Тепловые сканирования кондуктометрии (ТСК) как общего метода для изучения и управление поведением этапа проводящих физической гели
Summary
Кинетика процесса охлаждения определяет свойства ионных гели на основе низкой молекулярной массой gelators. Эта рукопись описывает использование тепловой сканирования кондуктометрии (ТСК), который получает полный контроль над процессом гелеобразования, наряду с в situ измерения температуры образцов и проводимости.
Abstract
Тепловые сканирования кондуктометрии протокол представляет собой новый подход в изучении ионных гели на основе низкой молекулярной массой gelators. Этот метод предназначен следовать динамически меняющегося состояния ionogels и чтобы доставить дополнительные сведения и подробности о тонкие изменения проводящих свойств с увеличение или уменьшение температуры. Кроме того метод позволяет производительность долгосрочной перспективе (то есть дни, недели) измерения при постоянной температуре расследовать стабильность и долговечность системы и эффекты старения. Основным преимуществом метода ТСК над классической кондуктометрии является возможность выполнения измерений во время процесса гелеобразования, что невозможно с помощью классического метода из-за стабилизации температуры, который обычно занимает много времени, прежде чем отдельные измерения. Это хорошо известный факт, что для получения этапа физической гель, стадии охлаждения должны быть быстро; Кроме того в зависимости от скорости охлаждения, может быть достигнуто различными микроструктур. ТСК метод может выполняться с любой скоростью охлаждения/нагрева, что может быть обеспечена системой внешней температуры. В нашем случае мы можем добиться линейной температуры изменения ставок между 0.1 и примерно 10 ° C/мин. Тепловые сканирования кондуктометрии предназначен для работы в циклах, непрерывно меняется между нагрева и охлаждения этапов. Такой подход позволяет исследование воспроизводимости термически реверсивные гель соль фазового перехода. Кроме того он позволяет производительность различных протоколов для экспериментальных работ на том же образце, который может обновляться в первоначальное состояние (при необходимости) без удаления из измерительной ячейки. Таким образом измерения могут выполняться быстрее, более эффективным образом и с гораздо более высокие точность и повторяемость. Кроме того метод ТСК может также использоваться как инструмент для изготовления ionogels с целевые свойства, как микроструктуры, с мгновенными характеристика проводящих свойств.
Introduction
Термически реверсивные Ionogels
Физические гелеобразования — это процесс, который позволяет строительство сооружений собственн-собранные gelator молекул в присутствии молекул растворителя. Из-за non ковалентные характер взаимодействия, ответственных за это явление (например водорода склеивание, Ван-дер-Ваальса взаимодействий, дисперсия силы, электростатических сил, π-π укладки, и др.), эти системы являются термически обратимым. Этот тепловой обратимости, вместе с очень низкой концентрации gelator и широкий спектр систем, которые могут быть созданы, являются одними из главных преимуществ физического гели над химическим. Благодаря уникальным свойствам состояние физической гель, ionogels характеризуются желательных функций, таких как легко рециркуляции, длительный цикл жизни, расширение физических свойств (например , ионной проводимости), простота производства и снижение издержки производства. Принимая во внимание выше преимущества физической гели (которые уже имеют широкий спектр различных приложений1,2,3,4), они считались использоваться как альтернативный способ для электролит кристаллизации и получение ionogels5,6,,78. Однако классической кондуктометрии был не чувствительной и точно следовать такой динамически меняющихся систем. Таким образом он не может обнаружить фазовых переходов и расширение динамики ионов в матрице геля9. Причиной для этого нечувствительность был время, необходимое для стабилизации температуры, во время которого динамических изменений свойств образца велись до начала измерения. Кроме того количество измеренных температур была ограничена в целях, не значительно продлить экспериментальный время. Таким образом полностью и точно охарактеризовать ionogels, необходим новый метод, который будет иметь возможность следить за динамические изменения свойств как функция температуры и непрерывно записывать данные в режиме реального времени. То, что процесс гелеобразования проводится определяет свойства созданного ionogel. Non ковалентные межмолекулярные взаимодействия определяются на этапе охлаждения; изменив гелеобразования температуру и скорость охлаждения, одно может сильно влиять этих взаимодействий. Таким образом крайне важно для определения системы во время охлаждения, когда происходит гелеобразование. С классическим подходом это было невозможно из-за время стабилизации температуры для измерения и быстрой скорости охлаждения, необходимых для успешного гелеобразование. Однако с тепловой, кондуктометрии метод сканирования эта задача очень проста, обеспечивает точные и воспроизводимые результаты и позволяет исследование влияния различных кинетики тепловых изменений, примененных к образцу на примере свойства 10. В результате, ionogels с целевые свойства могут быть изучены и изготовлены в то же время.
