Microhoneycomb Monolithen vorbereitet durch die unidirektionale Gefriertrocknung von Zellulose Nanofaser basierte Sols: Methode und Erweiterungen

Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Fragen zur Herstellung funktionaler MHM-Materialien für Anwendungen wie Filtration, Katalysatorunterstützung, Durchflussbatterien, Sensoren und Biogerüste zu beantworten. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die strukturlenkende Funktion von Cellulose-Nanofasern nutzt und eine konstitutionelle Kontrolle der Ziel-MHMs realisieren kann. Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Fragen zur Herstellung funktionaler MHM-Materialien für Anwendungen wie Filtration, Katalysatorunterstützung, Durchflussbatterien, Sensoren und Biogerüste zu beantworten.

Ich demonstrierte das Verfahren mit mir und Cong Wang, einem Doktoranden aus unserem Labor. Um mit der Herstellung des tempovermittelten oxidierten Cellulose-Nanofaser-Sols zu beginnen, werden zunächst 66,7 Gramm gebleichter Weichholz-Kraftzellstoff mit 700 Mikrolitern deionisiertem Wasser kombiniert. Rühren Sie die Mischung 20 Minuten lang bei 300 U/min mechanisch um.

Im Laufe einer Minute werden der gerührten Kraftzellstoffsuspension langsam je 20 Milliliter einer wässrigen Tempolösung von 7,5 Gramm pro Liter und einer wässrigen Natriumbromidlösung von 75 Gramm pro Liter zugegeben. Beginnen Sie mit der kontinuierlichen Überwachung des pH-Werts der Mischung mit einem pH-Messgerät. Stellen Sie den pH-Wert der Mischung mit einer dreimolaren Natronlauge auf etwa 10,5 ein.

Dann pipettieren Sie im Laufe mehrerer Minuten langsam 63,8 g wässrigen Natriumhypochlorit mit 6 bis 14 % aktivem Chlor in die Suspension. Nachdem die Zugabe abgeschlossen ist, stellen Sie den pH-Wert wieder auf 10,5 ein, wenn er auf etwa 10 fällt. Sobald sich der pH-Wert verlangsamt, messen Sie, wie lange es dauert, bis der pH-Wert von 10,5 auf 10 sinkt, um zu bestimmen, wie oft die Mischung während der Reaktion überprüft werden muss.

Lassen Sie die tempovermittelte Oxidation 2,5 Stunden nach Beginn der Natriumhypochloritzugabe normal ablaufen. Anschließend filtriert man das Reaktionsgemisch durch einen Filter. Und sammeln Sie die oxidierte Zellulose-Nanofaser.

Rühren Sie dann die oxidierten Zellulosefasern in 1,2 Liter entionisiertem Wasser. Spülen Sie die Fasern auf diese Weise dreimal aus. Trocknen Sie einen kleinen Teil der gewaschenen Faserpaste über Nacht in einem Ofen bei 60 Grad Celsius, um den Feststoffgehalt der Paste zu bestimmen.

Berechnen Sie die Wassermenge, die benötigt wird, um aus der Paste ein Sol mit 1 Gew.-% herzustellen. Übertragen Sie dann die gewaschene Faserpaste in einen Mixer in Laborqualität. Fügen Sie eine angemessene Menge DI-Wasser hinzu, um die Konzentration der Mischung auf 2 Gew.-% einzustellen.

Mischen Sie die Paste kräftig, um die oxidierten Zellulosefasern in Nanofasern aufzulösen. Beginnen Sie mit dem Mischen mit geringer Leistung, bevor Sie die Paste mit hoher Leistung kräftig verblenden. Geben Sie ein Fünftel des benötigten Volumens an deionisiertem Wasser in die Paste und mischen Sie sie gründlich.

Wiederholen Sie diesen Vorgang noch viermal, um das 1 Gew.-% Tempo-vermittelte oxidierte Zellulose-Nanofaser-Sol zu erhalten. Lagern Sie das Sol bei vier Grad Celsius. Wir hören, dass die Extraktion eine Konstante des resultierenden TOCN-Sols ist.

Wenn es heiß genug ist, wird das MHM wahrscheinlich durch das neu hinzugefügte Verfahren gewonnen. Normalerweise muss die Viskosität mehr als 20.000 Millipascalsekunden betragen. Vor der Vorbereitung der tempovermittelten oxidierten Zellulose-Nanofaser-Oberfläche oxidiertes Kohlefaser-Mischsol, 1,7 Gramm 300-Mesh-Kohlefaser in 150 Milliliter konzentrierter Salpetersäure zurückfließen lassen, um die Oberfläche oxidierte Kohlenstofffasern zu erhalten.

