Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Обратная и аналитическая газовая хроматография
Аналитическая газовая хроматография A (вверху) по сравнению с обратной газовой хроматографией B (внизу). В то время как в газовой хроматографии образец, содержащий несколько компонентов, разделяется на компоненты на неподвижной фазе, в обратной газовой хроматографии используется введение одного компонента для исследования характеристик образца неподвижной фазы.

Обратная газовая хроматография - это аналитический метод определения физических характеристик , который используется при анализе поверхностей твердых тел. [1]

Обратная газовая хроматография или IGC - это высокочувствительный и универсальный газофазный метод, разработанный более 40 лет назад для изучения поверхностных и объемных свойств твердых и волокнистых материалов. В IGC роли неподвижной (твердая) и подвижной (газ или пар) фаз противоположны традиционной аналитической газовой хроматографии (ГХ). В ГХ стандартная колонка используется для разделения и определения характеристик нескольких газов и / или паров. В IGC отдельный газ или пар (молекула зонда) вводится в колонку, заполненную исследуемым твердым образцом. Вместо аналитического метода IGC считается методом определения характеристик материалов.

Во время эксперимента IGC импульс или постоянная концентрация известного газа или пара (молекула зонда) вводится в колонку с фиксированной скоростью потока газа-носителя. Время удерживания молекулы зонда затем измеряется традиционными детекторами ГХ (например, пламенно-ионизационным детектором или детектором теплопроводности ). Измерение того, как время удерживания изменяется в зависимости от химического состава молекулы зонда, размера молекулы зонда, концентрации молекул зонда, температуры колонки или скорости потока газа-носителя, может пролить свет на широкий диапазон физико-химических свойств исследуемого твердого вещества. Ранее было опубликовано несколько подробных обзоров IGC. [2] [3]

Эксперименты IGC обычно проводятся при бесконечном разбавлении, когда вводятся только небольшие количества молекулы зонда. Эта область также называется областью закона Генри или линейной областью изотермы сорбции. При бесконечном разбавлении взаимодействия зонд-зонд считаются незначительными, и любое удерживание происходит только из-за взаимодействий зонд-твердое тело. Результирующий удерживаемый объем V R o определяется следующим уравнением:

где j - поправка на перепад давления Джеймса – Мартина, m - масса образца, F - расход газа-носителя при стандартной температуре и давлении, t R - общее время удерживания для введенного зонда, t o - время удерживания для датчик отсутствия взаимодействия (т.е. мертвое время), а T - абсолютная температура.

Определение поверхностной энергии [ править ]

Основное применение IGC - измерение поверхностной энергии твердых тел (волокон, частиц и пленок). Поверхностная энергия определяется как количество энергии, необходимое для создания единицы площади твердой поверхности; аналогично поверхностному натяжению жидкости. Кроме того, поверхностная энергия может быть определена как избыточная энергия на поверхности материала по сравнению с массой. Поверхностная энергия (γ) напрямую связана с термодинамической работой адгезии ( W adh ) между двумя материалами, как определяется следующим уравнением:

где 1 и 2 представляют два компонента в композите или смеси. При определении того, будут ли два материала сцепляться, обычно сравнивают работу адгезии с работой сцепления, W coh  = 2 γ . Если работа адгезии больше, чем работа когезии, то два материала термодинамически предпочтительнее для сцепления.

Поверхностную энергию обычно измеряют методами контактного угла . Однако эти методы идеально подходят для плоских однородных поверхностей. Для измерения краевого угла смачивания порошков их обычно сжимают или приклеивают к подложке, что может эффективно изменять характеристики поверхности порошка. В качестве альтернативы можно использовать метод Уошберна, но было показано, что на него влияют упаковка колонки, размер частиц и геометрия пор. [4] IGC - это газофазная технология, поэтому на нее не распространяются указанные выше ограничения жидкофазных технологий.