Тепловые сканирования кондуктометрии (ТСК)
Тепловые сканирования кондуктометрии предполагается доставить воспроизводимость, точной и быстрой ответивших экспериментальный метод для измерения проводимости динамически изменяющихся и термически реверсивные системы, как ionogels на основе низкомолекулярного gelators. Однако она может также использоваться с электролитами, ионных жидкостей и других проводит образца, который может быть помещен в измерительной ячейке и проводимость в диапазон измерения датчика. Кроме того помимо прикладных исследований, метод был успешно используется для изготовления ionogels с целевые свойства как микроструктуры, оптические внешний вид или термической стабильностью и фаза температура перехода в точно и легко. В зависимости от кинетики и истории термообработка с использованием метода ТСК мы получить полный контроль над некоторые основные свойства физических гель систем. Дополнительно были оборудованы камеры в видео камеру, чтобы проверить состояние образцов и записывать изменения образца, особенно во время гелеобразования и процессы распада. Дополнительным преимуществом метода ТСК является его простота, как система может быть построен из стандартных кондуктометр, программируемый терморегулятор, линии газообразного азота для среднего нагрева/охлаждения, холодильника, измерительную камеру и PC, которые можно найти в большинстве лабораторий.
ТСК экспериментальной площадки
Тепловые сканирования кондуктометрии экспериментальной установки может быть построен в почти каждой лаборатории с относительно низкими затратами. В свою очередь один получает точную, воспроизводимые и быстрый метод для измерения жидких и полутвердых проводящие образцы на различных внешних условиях. В приводится подробная схема экспериментальной установки ТСК, построен в нашей лаборатории рис. 1.
Рисунок 1: блок-схема измерения сайта. Компоненты, состоящий на работе экспериментальной установки для тепловой сканирования кондуктометрии метода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Для изменения температуры домашние температуры был использован, но любой программируемой температуры контроллера, который можно изменить температуру линейно с определенной изменить курс, могут быть использованы. Для тепловой изоляции была построена специальная камера. С помощью изоляции камеры предназначен для сведения к минимуму горизонтальные градиенты температуры в образце и для обеспечения быстрой скорости охлаждения. Камера состоит из стекла цилиндра с 40-мм внутренний диаметр и 300 мм длины. В нижней части, где расположены нагреватель с вводами газообразного азота, конец входе оснащен диффузор равномерно распространить горячего или холодного газа. Это также место, где находится датчик температуры PT100 переменной температуры контроллера (СПП). Температура образца записывается независимо друг от друга, датчик температуры, расположенный в датчик проводимости. Кроме того камеры были оборудованы в видео камеру, чтобы проверить состояние образцов и записывать изменения образца, особенно во время гелеобразования и процессы распада. Азот газообразный, полученные от испарения жидкого азота в бак 250 Л высокого давления используется как средство нагрева и охлаждения. Рабочее давление азота линии равен 6 баров и уменьшена до 2 бара на объекте измерения. Такие параметры позволяют получение скорости потока между 4 и 28 Л/мин без каких-либо помех, что позволяет скорость охлаждения 10 ° C/мин. Для снижения начальной температуры газ азот, был использован внешний Холодильник, и снижение температуры было 10 ° C. Это позволяет получение хорошей линейностью изменения температуры, начиная от комнатной температуры. Во время быстрого охлаждения, температура газа азота уменьшается до-15 ° C оказывать высокие скорости охлаждения. Это необходимо для использования газообразного азота и даже не сухой воздух, чтобы избежать обледенения холодильник из-за низких температур.
