Thermal skanning Conductometry (TSC) som en allmän metod för att studera och styra beteendet fas av konduktiv fysiska geler

Summary

Kinetiken för kylningsprocessen definierar egenskaperna för Joniska geler baserat på lågmolekylära gelators. Detta manuskript beskriver användningen av termiska skanning conductometry (TSC), som erhåller full kontroll över gelation processen, tillsammans med i situ mätningar av proverna temperatur och ledningsförmåga.

Abstract

Termiska skanning conductometry protokollet är en ny metod studera Joniska geler baserat på lågmolekylära gelators. Metoden är utformad för att följa dynamiskt föränderliga tillståndet för ionogels, och för att leverera mer information och detaljer om en subtil förändring av ledande egenskaper med en ökning eller minskning i temperaturen. Dessutom tillåter metoden prestanda på lång sikt (dvs dagar, veckor) mätningar vid en konstant temperatur att undersöka stabilitet och hållbarhet av systemet och de åldrande effekterna. Den största fördelen med metoden TSC över klassiskt conductometry är förmågan att utföra mätningar under gelation processen, vilket var omöjligt med den klassiska metoden på grund av temperaturstabilisering, vilket tar lång tid innan den individuell mätning. Det är ett välkänt faktum att kyla scenen för att få den fysiska gel fasen, måste vara snabb; Dessutom beroende på kylning, kan olika mikrostrukturer uppnås. TSC metoden kan utföras med någon kyla/värme som kan säkerställas genom extern temperatur systemet. I vårt fall kan vi uppnå linjär temperatur förändring priser mellan 0,1 och cirka 10 ° C/min. Den termiska skanning conductometry är utformad för att fungera i cykler, kontinuerligt ändra mellan värme och kyla stadier. Ett sådant tillvägagångssätt tillåter studie av reproducerbarhet av termiskt reversibel gel-sol fas övergången. Dessutom tillåter det utförandet av olika experimentella protokoll på samma prov, som kan uppdateras till starttillstånd (om nödvändigt) utan avlägsnande från i mätcellen. Därför kan mätningarna utföras snabbare, på ett effektivare sätt, och med mycket högre reproducerbarhet och noggrannhet. Dessutom kan metoden TSC också användas som ett verktyg för att tillverka ionogels med riktade egenskaper, som mikrostruktur, med en omedelbar karakterisering av elektriskt ledande egenskaper.

Introduction

Termiskt vändbar Ionogels
Fysiska gelation är en process som tillåter byggandet av strukturer av själv monterade gelator molekyler i närvaro av lösningsmedel molekylerna. På grund av icke-kovalenta natur för interaktionerna som är ansvarig för detta fenomen (t.ex. väte bindning, van der Waals interaktioner, dispersion styrkor, elektrostatiska krafter, π-π stapling, etc.), dessa system är termiskt reversibla. Denna termiska reversibilitet, tillsammans med mycket låga koncentrationen av gelator och de många olika system som kan skapas, är några av de främsta fördelarna av fysiska geler över kemiska. Tack vare de unika egenskaperna hos den fysiska gel staten, ionogels kännetecknas med önskvärda funktioner som enkel återvinning, lång livslängd, förbättrade fysiska egenskaper (e.g. Joniska ledningsförmåga), användarvänlighet produktion, och sänkning av den produktionskostnader. Med hänsyn till det ovanstående fördelarna med fysisk geler (som redan har ett brett utbud av olika program^1,2,3,4), var dessa tänkt att användas som en alternativ väg för elektrolyt stelning och erhållande av ionogels^5,6,7,8. Den klassiska conductometry var dock inte känslig och tillräckligt noggranna för att följa sådana dynamiskt föränderliga system. Därför, det gick inte att identifiera fasövergångar och förbättrad dynamics av joner i gel matrix⁹. Anledningen till denna okänslighet var den tid som behövs för temperatur stabiliseringen, under vilken dynamiska förändringar av provets egenskaper var pågår innan mätningen startades. Dessutom begränsades antalet uppmätta temperaturer i ordning, inte att avsevärt utvidga experimentella tiden. Därför, för att fullständigt och korrekt karakterisera ionogels, en ny metod behövdes, som skulle kunna följa de dynamiska förändringarna av egenskaper som funktion av temperatur och kontinuerligt registrerar data i realtid. Det sättet gelation processen utförs avgör egenskaperna för den skapade ionogel. De intermolekylära icke-kovalenta interaktionerna definieras under den kylande etappen; genom att ändra gelation temperaturen och kyla priser, kan man starkt påverka dessa interaktioner. Det var därför extremt viktigt att mäta systemet under kylning när gelation äger rum. Med den klassiska metoden var detta omöjligt på grund av temperatur stabilisering tid för mätning och de snabba svalkande priser krävs för framgångsrika gelation. Dock med den termiska skanning conductometry metod denna uppgift är mycket enkel, levererar exakta och reproducerbara resultat och gör att utredningen av påverkan av olika kinetik av termiska förändringar tillämpas på provet på provets egenskaper ¹⁰. som ett resultat, ionogels med riktade egenskaper kan studeras och tillverkas på samma gång.

