabilisierung in einer Tinte verwendet wird, um die Anode der Festoxidbrennstoffzelle ausdrucken zu gewinnen. Diese Tinte ist eine Dispersion von NiO-Teilchen in 2-Butanol, alpha-Terpineol, und eine Reihe von Dispergiermittel und Bindemittel 22. Repräsentative Ergebnisse sind hier für ein vereinfachtes Dispersion von NiO in 2-Butanol mit einem Ölsäuredispersionsmittel gezeigt. In 1A, zeigen wir raw diffuse Reflexion-Infrarot-Spektroskopie Daten. Um diese Daten zu interpretieren, ist es notwendig, um das Spektrum der NiO-Teilchen aus der Dispersion, um das Spektrum der NiO-Teilchen vor der Dispersion (1B) erhalten wird, um das Spektrum des reinen Dispersionsmittel, Ölsäure (1C) zu vergleichen, und. Wir merken hier, dass keine der Daten in Figur 1 hat Basisliniensubtraktion oder mathematischen Transformation unterzogen. Daher ist es keine Frage einerrtifacts aus Datenverarbeitung. Weil die spektroskopische Signatur des dispergierten NiO unterscheidet sich von der, die NiO hat Dispersion unterzogen, ist es offensichtlich, dass eine Adsorbatspezies auf der NiO vom NiO / 2-Butanol / Ölsäure-Dispersion vorliegt. Da diese Peaks nicht auftreten, wenn NiO in 2-Butanol ohne Ölsäure dispergiert sind, muß die Spitzen aus dem Ölsäurerest kommen. Die Unterschiede zwischen dem reinen Ölsäure (1C) und dem Ölsäurerest auf der NiO adsorbiert geben einen Einblick in den Mechanismus der Adsorption. Beteiligung der C = C-Bindung in dem Adsorbat / Partikelbindung Interaktion ist unwahrscheinlich, da die CH Streckbereich (~ 2800 cm -1 bis 3200 cm -1) ist ungestört. Bemerkenswerterweise ist die vinylisches CH Dehnung in der gleichen Position für adsorbiert und ordentlich Oleinsäure. Auf der anderen Seite, ist die C = O-Streckschwingung, die der Carbonsäure-Funktionalität (1708 cm -1) stark und präsent für saubere Öl acid, aber abwesend adsorbiert Ölsäure. Auch die aus der Ebene OH-Deformationsschwingung der Ölsäure (γ (OH), ~ 940 cm -1) verschwindet beim Dispergieren mit NiO. Das Verschwinden der Carbonyl-Streckmodus und dem OH-Deformationsschwingung, wird durch das Auftreten eines ν a (COO) Peak begleitet (1.547 cm -1), was darauf hindeutet, dass die Ölsäure Bindungen mit dem NiO durch beide Sauerstoffatome in einem η 2-Konfiguration 21 . Die vorgeschlagenen η 2 Spezies werden chelatisierende (beide Sauerstoffatome Verklebung durch einen einzelnen Ni Oberflächenmitte) oder Verbrückung (Sauerstoffe Bindung an die Oberfläche durch benachbarte Ni-Zentren) (Abbildung 2). Die Unterscheidung zwischen diesen Optionen würden die Fähigkeit, die ν s (COO) und zu lösen benötigen ν as (COO) Modi, wie bereits durch vorherige Infrarot- und Röntgenstrukturstudien etabliert Acetat-Verbindungen 23.
Diffuse reflectance Infrarotspektroskopie-Daten ist die Herstellung (Wirksamkeit der Probe / KBr Misch- und KBr / Probe Teilchengröße) Probe empfindlich und in dem Umfang, der der Infrarot-Spektroskopie-Quelle richtig warmgelaufen ist, Fig. 3 stellt ein Beispiel einer U-förmigen Grundlinie und breiter Gipfel. Während das Spektrum in Abbildung 3 stellt ähnliche qualitative Informationen über die Art der Ölsäure / NiO Bindung, behindern die Peakbreite Auflösung spektraler Merkmale, insbesondere in den Bereichen unterhalb 1.250 cm -1 und oberhalb 3000 cm -1. Ferner übertreibt die U-förmige Grundlinie der Intensität der spektralen Merkmale mit zunehmender Verzerrung an jedem Ende des Wellenzahl-Skala.