Образцы были вставлены в флакон 9 мм внутренний диаметр и длина 58 мм, изготовлены из полипропилена и оснащены колпачок, который имеет резиновое кольцо для жесткой закрытия. Флаконов может использоваться до 120 ° C. (см. Рисунок 2).
Рисунок 2: картина полипропиленовые флакона и его монтаж на датчик проводимости. (1 полипропилена флакон, (2 винтовая крышка с резиновым кольцом, 2а – колпачок установлен на датчик проводимости, (3) флакон с датчиком смонтированные проводимости, винтовой крышкой, обеспеченные с тефлоновой лентой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Protocol
Representative Results
Discussion
Тепловые сканирования кондуктометрии является новый экспериментальный метод, который оказался эффективным и действенным способом изучения динамически меняющихся систем, таких как ionogels, основанный на низкой молекулярной массой gelators, электролитов или ионных жидкостей. Однако его при?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Финансовая поддержка для проведения этой работы была оказана национальным центром для науки как Грант № ДЕК-2013/11/D/ST3/02694.
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 |
References
- Bielejewski, M. Novel approach in determination of ionic conductivity and phase transition temperatures in gel electrolytes based on Low Molecular Weight Gelators. Electochim. Acta. 174, 1141-1148 (2015).
- Bielejewski, M., Łapiński, A., Luboradzki, R., Tritt-Goc, J. Influence of solvent on the thermal stability and organization of self-assembling fibrillar networks in methyl-4,6-O-(p-nitrobenzylidene)-α-D-glucopyranoside gels. Tetrahedron. 67, 7222-7230 (2011).
- Atsbeha, T., et al. Photophysical characterization of low-molecular weight organogels for energy transfer and light harvesting. J. Mol. Struct. 993, 459-463 (2011).
- Gronwald, O., Snip, E., Shinkai, S. Gelator for organic liquids based on self-assembly: a new facet of supramolecular and combinatorial chemistry. Curr. Opinion in Coll. Interface Sci. 7, 148-156 (2002).
- Vintiloiu, A., Leroux, J. C. Organogels and their use in drug delivery-a review. Control. Rel. 125, 179-192 (2008).
- Wang, Z., Fujisawa, S., Suzuki, M., Hanabusa, K. Low Molecular Weight Gelators Bearing Electroactive Groups as Cathode Materials for Rechargeable Batteries. Macromol. Symp. 364, 38-46 (2016).
- Sharma, N., et al. Physical gels of [BMIM][BF4] by N-tert-butylacrylamide/ethylene oxide based triblock copolymer self-assembly: Synthesis, thermomechanical, and conducting properties. J. Appl. Polym. Sci. 128, 3982-3992 (2013).
- Tao, L., et al. Stable quasi-solid-state dye-sensitized solar cell using a diamide derivative as low molecular mass organogelator. J. Power Sources. 262, 444-450 (2014).
- Kataoka, T., Ishioka, Y., Mizuhata, M., Minami, H., Maruyama, T. Highly Conductive Ionic-Liquid Gels Prepared with Orthogonal Double Networks of a Low-Molecular-Weight Gelator and Cross-Linked Polymer. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7, 23346-23352 (2015).
- Bielejewski, M., Nowicka, K., Bielejewska, N., Tritt-Goc, J. Ionic Conductivity and Thermal Properties of a Supramolecular Ionogel Made from a Sugar-Based Low MolecularWeight Gelator and a Quaternary Ammonium Salt Electrolyte Solution. J. Electrochem. Soc. 163, G187-G195 (2016).
- Gronwald, O., Shinkai, S. Bifunctional’ sugar-integrated gelators for organic solvents and water-on the role of nitro-substituents in 1-O-methyl-4,6-O-(nitrobenzylidene)-monosaccharides for the improvement of gelation ability. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 1933-1937 (2001).
- Bielejewski, M., Ghorbani, M., Zolfigol, M., Tritt-Goc, J., Noura, S., Narimani, M., Oftadeh, M. Thermally reversible solidification of novel ionic liquid [im]HSO4 by self-nucleated rapid crystallization: investigations of ionic conductivity, thermal properties, and catalytic activity. RSC Adv. 6, 108896-108907 (2016).
