Termica a scansione Conduttometria (TSC) come un metodo generale per studiare e controllare il comportamento di fase di conduttivo fisico gel

Summary

La cinetica del processo di raffreddamento definisce le proprietà di gel ionico basato su gelators di basso peso molecolare. Questo manoscritto descrive l’utilizzo di Conduttometria scansione termica (TSC), che ottiene il completo controllo sul processo di gelificazione, insieme a misure in situ di conducibilità e temperatura dei campioni.

Abstract

Il protocollo di Conduttometria scansione termica è un nuovo approccio allo studio ionico gel basato su gelators di basso peso molecolare. Il metodo è progettato per seguire la dinamica evoluzione dello stato di ionogels e per fornire ulteriori informazioni e dettagli circa il cambiamento sottile di proprietà conduttive con un aumento o una diminuzione della temperatura. Inoltre, il metodo consente l’esecuzione di misurazioni a lungo termine (es . giorni, settimane) a temperatura costante per studiare la stabilità e durata del sistema e gli effetti dell’invecchiamento. Il vantaggio principale del metodo TSC sopra Conduttometria classica è la capacità di effettuare misure durante il processo di gelificazione, che era impossibile con il metodo classico grazie alla stabilizzazione della temperatura, che di solito richiede molto tempo prima il misurazione individuale. È un fatto ben noto che per ottenere la fase gel fisici, la fase di raffreddamento deve essere veloce; Inoltre, a seconda della velocità di raffreddamento, possono essere raggiunto diverse microstrutture. Il metodo TSC possa essere eseguito con qualsiasi tasso di raffreddamento/riscaldamento che può essere assicurata dal sistema di temperatura esterna. Nel nostro caso, possiamo ottenere tassi di cambiamento di temperatura lineare fra 0,1 e circa 10 ° C/min. Il thermal scansione Conduttometria è progettato per funzionare in cicli, tra riscaldamento e raffreddamento fasi in continuo cambiamento. Tale approccio consente studio della riproducibilità della transizione di fase termicamente reversibile gel-sol. Inoltre, consente l’esecuzione di diversi protocolli sperimentali sullo stesso campione, che possa essere aggiornato allo stato iniziale (se necessario) senza rimozione dalla cella di misura. Di conseguenza, le misurazioni possono essere eseguite più velocemente, in modo più efficiente e con molta maggiore riproducibilità e accuratezza. Inoltre, il metodo TSC può essere anche utilizzato come uno strumento per la fabbricazione di ionogels con proprietà di destinazione, come microstruttura, con un’immediata caratterizzazione delle proprietà conduttive.