Schließlich Umwandlung der diffusen Reflexionsinfrarotspektroskopiedaten über die Anwendung der Kubelka Munk-Gleichungen stellt einen Mechanismus bereit, durch die die Intensität der gestreuten Strahlung quantitativ zu Konzentration in Beziehung gesetzt werden
Abbildung 1. Rohmaterial infrarotspektroskopischen Daten. Diffuse Reflexions Infrarot-spektroskopischen Daten, die (A) NiO-Teilchen aus einem NiO / Ölsäure / 2-Butanol-Dispersion erhalten wird, im Vergleich zu (B) NiO Teilchen allein im Vergleich zu (C) abgeschwächt Gesamtreflexions infrared spektroskopischen Daten von ordentlich Ölsäure.
. Abbildung 2. Mögliche η 2 Konfigurationen für Ölsäure Bindung an NiO Mögliche Konfigurationen sind: (A) chelatisierende, und (B) Überbrückung. Diese Optionen für die Adsorption an anorganischen Komplexen in 23 beobachtet typischen Strukturen. Bindungslängen und Bindungswinkel sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
Abbildung 3. Raw infrarotspektroskopischen Daten. Diffusen Reflexionsinfrarotspektroskopiedaten entsprechend NiO Teilchen aus einer NiO / Ölsäure / 2-Butanol-Dispersion erhalten. Die rote Kurve zeigt die U-Formd Grundlinie und erhöhte Spitzenbreiten Charakteristik unzureichend Aufwärmen von der IR-Quelle und unzureichenden Mischen und Mahlen der Probe und KBr-Pulver. Für die Daten in dieser Figur wurde die IR-Quelle der Shimadzu IR Prestige-21 Instrument auf etwa 1 h vor der Messung mit Strom versorgt. Für die Shimadzu IR Prestige-21 Instrument, wurde eine verbesserte Daten typischerweise erhalten, wenn die IR-Quelle wurde auf zwölf oder mehr Stunden vor der Messung mit Strom versorgt. Für die rote Linie in dieser Figur, Mischen und Mahlen wurde für weniger als eine Minute und Inhomogenität in der Größe der Körner in der Probe durchgeführt wurde visuell erkennbar.
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Discussion
Die zwei kritischen Faktoren für die Erzeugung hochwertigen Infrarotspektren unter Verwendung dieses Verfahrens sind: 1) Minimieren der absolute Wassermenge, Verschmutzung und die Unterschiede in der Menge des Wasserkontamination zwischen den Proben und Referenz Tassen; und 2) die Schaffung von Probe und Referenz Tassen mit einheitlichen flachen Schichten und ähnliche KBr Korngrößen. Beide Faktoren werden durch besonderes Augenmerk auf die Probenvorbereitungsverfahren in Abschnitt 2.3 eingegangen wird.
Um zu minimieren, die Gesamtwassermenge, Verschmutzung und den Wasserkontamination das gleiche in den Bezugs- und Proben halten, ist es notwendig, die Menge der Zeit, die das hygroskopische KBr wird, um Wasserdampf in der Atmosphäre ausgesetzt zu minimieren und die Bezugs zu halten und Proben KBr ausgesetzt, um die Atmosphäre für etwa gleichen Mengen an Zeit. Um die Menge an Zeit, die KBr, um Wasserdampf in der Atmosphäre während der Proben VORBEREITU ausgesetzt minimierenn, sollte die Tintenpartikelprobe abgewogen werden, bevor die KBr-Pakete geöffnet (oder KBr-Pulver gewogen). Auch sollte die Infrarotprobenraum unter einer kontinuierlichen Spülung von sauberer, trockener Luft (oder Stickstoffgas), so dass keine Wasseraufnahme während der Messung auftritt, gehalten werden. Um den Unterschied in Wasserkontamination zwischen den Proben und Referenz Tassen zu minimieren, sollte ein neuer KBr Referenz cup erstellt und jedes Mal, wenn eine neue Probe wird angelegt und gemessen werden. Ferner kann für den Probenbecher verwendet KBr sollte offen und die Luft mit minimaler Verzögerung nach dem Bezugs KBr gemahlen ausgesetzt wird.