Для измерения поверхностной энергии твердого тела с помощью IGC выполняется серия инъекций с использованием различных молекул зонда в определенных условиях колонки. С помощью IGC можно определить как дисперсионную составляющую поверхностной энергии, так и кислотно-основные свойства. Для дисперсионной поверхностной энергии измеряются удерживаемые объемы для ряда паров н-алкана (т.е. декана, нонана, октана, гептана и т. Д.). Доррис и Грей. Затем можно использовать методы [5] или Шульца [6] для расчета дисперсионной поверхностной энергии . Удерживаемые объемы для полярных зондов (например, толуол, этилацетат , ацетон , этанол , ацетонитрил ,хлороформ , дихлорметан и т. д.) затем можно использовать для определения кислотно-основных характеристик твердого вещества с использованием теории Гутмана [7] или теории Гуд-ван Осса. [8]

Другие параметры , доступные по МКАМ включают: теплота сорбцию [1], изотерма адсорбции, [9] энергичную гетерогенность профили, [10] [11] коэффициенты диффузии, [12] стеклование температуры [1], [13] Гильдебранд [14] [15] и Хансен [16] параметры растворимости и плотности сшивки. [17]

Приложения [ править ]

Эксперименты IGC находят применение во многих отраслях промышленности. Как поверхностные, так и объемные свойства, полученные с помощью IGC, могут дать жизненно важную информацию для различных материалов, от фармацевтических препаратов до углеродных нанотрубок . Хотя эксперименты с поверхностной энергией являются наиболее распространенными, существует широкий диапазон экспериментальных параметров, которыми можно управлять в IGC, что позволяет определять различные параметры образца. В следующих разделах показано, как эксперименты IGC используются в нескольких отраслях.

Полимеры и покрытия [ править ]

IGC широко используется для определения характеристик полимерных пленок, шариков и порошков. Например, IGC использовался для изучения свойств поверхности и взаимодействия между компонентами в составах красок. [18] Кроме того, IGC использовался для исследования степени сшивания этилен-пропиленового каучука с использованием уравнения Флори-Ренера [17]. Кроме того, МКИ является чувствительным методом для обнаружения и определения первых и второго фазовых переходов , как плавления и стеклования температуры полимеров . [19] Хотя другие методы, такие как дифференциальная сканирующая калориметрияспособны измерять эти температуры перехода, МКИ имеют возможность стеклования температур в зависимости от относительной влажности . [20]

Фармацевтика [ править ]

Усложнение фармацевтических материалов потребовало использования более чувствительных, основанных на термодинамике методов для определения характеристик материалов. По этим причинам IGC все чаще используется в фармацевтической промышленности. Применения включают определение характеристик полиморфа [21], влияние таких технологических операций, как измельчение [22], и взаимодействие лекарственного средства с носителем для составов сухих порошков. [23] В других исследованиях IGC использовался, чтобы связать значения поверхностной энергии и кислотно-щелочного баланса с трибоэлектрическим зарядом [24] и дифференцировать кристаллическую и аморфную фазы [23].

Волокна [ править ]

Значения поверхностной энергии, полученные IGC, широко используются для волокнистых материалов, включая текстиль, [25] натуральные волокна, [26] стекловолокно [27] и углеродные волокна . [28] Большинство этих и других связанных исследований, посвященных изучению поверхностной энергии волокон, сосредоточены на использовании этих волокон в композитах. В конечном счете, изменения поверхностной энергии могут быть связаны с характеристиками композита через работу адгезии и когезии, о которой говорилось ранее.

Наноматериалы [ править ]

Подобно волокнам, наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки , наноглины и нанокремнеземы, используются в качестве композитных армирующих агентов. Поэтому поверхностная энергия и обработка поверхности этих материалов активно изучаются IGC. Например, IGC использовался для изучения поверхностной активности нанокремнезема, наногематита и наногеэтита. [29] Кроме того, IGC использовался для характеристики поверхности полученных и модифицированных углеродных нанотрубок. [30]

Метакаолины [ править ]

IGC использовался для характеристики адсорбционных свойств поверхности кальцинированного каолина ( метакаолина ) и воздействия измельчения на этот материал. [31]

Другое [ править ]

Другие применения IGC включают адгезию бумаги к тонеру, [32] древесные композиты, [33] пористые материалы [3] и пищевые материалы. [34]

См. Также [ править ]

  • Поверхностная энергия
  • Адгезия
  • Смачивание
  • Смачивание перехода
  • Характеристика материала
  • Техника сеансового сброса

Ссылки [ править ]