Thermal skanning Conductometry (TSC)
Den termiska skanning conductometry är tänkt för att leverera en reproducerbar, korrekt och snabb reagerande experimentell metod för ledningsförmåga mätning av dynamiskt föränderliga och termiskt reversibla system, gillar ionogels baserat på låg molekylvikt gelators. Men kan det också användas med elektrolyter, Joniska vätskor och alla andra ledande prov som kan placeras i i mätcellen och har ledningsförmåga i sensorn mätområde. Dessutom, förutom forskning ansökan, har metoden framgångsrikt använts för att tillverka ionogels med riktade egenskaper som mikrostruktur, optiska utseendemässigt eller termisk stabilitet, och fas övergångstemperaturen på ett korrekt och enkelt sätt. Beroende på kinetik och historia av termisk behandling med användning av metoden TSC, får vi full kontroll över några grundläggande egenskaper hos fysiska gel system. Kammaren har dessutom utrustats i en videokamera att inspektera tillståndet provet och registrera ändringarna av provet speciellt under gelation och upplösningen processer. En ytterligare fördel med TSC metoden är dess enkelhet, som systemet kan byggas från en standard conductometer, en programmerbar temperaturregulator, gasformigt kväve raden för värme/kyla medlet, kylskåpet, mätkammaren och en PC, som kan hittas i de flesta laboratorier.

TSC experimentella webbplatsen
Den termiska skanning conductometry experiment kan byggas i nästan varje laboratorium med relativt låga kostnader. I gengäld erhåller en korrekt, reproducerbar och snabb metod för mätning av flytande och halvfasta konduktiv prover på olika yttre förhållanden. En detaljerad verksamhetsplan TSC experimentella inställningarna byggt i vårt laboratorium ges figur 1.

Figur 1: blockschema av webbplatsen mätning. Komponenterna består arbeta experimentellt ställa in för termiska conductometry skanningsmetod. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

För temperaturändring, en hemmagjord temperaturregulator användes, men någon form av programmerbar temperaturregulator, som kan ändra temperaturen linjärt med en definierad ändra hastighet, kan användas. För termisk isolering, har en speciell kammare byggts. Syftet med att använda en isolering kammare är att minimera horisontella temperaturgradienter i provet och för att försäkra snabb kylning priser. Avdelningen består av en glas cylinder med en 40 mm inre diameter och 300 mm längd. På undersidan, där finns värmaren med gasformigt kväve vikar, är slutet av inloppet utrustad med en diffusor att sprida jämnt varm eller kall gas. Detta är också den plats där temperaturgivare PT100 av variabel temperatur styrenheten (VTC) är beläget. Temperaturen i provet registreras självständigt av temperatursensorn ligger i ledningsförmåga sensorn. Kammaren har dessutom utrustats i en videokamera att inspektera tillståndet provet och registrera ändringarna av provet speciellt under gelation och upplösningen processer. Det gasformigt kväve som erhållits från avdunstning av flytande kväve i 250 L högtryck tanken används som medium för uppvärmning och kylning. Arbetstrycket i raden kväve är satt till 6 barer och reducerade till 2 barer på mätplatsen. Sådana inställningar kan obtainmenten av flöden mellan 4 och 28 L/min utan störningar, vilket tillåter en kylning hastighet av 10 ° C/min. För att sänka den ursprungliga temperaturen av gas som kväve, externa kylskåpet har använts, och minskade temperaturen var 10 ° C. Detta tillåter obtainmenten av bra linjäritet temperaturförändringen, start från rumstemperatur. Under snabb kylning, är temperaturen på kvävgas minskade till-15 ° C att bistå hög kyla priser. Det är nödvändigt att använda gasformigt kväve, och inte ens torr luft, för att undvika isbildning kylskåpet på grund av låga temperaturer.