Zu Probe und Referenz Tassen mit einheitlichen flachen Schichten und ähnliche KBr Korngrßen zu schaffen, sollten die Proben für die gleiche Menge an Zeit und mit der gleichen Kraft zerkleinert werden. Mit etwas Übung ist manuelles Schleifen sehr effektiv, wenn auch mechanisches Schleifen und Mischen Zubehör im Handel erhältlich. Sobald eine geeignete Pulver erreicht worden ist, die Probe und Referenz cups müssen verpackt werden, so dass die obere Schicht flach und einheitlich ist. Eine einfache Möglichkeit, dies zu tun ist, um die Schale mit Pulver zu füllen, drücken Sie leicht das Pulver mit der Stampfe, dann runden die Tasse mit zusätzlichen Pulver. Diese obere Schicht des Pulvers wird dann durch Ausführen der Seite einer Rasierklinge entlang der Oberfläche eingeebnet. Einmal erstellt, die Probe und Referenz Becher müssen dann in den diffusen Reflexionsgerät ohne die flachen Oberflächen stören transportiert werden. Um dies zu tun, müssen alle darauf geachtet werden, nicht auf die Becher schütteln werden.
Bei der Durchführung des diffusen Reflexions Probenahme für die Farbpartikel, sind die häufigsten Herausforderungen begegnet Basis Unregelmäßigkeit, übermäßiger Spitzenbreite und unzureichenden Signal-Rauschverhältnis. Die häufigste Basis Unregelmäßigkeit einen ausgeprägten U-Form, in der die Hoch- und Niedrigwellenzahl Regionen erhöht Extinktionsdifferenz trieben. Dies kann ein Artefakt der unzureichenden Probenmisch 24 sein. Alternativ kann dies ein Hinweis, dass der infrar seined Strahlungsquelle des Spektrometers nicht ausreichend aufgewärmt ist. Im Vergleich zu anderen Infrarot-Abtastung in anderen Modi, die Remissionsmessung scheint sehr empfindlich auf Aufwärmzeit Spektrometer. In ähnlicher Weise ist die Peakbreite sehr empfindlich auf die Probenaufbereitung, insbesondere der Korngröße des gemahlenen KBr. Große Partikelgrößen führen zu breiteren Spitzen 24. Deshalb, wenn die Peakbreite zu groß ist, um die gewünschten spektralen Merkmale zu lösen ist, kann es sinnvoll sein, KBr Lieferanten zu wechseln, zu verlängern Handschleifzeiten, oder wechseln Sie zu mechanischen Schleifen. Da die vorliegende Technik konzentriert sich auf die Erfassung von Oberflächen Adsorbate wird unzureichenden Signal-Rausch-Verhältnis auch eingebürgert. Wenn ein MCT-Detektor zur Verfügung steht, kann es nützlich sein, von der Standard DLATGS Detektor an den empfindlicheren MCT-A wechseln. Signal-Rausch-Verhältnis wird auch durch Erhöhung der Anzahl von Abtastungen und Verringern der spektrale Bereich, über den die Scans durchgeführt verbessert.