  1. ^ Mohammadi-Jam, S .; Уотерс, KE (2014). «Приложения обратной газовой хроматографии: обзор». Достижения в коллоидной и интерфейсной науке . 212 : 21–44. DOI : 10.1016 / j.cis.2014.07.002 . ISSN  0001-8686 .
  2. ^ Дж. Кондор и К. Янг, Физико-химические измерения с помощью газовой хроматографии, John Wiley and Sons, Чичестер, Великобритания (1979)
  3. ^ Ф. Тильман, Журнал хроматографии А. 1037 (2004) 115.
  4. ^ Дж. Дав, Дж. Бактон и К. Доэрти, Международный журнал фармацевтики. 138 (1996) 199–206.
  5. ^ Г. М. Дорис и Д. Г. Грей, Журнал коллоидов и межфазных исследований. 56 (1964) 353.
  6. ^ J. Schultz, Л. Lavielle и С. Мартин, журнал сцепление. 77 (1980) 353–362.
  7. ^ В. Гутманн, Обзоры координационной химии. 2 (1966) 239–256.
  8. ↑ CJ van Oss, RJ Good и MK Chaudhury, Langmuir. 4 (1988) 884–891.
  9. ^ Е. Кремер и Х. Хубер, в газовой хроматографии, изд. Н. Бреннер и др., Academic Press, New York (1962), стр. 169.
  10. ^ PP Ил-Maihaniemi, JYY Heng, Ф. Тильман, и DR Williams, Ленгмюра. 24 (2008) 9551–9557.
  11. ^ Ф. Тильман, DJ Burnett и JYY Heng, Разработка лекарств и промышленная фармация. 33 (2007) 1240–1253.
  12. ^ J. ван Деемтера, FJ Zuiderweg, А. Klinkenberg, Chemical Engineering Science. 5 (1965) 271.
  13. ^ Г. Бактон, А. Амбархан и К. Пинкотт, Фармацевтические исследования. 21 (2004) 1554–1557.
  14. ^ 14 D. Benczedi, D, I. Tomka и F. Escher, Macromolecules. 31 (1998) 3055.
  15. ^ Г. ДиПаола и Дж. Э. Гийе, Макромолекулы. 11 (1978) 228.
  16. ^ К. Адамска и А. Фелькель, Международный фармацевтический журнал. 304 (2005) 11–17.
  17. ^ GJ Price, KS Siow и JE Guillet, Macromolecules. 22 (1989) 3116–3119.
  18. ↑ A. Ziani, R. Xu, HP Schreiber и T. Kobayashi, Journal of Coatings Technology. 71 (1999) 53–60.
  19. ^ A. Lavole и JE Guillet, Макромолекулы. 2 (1969) 443.
  20. ^ Ф. Тильманн и Д. Р. Вильямс, Deutsche Lebensmittel-Rundschau. 96 (2000) 255–257.
  21. ^ Hhy Tong, BY Шекунов, П. Йорк, и AHL Chow, Pharmaceutical Research. 19 (2002) 640–648.
  22. ^ JYY Heng, Ф. Тильман, и DR Williams, Pharmaceutical Research, 23 (2006) 1918-1927.
  23. ^ Дж. Фили, П. Йорк, Б. Сумби и Х. Дикс, Международный журнал фармацевтики. 172 (1998) 89–96.
  24. ^ Н. Ахфат, Г. Бактон, Р. Берроуз и М. Тайсхерст, Европейский журнал фармацевтических наук. 9 (2000) 271–276.
  25. ^ Э. Кантергиани и Д. Бенцеди, Журнал хроматографии A. 969 (2002) 103–110.
  26. ^ JYY Heng, DF Pearse, F. Thielmann, T. Lampke и A. Bismarck, Composite Interfaces. 14 (2007) 581–604.
  27. ^ К. Цуцуми и Т. Осуга, Наука о коллоидах и полимерах. 268 (1990) 38–44.
  28. ^ L. Lavielle и J. Schultz, Langmuir. 7 (1991) 978–981.
  29. ^ К. Батько и А. Фелькель, Журнал коллоидной и интерфейсной науки. 315 (2007) 768–771.
  30. ^ R. Menzel, A. Lee, A. Bismarck и MSP Shaffer, Langmuir. (2009) в печати.
  31. ^ Gamelas, J .; Ferraz, E .; Роча, Ф. (2014). «Понимание свойств поверхности кальцинированных каолинитовых глин: эффект измельчения». Коллоиды и поверхности A: физико-химические и технические аспекты . 455 : 49–57. DOI : 10.1016 / j.colsurfa.2014.04.038 .
  32. Перейти ↑ J. Borch, Journal of Adhesion Science and Technology. 5 (1991) 523–541.
  33. ↑ RH Mills, DJ Gardner и R. Wimmer. Журнал прикладной науки о полимерах. 110 (2008) 3880–3888.
  34. ^ Q. Чжоу и KR Cadwallader. Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии. 54 (2006) 1838–1843.