Exploración Conductometría (TSC) como un método General para estudiar y controlar el comportamiento de fase de conductor físico geles térmicos
Summary
La cinética del proceso de enfriamiento define las propiedades de los geles iónicos basados en gelators de bajo peso molecular. Este manuscrito describe el uso de Conductometría análisis térmico (TSC), que obtiene el control completo sobre el proceso de gelificación, junto con las mediciones en situ de la conductividad y temperatura de las muestras.
Abstract
El protocolo de Conductometría análisis termal es un nuevo enfoque en el estudio de geles iónicos basados en gelators de bajo peso molecular. El método está diseñado para seguir el estado dinámicamente cambiante de la ionogels y entregar más información y detalles sobre el sutil cambio de propiedades conductoras con un aumento o disminución de la temperatura. Por otra parte, el método permite la ejecución de las medidas de largo plazo (es decir, días, semanas) a una temperatura constante para investigar la estabilidad y durabilidad del sistema y los efectos del envejecimiento. La ventaja principal del método CAC sobre Conductometría clásica es la capacidad de realizar mediciones durante el proceso de gelificación, que era imposible con los métodos clásicos debido a la estabilización de la temperatura, que generalmente toma mucho tiempo antes de la medición individual. Es un hecho bien conocido que para obtener la fase física de gel, la fase de enfriamiento debe ser rápida; por otra parte, dependiendo de la velocidad de enfriamiento, se logra diferentes microestructuras. El método TSC se puede realizar con cualquier tipo de refrigeración/calefacción que puede ser asegurado por el sistema de la temperatura exterior. En nuestro caso, podemos lograr tasas de cambio de temperatura lineal entre 0.1 y 10 ° C/min aproximadamente. La térmica exploración Conductometría está diseñada para funcionar en ciclos, cambiando continuamente de calentamiento y enfriamiento de las etapas. Este enfoque permite el estudio de la reproducibilidad de la transición de la fase de gel termalmente reversibles-sol. Además, permite la ejecución de diferentes protocolos experimentales sobre la misma muestra, que puede actualizarse al estado inicial (si es necesario) sin el retiro de la celda de medición. Por lo tanto, las mediciones pueden realizarse más rápidamente, de manera más eficiente y con mucha mayor precisión y reproducibilidad. Además, el TSC método puede también utilizarse como una herramienta para la fabricación de la ionogels con propiedades específicas, como microestructura, con una caracterización instantánea de propiedades conductoras.
Introduction
Ionogels térmicamente Reversible
Física gelificación es un proceso que permite la construcción de estructuras de las moléculas de uno mismo-montado gelator en presencia de las moléculas de solvente. Debido a la naturaleza no covalente de las interacciones responsables de este fenómeno (por ejemplo vinculación del hidrógeno, interacciones de van der Waals, fuerzas de dispersión, fuerzas electrostáticas, π-π apilado, etc.), estos sistemas son térmicamente reversibles. Esta reversibilidad térmica, junto con la muy baja concentración de la gelator y la variedad de los sistemas que se pueden crear, son algunas de las principales ventajas de los geles físicos sobre los químicos. Gracias a las propiedades únicas del estado físico del gel, los ionogels se caracterizan con características deseables como fácil reciclaje, vida de ciclo larga, mejoradas propiedades físicas (por ejemplo, conductividad iónica), facilidad de producción y reducción de la costos de producción. Teniendo en cuenta las ventajas anteriores de geles físicos (que ya tienen una amplia gama de diferentes aplicaciones1,2,3,4), éstos fueron pensados para ser utilizado como una forma alternativa para solidificación de electrolitos y la obtención de ionogels5,6,7,8. Sin embargo, la Conductometría clásica no fue sensible y precisa para seguir tales sistemas dinámicamente cambiantes. Por lo tanto, no se pudo detectar las transiciones de fase y había mejorado la dinámica de iones en la matriz de gel9. La razón para esta insensibilidad es el tiempo necesario para la estabilización de la temperatura, durante el cual los cambios dinámicos de las propiedades de la muestra estaban en marcha antes de que se inició la medición. Además, era limitado el número de temperaturas medidas en orden, no para prolongar significativamente el tiempo experimental. Por lo tanto, para totalmente y precisa caracterizar la ionogels, se necesitaba un nuevo método, que sería capaz de seguir a los cambios dinámicos de las propiedades en función de la temperatura y registrar datos continuamente en tiempo real. La forma que se lleva a cabo el proceso de gelación determina las propiedades de la ionogel creada. Las interacciones intermoleculares no covalentes se definen durante la fase de enfriamiento; cambiando la temperatura de congelación y refrigeración tarifas, uno puede influir fuertemente esas interacciones. Por lo tanto, era muy importante medir el sistema durante el enfriamiento cuando la congelación lleva a cabo. Con el enfoque clásico, esto fue imposible debido al tiempo de estabilización de temperatura para la medida y las tasas de enfriamiento rápidas para gelificación exitosa. Sin embargo, con la térmica método de Conductometría de análisis esta tarea es muy simple, proporciona resultados exactos y reproducibles y permite la investigación de la influencia de diferentes cinéticas de cambios térmicos aplicados a la muestra en las propiedades de la muestra 10. como resultado, el ionogels con propiedades específicas puede ser estudiado y fabricado al mismo tiempo.