Proverna var isatt i en flaska med 9 mm inre diameter och längd 58 mm, tillverkad av polypropen och utrustad med ett skruvlock, som har en gummiring för snäva stängning. Flaskorna kan användas upp till 120 ° C. (se figur 2).

Figur 2: bilden av en polypropylen injektionsflaska och dess montering ledningsförmåga sensorn. (1) polypropylen injektionsflaska, (2) skruvlock med gummiring, 2a – skruvlocket monterad på ledningsförmåga sensorn, (3) injektionsflaskan med monterade ledningsförmåga sensor, skruvlocket säkrade med teflontejp. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Protocol

1. beredning av experimentella webbplatsen för TSC mätning För att mäta de fulla egenskaperna av metoden TSC, använda den kommersiellt tillgängliga conductometer utrustad med fyra elektrod celler (alternativt två elektroden celler kan användas för låg konduktivitet) och temperaturgivare. Anslut den till datorn och registrera ledningsförmåga och temperatur av provet (4% wt % av methyl-4,6-O-(p-nitrobenzylidene)-α-D-glucopyranoside i 1 M molära koncentrationen av tetraethylammonium bromid – TEABr i …

Representative Results

De organiska Joniska gelerna utgör en ny klass av funktionella material som kan bli en alternativ lösning för polymer gel elektrolyter. För att uppnå detta mål har dock dessa geler djupt undersökt och förstås. Termiskt reversibel karaktären av gelation processen och dynamiskt föränderliga egenskaper av temperatur och fas förekomsten, krävs en ny experimentell metod som möjliggör registrering av uppgifter och identifiering av subtila förändringar i temperatur ändra. Ther…

Discussion

Den termiska skanning conductometry är en ny experimentell metod som har visat sig vara ett effektivt sätt att utreda dynamiskt föränderliga system, gillar ionogels baserat på lågmolekylära gelators, elektrolyter eller Joniska vätskor. Dess tillämplighet är dock inte begränsad bara till ionogels. Metoden TSC kan lätt användas med andra typer av dirigering mjuk materia system gillar hydrogels, emulsioner, krämer eller annan avgift som innehåller transportörer som ledningsförmåga sensorn kan infogas. Begr…

Materials

SevenCompact S230 conductometer	Mettler-Toledo		equiped with InLab 710 sensor
home-build VTC
LabX PH 3.2 software	Mettler-Toledo		software used for data aqusition
tetraethylammonium bromide	Sigma-Aldrich	140023
glycerol	Sigma-Aldrich	G5516
methyl-4,6-O-(p-nitrobenzylidene)-a-D-glucopyranose			synthezied according to Gronwald, O., Shinkai, S., J. chem. Soc., Perkin Trans. 2 1933-1937 (2001).
[im]HSO4			synthezeid by group of prof. Mohammad Ali Zolfigol, Faculty of Chemistry Bu-Ali Sina University Hamedan, I.R.Iran  according to Bielejewski, M., Ghorbani, M., Zolfigol, M., Tritt-Goc, J., Noura, S., Narimani, M., Oftadeh, M. RSC Adv. 6, 108896-108907 (2016).
polypropylene vial	Paradox Company, Cracow, Poland	PTC 088	www.insectnet.eu