Обратная газовая хроматография

Аналитическая газовая хроматография A (вверху) в сравнении с обратной газовой хроматографией B (внизу). В то время как в газовой хроматографии образец, содержащий несколько веществ, разделяется на компоненты в неподвижной фазе, в обратной газовой хроматографии используется введение одного вещества для исследования характеристик образца в неподвижной фазе.

Обратная газовая хроматография определения физических характеристик — это аналитический метод , который используется при анализе поверхностей твердых тел.

Обратная газовая хроматография или IGC — это высокочувствительный и универсальный газофазный метод, разработанный более 40 лет назад для изучения поверхностных и объемных свойств сыпучих и волокнистых материалов. В IGC роли неподвижной (твердой) и подвижной (газовой или паровой) фаз меняются по сравнению с традиционной аналитической газовой хроматографией (ГХ); IGC считается методом определения характеристик материалов (твердого тела), а не аналитическим методом (газовой смеси). В ГХ стандартная колонка используется для разделения и определения характеристик смеси нескольких газов или паров. В IGC один стандартный газ или пар (молекула-зонд) вводится в колонку, заполненную исследуемым твердым образцом.

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

Эксперименты IGC обычно проводятся при «бесконечном разбавлении», когда вводятся лишь небольшие количества молекул-зондов. Эту область также называют областью закона Генри или линейной областью изотермы сорбции. При бесконечном разбавлении взаимодействие зонд-зонд считается незначительным, и любое удерживание происходит только за счет взаимодействия зонд-твердое тело. Полученный удерживаемый объем, V _R ^тот , определяется следующим уравнением:

$V_{R}^{\circ }={\frac {j}{m}}F(t_{R}-t_{o}){\frac {T}{273.15}}$

где j — поправка на перепад давления Джеймса–Мартина, m — масса образца, F — скорость потока газа-носителя при стандартных температуре и давлении, t _R — общее время удерживания для инжектируемого зонда, t _o — время удерживания для датчик невзаимодействия (т.е. мертвое время), а T — абсолютная температура.

Определение поверхностной энергии

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, поверхностную энергию можно определить как избыточную энергию на поверхности материала по сравнению с объемом. Поверхностная энергия (γ) напрямую связана с термодинамической работой адгезии ( W _adh ) между двумя материалами, что определяется следующим уравнением:

$W_{\mathrm {adh} }=2(\gamma _{1}\gamma _{2})^{1/2}$

где 1 и 2 обозначают два компонента композита или смеси. При определении того, будут ли два материала слипаться, обычно сравнивают работу адгезии с работой сцепления, W _coh = 2 γ . Если работа адгезии больше, чем работа сцепления, то двум материалам термодинамически предпочтительнее сцепляться.

Поверхностную энергию обычно измеряют методами угла смачивания . Однако эти методы идеально подходят для плоских, однородных поверхностей. Для измерения угла смачивания порошков их обычно сжимают или приклеивают к подложке, что может эффективно изменить характеристики поверхности порошка. В качестве альтернативы можно использовать метод Уошберна, но было показано, что на него влияют упаковка колонки, размер частиц и геометрия пор. IGC представляет собой газофазный метод, поэтому на него не распространяются вышеуказанные ограничения жидкофазных методов.

Для измерения поверхностной энергии твердого тела с помощью IGC выполняется серия инъекций с использованием различных молекул-зондов при определенных условиях колонки. С помощью ИГХ можно определить как дисперсионную составляющую поверхностной энергии, так и кислотно-основные свойства. Что касается дисперсионной поверхностной энергии, измеряются удерживаемые объемы для ряда паров н-алканов (т.е. декана, нонана, октана, гептана и т. д.). Доррис и Грей. или Шульц Затем эти методы можно использовать для расчета дисперсионной поверхностной энергии . Удерживаемые объемы для полярных зондов (т. е. толуола, этилацетата , ацетона , этанола , ацетонитрила , хлороформа , дихлорметана и т. д.) затем можно использовать для определения кислотно-основных характеристик твердого вещества с помощью метода Гутмана, или теория Гуда-вана Осса.

Другие параметры, доступные с помощью IGC, включают: теплоту сорбции [1], изотермы адсорбции, профили энергетической неоднородности, коэффициенты диффузии, температуры стеклования [1], Хильдебранд и Хансен параметры растворимости и плотности сшивок.

Приложения

Эксперименты IGC имеют применение в широком спектре отраслей. Как поверхностные, так и объемные свойства, полученные с помощью IGC, могут дать важную информацию для самых разных 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 разделах ниже показано, как эксперименты IGC используются в нескольких отраслях.

Полимеры и покрытия

IGC широко используется для определения характеристик полимерных пленок, шариков и порошков. Например, IGC использовался для изучения свойств поверхности и взаимодействия между компонентами в рецептурах красок. Кроме того, IGC использовался для исследования степени сшивки этиленпропиленового каучука с использованием уравнения Флори-Ренера [17]. Кроме того, IGC представляет собой чувствительный метод обнаружения и определения фазовых переходов первого и второго рода, таких как плавления и стеклования температуры полимеров . Хотя другие методы, такие как дифференциальная сканирующая калориметрия, способны измерять эти температуры перехода, IGC имеет возможность определять температуру стеклования в зависимости от относительной влажности .

Фармацевтика

Растущая сложность фармацевтических материалов привела к необходимости использования более чувствительных термодинамических методов определения характеристик материалов. По этим причинам IGC все чаще используется в фармацевтической промышленности. Приложения включают характеристику полиморфов, влияние таких этапов обработки, как фрезерование, и взаимодействие лекарственного средства с носителем для составов сухих порошков. В других исследованиях IGC использовался для связи значений поверхностной энергии и кислотно-основного значения с трибоэлектрическим зарядом. и дифференцировать кристаллическую и аморфную фазы [23].

Волокна

Значения поверхностной энергии, полученные IGC, широко использовались на волокнистых материалах, включая текстиль, натуральные волокна, стекловолокно, и углеродные волокна . Большинство этих и других подобных 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, обсуждавшуюся ранее.

Наноматериалы

Подобно волокнам, наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки , наноглины и наносремнеземы, 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. Далее метод IGC использовался для характеристики поверхности как полученных, так и модифицированных углеродных нанотрубок.

Метакаолины

ИГХ использовали для характеристики адсорбционных свойств поверхности обожженного каолина ( метакаолина ) и эффекта измельчения на этот материал.

Другой

Другие области применения IGC включают адгезию бумаги и тонера, древесные композиты, пористые материалы [3] и пищевые материалы.

См. также

• Адгезия
• Характеристика материала
• Техника сидячего падения
• Поверхностная энергия
• Смачивание
• Смачивающий переход