Introduction

Ionogels termicamente reversibile
Gelificazione fisica è un processo che permette la costruzione di strutture di molecole gelator auto-assemblati in presenza di molecole di solvente. A causa della natura non-covalente delle interazioni responsabili di questo fenomeno (ad es. il legame idrogeno, interazioni di van der Waals, forze di dispersione, le forze elettrostatiche, π-π accatastamento, ecc.), questi sistemi sono termicamente reversibili. Questa reversibilità termica, insieme con la concentrazione molto bassa della gelator e la grande varietà dei sistemi che possono essere creati, sono solo alcuni dei vantaggi principali del gel fisico sopra quelli chimici. Grazie alle uniche proprietà dello stato fisico gel, i ionogels sono caratterizzati con caratteristiche desiderabili come facile riciclaggio, vita di ciclo lunga, una maggiore proprietà fisiche (ad es. conducibilità ionica), facilità di produzione e abbassamento della costi di produzione. Tenendo conto i vantaggi di cui sopra dei gel fisico (che già hanno una vasta gamma di diverse applicazioni^1,2,3,4), questi sono stati pensati per essere usati come un modo alternativo per solidificazione dell’elettrolito e l’ottenimento di ionogels^5,6,7,8. Tuttavia, la classica Conduttometria non era sufficientemente accurata per seguire tali sistemi dinamicamente mutevole e sensibile. Di conseguenza, potrebbe non rilevare le transizioni di fase e migliorato dinamiche di ioni nel gel matrice⁹. Il motivo per questa insensibilità era il tempo necessario per la stabilizzazione di temperatura, durante il quale i cambiamenti dinamici delle proprietà del campione erano in corso prima della misurazione è stata avviata. Inoltre, è stato limitato il numero delle temperature misurate in ordine, non per estendere significativamente il tempo sperimentale. Pertanto, per completamente e accuratamente caratterizzare il ionogels, un nuovo metodo era necessario, che sarebbe in grado di seguire i cambiamenti dinamici delle proprietà in funzione della temperatura e registrare dati continuamente in tempo reale. Il modo che il processo di gelificazione è condotto determina le proprietà del ionogel creato. Le interazioni intermolecolari non covalenti sono definite durante la fase di raffreddamento; modificando la temperatura di gelificazione e velocità di raffreddamento, si possono fortemente influenzare tali interazioni. Di conseguenza, era estremamente importante misurare il sistema durante il raffreddamento quando avviene la gelificazione. Con l’approccio classico, questo era impossibile dovuto tempo di stabilizzazione della temperatura per la misura e la velocità di raffreddamento veloce richiesto per successo gelificazione. Tuttavia, con il thermal Conduttometria metodo di scansione questo compito è molto semplice, fornisce risultati accurati e riproducibili e permette l’indagine sull’influenza della diversa cinetica di sbalzi termici al campione sulle proprietà del campione ¹⁰. di conseguenza, il ionogels con proprietà di destinazione possono essere studiati e fabbricati allo stesso tempo.

Termica a scansione Conduttometria (TSC)
Il thermal scansione Conduttometria è supposto per fornire un veloce, accurato e riproducibile metodo rispondono sperimentale per la misura di conducibilità di cambiano dinamicamente e sistemi termicamente reversibili, come ionogels basano su basso peso molecolare gelators. Tuttavia, può essere utilizzato anche con gli elettroliti, liquidi ionici e qualsiasi altro campione conduttore che può essere collocato nella cella di misura ed ha conducibilità in campo di misura del sensore. Inoltre, oltre l’applicazione di ricerca, il metodo è stato usato con successo per produrre ionogels con proprietà di destinazione come microstruttura, aspetto ottico o stabilità termica e temperatura di transizione di fase in modo preciso e facile. Secondo la cinetica e la storia di trattamento termico con utilizzo del metodo TSC, guadagniamo il pieno controllo su alcune proprietà di base dei sistemi fisici gel. Inoltre la camera sono state attrezzate in una videocamera per controllare lo stato di campione e registrare le modifiche del campione soprattutto durante la gelificazione e processi di dissoluzione. Un ulteriore vantaggio del metodo TSC è la sua semplicità, in quanto il sistema può essere costruito da un conduttivimetro standard, un regolatore di temperatura programmabile, la linea di azoto gassoso per il mezzo di raffreddamento/riscaldamento, Frigorifero, camera di misura e un PC, che può essere trovato nella maggior parte dei laboratori.

Il sito sperimentale di TSC
Il thermal Conduttometria messa a punto sperimentale di scansione può essere costruito in quasi ogni laboratorio con costi relativamente bassi. In cambio, si ottiene un metodo accurato, riproducibile e veloce per la misurazione di liquidi e semisolidi campioni conduttivi a diverse condizioni esterne. Uno schema dettagliato del setup sperimentale TSC costruito nel nostro laboratorio è dato Figura 1.