[1]
wobei Vs die Absetzgeschwindigkeit eines Teilchens mit einer Dichte von ρ P und Radius r. Die Fluiddichte und Viskosität ρ f und μ sind, und die Beschleunigung aufgrund der Gravitation g. Organische Pigmente oder andere auf Kohlenstoff basierende Materialien in dem Bereich von weniger als 100 nm kann eine hohe G-Kräfte erfordern und somit hohe Geschwindigkeiten Zentrifugation zu trennen. Selbst wenn zerlegbar, organischen Pigmenten oder anderen auf Kohlenstoff basierenden Partikel schwierig, wegen der starken und breiten Absorption von Kohlenstoff in dem Infrarotbereich zu messen. In der Praxis wird die Verringerung der Konzentration der Probe des Kohlenstoffbasis (das heißt, die Erhöhung der Verdünnung mit KBr) manchmal verbessert die Erkennbarkeit von Adsorbaten, aber das Signal immer noch in der Regel gering. Die endgültige Beschränkung dieser Technik besteht darin, dass es eine ex-situ-Messung. Es muss darauf geachtet werden, dass während des Trocknungsprozesses, der adsorbierten Spezies nicht zersetzt oder wesentlich verändern seine Wechselwirkung mit dem Funktionstintenpartikel. Eine Möglichkeit, dies zu überprüfen, abgeschwächter Totalreflexion der Infrarotspektroskopie (ATR-IR) auf eine kleine Menge des noch nassen Sediments unmittelbar nach Zentrifugation durchzuführen. Die ATR-IR-Spektren können in regelmäßigen Abständen wie die Probe trocknet auf der ATR Platte gesammelt werden. Die Banden beobachtet werden daher zeigen die Adsorbat und die abnehmende Mengen Lösungsmittel als Funktion der Zeit. Wenn die Adsorbat Bands durch diese ATR-IR-Experiment erzeugt stimme Adsorbat Bands während der Remissionsmessung erzeugt wird, dann gibt es Hinweise darauf, dass der Trocknungsprozess nicht wesentlich den Charakter der Adsorbat / Teilchen-Wechselwirkung zu ändern. Wir stellen fest, daß hier während der ATR-IR in dieser Weise durchgeführt wird erzeugt nützlichen Informationen, das diffuse Reflexionsmessung wird bevorzugt, da somit durchgeführt Die ATR-IR-Messung erfordert, daß die Probe in der Kammer verbleiben für einen Zeitraum, der ausreicht, um das Lösungsmittel zu verdampfen. Während dieser langen Versuchszeiten erfassten Daten können von signifikanten Wasser Bands leiden (auch dann, wenn das Fach energisch von sauberer, trockener Luft gespült). Bestätigung Experimente können auch mit ATR-IR-Experimente auf der unse durchgeführt werdentenzialgetrennter Tinte 9, aber angemessene Basisliniensubtraktion nicht trivial ist in einer solchen Situation, und es ist unmöglich, zwischen physikalisch adsorbierten Polymer und Polymer in Lösung zu unterscheiden sein können.
Die oben beschriebene diffuse Reflexion-Infrarot-Spektroskopie-Protokoll stellt einen wertvollen Einblick in die Natur der Wechselwirkung zwischen Adsorbaten und den funktionellen Teilchen aus Keramik, Metalloxide und Metallfarben. Im Gegenzug kann diese Einsicht die rationale Formulierung funktioneller Tinten zu informieren. Als Druck aus Keramik, Metalloxid und Metallvorrichtungen Gänge von der akademischen Forschung auf kommerzielle Herstellung wird diese diffusen Reflexion-Infrarot-Spektroskopie-Technik nützlich zur industriellen Zubereitung von Laboren. Anstatt sich auf indirekte Beweise der Partikel / Adsorbat-Wechselwirkung (Rheologie, Partikelgröße, Zetapotential) wird Formulierer haben direkte Beweise für die Moleküle effektiv zu binden und zu stabilisieren, ein bestimmtes Teilchen.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Die Autoren danken, die Unterstützung der Air Force Research Labs unter UES Untervertrag # S-932-19-MR002. Die Autoren erkennen weiterhin an Ausrüstung Unterstützung von Staat New York Graduate Forschung und Lehre Initiative (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 |
References
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