Termal exploración Conductometría (TSC)
La térmica exploración Conductometría pretende para ofrecer un método experimental que responde rápido, reproducible y preciso para la medición de la conductividad de cambiar dinámicamente y sistemas térmicamente reversibles, como ionogels partiendo de bajo peso molecular gelators. Sin embargo, puede también utilizarse con electrólitos, líquidos iónicos y cualquier otra muestra realización que puede colocarse en la celda de medición y tiene una conductividad en el rango de medición del sensor. Adicionalmente, además de la aplicación de la investigación, el método fue utilizado con éxito a fabricar ionogels con propiedades específicas como microestructura, aspecto óptico o estabilidad térmica y temperatura de transición de fase de una forma fácil y precisa. Dependiendo de la cinética y la historia de tratamiento térmico con el uso del método TSC, obtenemos el control total sobre algunas propiedades básicas de los sistemas físicos gel. Además se han equipado la cámara en una cámara de video para inspeccionar el estado de la muestra y registrar los cambios de la muestra especialmente durante procesos de disolución y congelación. Una ventaja adicional del método TSC es su simplicidad, como el sistema se puede construir de un estándar conductometer, un regulador programable de la temperatura, la línea de nitrógeno gaseoso para el medio de calefacción y refrigeración, el refrigerador, cámara de medición y un PC, que pueden encontrarse en la mayoría de los laboratorios.
El sitio Experimental de TSC
La térmica exploración Conductometría disposición experimental se puede construir en casi cualquier laboratorio con costos relativamente bajos. En cambio, se obtiene un método rápido, reproducible y preciso para la medición de muestras conductoras de líquidos y semisólidas en diferentes condiciones externas. Un esquema detallado de la instalación experimental de TSC construido en nuestro laboratorio se da en figura 1.
Figura 1: Diagrama de bloques del sitio de medición. Los componentes que consiste en la disposición experimental para el método de Conductometría análisis térmico de trabajo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Para el cambio de temperatura, un controlador de temperatura caseros fue utilizado, pero puede utilizarse cualquier tipo de controlador de temperatura programable, que puede cambiar la temperatura de forma lineal con una tasa de cambio definida. Para el aislamiento térmico, se ha construido una cámara especial. El objetivo de una cámara de aislamiento es para reducir al mínimo gradientes horizontales de temperatura en la muestra y para asegurar las tasas de enfriamiento rápidas. La cámara consta de un cilindro de vidrio con un interior longitud 40 mm de diámetro y 300 mm. En la parte inferior, donde se encuentran el calentador con las entradas de nitrógeno gaseoso, el extremo de la entrada está equipado con un difusor para extender uniformemente el gas caliente o frío. Este es también el lugar donde se encuentra el sensor de temperatura PT100 del regulador de temperatura variable (VTC). La temperatura de la muestra se registra independientemente por el sensor de temperatura situado en el sensor de conductividad. Además, se han equipado la cámara en una cámara de video para inspeccionar el estado de la muestra y registrar los cambios de la muestra especialmente durante procesos de disolución y congelación. El nitrógeno gaseoso que se obtiene de la evaporación de nitrógeno líquido en el tanque de alta presión de 250 L se utiliza como medio de calefacción y refrigeración. La presión de trabajo en la línea de nitrógeno es a 6 bares y reducido a 2 barras en el sitio de medición. Estos ajustes permiten la obtención de caudales entre 4 y 28 L/min sin interferencias, que permite una velocidad de enfriamiento de 10 ° C por minuto. Para bajar la temperatura inicial del gas nitrógeno, se ha utilizado el refrigerador externo, y la disminución de la temperatura fue de 10 ° C. Esto permite la obtención de buenas linearidades del cambio de temperatura, a partir de la temperatura ambiente. Durante el enfriamiento rápido, la temperatura del gas nitrógeno es disminuida a-15 ° C a altas tasas de enfriamiento. Es necesario utilizar nitrógeno gaseoso y aire, para evitar la formación de hielo del refrigerador debido a las bajas temperaturas ni seco.
Las muestras se inserta en un frasco de 9 mm de diámetro interno y longitud de 58 mm, polipropileno y equipadas con un tapón de rosca, que tiene un anillo de goma para el cierre apretado. Pueden utilizar los frascos de hasta 120 ° C. (ver figura 2).
Figura 2: la imagen de un frasco de polipropileno y su montaje en el sensor de conductividad. (1) el frasco de polipropileno, (2) el tapón de rosca con anillo de goma, 2a – la tapa del tornillo montada en el sensor de conductividad, (3) el frasco con el sensor de conductividad montado, el tapón con cinta de teflón. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
La térmica exploración Conductometría es un nuevo método experimental que ha demostrado para ser una manera eficiente y eficaz de investigar sistemas dinámicamente cambiantes, como ionogels basado en gelators de bajo peso molecular, electrolitos y líquidos iónicos. Sin embargo, su aplicabilidad no se limita sólo a ionogels. El método de la CAC puede utilizarse fácilmente con otros tipos de llevar a cabo sistemas de materia blanda como hidrogeles, emulsiones, cremas o cualquier otro cargo que contiene portadores…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Apoyo financiero para este trabajo fue proporcionado por el centro nacional para la ciencia como subvención no. DIC-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 |
Riferimenti
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