Figura 1: schema a blocchi del sito misura. I componenti che consiste il lavoro di messa a punto sperimentale per metodo di Conduttometria scansione termica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Per il cambiamento di temperatura, regolatore di temperatura in casa è stato utilizzato, ma qualsiasi tipo di regolatore di temperatura programmabile, che può cambiare la temperatura linearmente con un tasso di cambio definito, può essere utilizzato. Per l’isolamento termico, è stato costruito un alloggiamento speciale. Lo scopo di utilizzare una camera di isolamento è di ridurre al minimo il gradiente orizzontale di temperatura nel campione e per assicurare velocità di raffreddamento veloce. La camera è costituito da un cilindro di vetro con una lunghezza interna di diametro e 300 mm di 40 mm. Nella parte inferiore, dove si trovano la stufa con insenature di azoto gassoso, l’estremità dell’entrata è dotato di un diffusore per distribuire uniformemente il gas caldo o freddo. Questo è anche il luogo dove si trova il sensore di temperatura PT100 del controller di temperatura variabile (VTC). La temperatura del campione viene registrata in modo indipendente dal sensore temperatura posizionato nel sensore di conducibilità. Inoltre, la camera sono state attrezzate in una videocamera per controllare lo stato di campione e registrare le modifiche del campione soprattutto durante la gelificazione e processi di dissoluzione. L’azoto gassoso ottenuto dall’evaporazione di azoto liquido nel serbatoio ad alta pressione 250 L è utilizzato come mezzo di riscaldamento e raffreddamento. La pressione di esercizio della linea di azoto è impostato a 6 bar e ridotto a 2 bar presso il sito di misurazione. Tali impostazioni consentono l’ottenimento di portate compreso tra 4 e 28 L/min senza alcun disturbo, che permette una velocità di raffreddamento di 10 ° C/min. Per abbassare la temperatura iniziale del gas azoto, è stato utilizzato il frigorifero esterno, e la temperatura in diminuzione era di 10 ° C. Questo consente l’ottenimento di buone linearità del cambiamento di temperatura, partendo dalla temperatura ambiente. Durante il raffreddamento veloce, la temperatura del gas dell’azoto è diminuita a-15 ° C per assistere ad alta velocità di raffreddamento. È necessario utilizzare azoto gassoso e non anche aria secca, per evitare il frigorifero a causa delle basse temperature.

I campioni sono stati inseriti in una fiala di diametro interno di 9 mm e lunghezza di 58 mm, in polipropilene e dotati di tappo a vite, che ha un anello di gomma per la chiusura ermetica. Le fiale possono essere utilizzate fino a 120 ° C. (Vedi Figura 2).

Figura 2: l’immagine di un flacone in polipropilene ed il suo montaggio del sensore di conducibilità. (1) il flacone in polipropilene, (2) il tappo a vite con anello di gomma, 2a – il tappo a vite montato sul sensore di conducibilità, (3) il flaconcino con sensore di conducibilità montato, il tappo a vite fissato con nastro di Teflon. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Protocol

1. preparazione del sito sperimentale per la misura di TSC Per misurare le caratteristiche complete del metodo TSC, utilizzare il conduttivimetro disponibile in commercio dotato di quattro celle di elettrodo (in alternativa, due elettrodi di cellule possono essere utilizzate per conducibilità bassa) e un sensore di temperatura. Collegarlo al PC e registrare la conducibilità e la temperatura del campione (4% wt % di methyl-4,6-O-(p-nitrobenzylidene)-α-D-glucopyranoside in 1 M concentrazione molare del bromuro…

Representative Results

I gel ionici organici costituiscono una nuova classe di materiali funzionali che può diventare una soluzione alternativa per gli elettroliti gel polimero. Tuttavia, per raggiungere questo obiettivo, questi gel devono essere profondamente studiato e capito. Il carattere termicamente reversibile del processo di gelificazione e la proprietà dinamicamente mutevole della temperatura e la fase di occorrenza, richiesto un nuovo metodo sperimentale che consentirà la registrazione dei dati e la…

Discussion

Il thermal scansione Conduttometria è un nuovo metodo sperimentale che ha dimostrato di essere un modo efficiente ed efficace di indagare i sistemi dinamicamente mutevoli, come ionogels basato su gelators di basso peso molecolare, elettroliti o liquidi ionici. Tuttavia, la sua applicabilità non è limitato solo a ionogels. Il metodo TSC può essere facilmente utilizzato con altri tipi di conduzione di sistemi di materia soffice come idrogeli, emulsioni, creme o qualsiasi altro onere contenente i vettori in cui può ess…

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