Geben Sie dann 01 Gramm der vorbereiteten oxidierten Kohlenstofffasern und 10 Gramm des 1 Gew.-% tempovermittelten oxidierten Zellulose-Nanofaser-Sols in ein 20-Milliliter-Glasfläschchen. Schütteln Sie die Mischung manuell, bis die oxidierten Kohlenstofffasern an der Oberfläche gleichmäßig im Sol verteilt sind. Beschallen Sie die Mischung fünf Minuten lang, um ein gleichmäßig dispergiertes TOCN SOCF-Mischsol zu erhalten.

Lagern Sie das Sol bei vier Grad Celsius. Um mit der Vorbereitung eines Mikrowabenmonolithen zu beginnen, füllen Sie die unteren fünf Zentimeter des 13 mal 150 Millimeter großen oder ähnlich großen Polypropylen-Rohrs mit Glasperlen als Füllmaterial. Laden Sie langsam mindestens 2,7 Milliliter des gewählten Sols in das Rohr und stellen Sie sicher, dass das Sol-Niveau etwa 22 Millimeter oder mehr über den Glasperlen liegt.

Vermeiden Sie es, das Sol unnötig zu stören, um die Bildung von Blasen im Rohr zu minimieren. Verwenden Sie eine Pipette mit schmaler Spitze, um vorsichtig alle Blasen aus dem Sol zu entfernen, die während des Ladevorgangs entstanden sind. Lagern Sie die Solprobe über Nacht bei vier Grad Celsius.

Verbinden Sie dann das Probenröhrchen mit einem Tauchgerät für ein unidirektionales Einfrieren. Legen Sie einen Dewar aus flüssigem Stickstoff unter das Rohr. Frieren Sie das Sol bei einer Austrittsgeschwindigkeit von entweder 50 Zentimetern pro Stunde für das TOCN-Sol oder 20 Zentimetern pro Stunde für die gemischten Sols ein.

Bewahren Sie das Sol ein, sobald das unidirektionale Einfrieren abgeschlossen ist. Wir nutzen unsere kühle Zeit, um den gefrorenen TOCN-Sol-Seitenhaken ständig zu kühlen, um zu verhindern, dass er schläft, was zu einer Verschlechterung der Mikromorphologie des resultierenden Monolithen führt. Schneide das Polypropylenrohr mit einer Säge auf.

Knacken Sie das gefrorene Sol mit einer Zange in mehrere Stücke. Gefriertrocknen Sie die gefrorenen Sol-Stücke bei minus zehn Grad Celsius, minus fünf Grad Celsius und null Grad Celsius jeweils einen Tag hintereinander, um den Mikrowabenmonolithen zu erhalten. Das unidirektionale Gefrieren von 1 Gew.-% TOCN-Sol bei 50 Zentimetern pro Stunde ohne Glasperlen führte zu einer allmählichen Änderung der Ausrichtung und der Kanalgröße entlang der Gefrierrichtung.

Die Mikrowabenmorphologie wurde in Längsrichtung des gesamten Monolithen beibehalten. Der untere Zentimeter des Monolithen war zur Mitte des Volumens hin ausgerichtet. Eine gut ausgerichtete Wabenmorphologie wurde zwei Zentimeter vom Boden entfernt erhalten.

Die Größe des Mikrowabenkanals nahm von 10 Mikrometern zwischen dem zweiten und dritten Zentimeter des Monolithen zu und blieb dann stabil. Insgesamt zeigte der unidirektionale Einfriereffekt keinen Einfluss auf die Morphologie jenseits von drei Zentimetern. Die Kanalgröße konnte durch Ändern der Tauchgeschwindigkeit und der Temperatur des Kühlmittels abgestimmt werden.

Tempooxidierte Cellulose-Nanofasern neigten stark dazu, die Mikrowabenstruktur über den unidirektionalen Gefrierprozess auch in Gegenwart einer zweiten Komponente zu bilden. Ein gemischtes Sol mit Styrol-Butadien-Kautschuk ergab einen zusammengesetzten Mikrowabenmonolithen mit glatten Wänden. Tempo-oxidierte Zellulose-Nanofaser-Mikrowaben-Monolithen unterstützten auch Titanoxid-Nanopartikel in einem wohlgeordneten Mikrowaben-Monolithen, wobei Nanopartikel an den Mikrowabenwänden hafteten.

Ein gemischtes Sol mit SOCF ergab eine neuartige Unterkonstruktion, bei der die Carbonfasern die benachbarten Mikrowabenwände überbrückten. Die unidirektionale Gefriertrocknungstechnik ist ein neuartiger Ansatz, mit dem viele reguläre Mikrostrukturen erhalten werden können. Wir hatten zuerst die Idee, dass diese Methode so gut in zufälliger Mikrowabenmorphologie in einem Holzmuster aussehen wird.

Es scheint, dass der Hauptbestandteil des Holzes Zellulose ist. Wir begannen zu versuchen, eine ähnliche Konstruktion mit Zellulose zu durchtränken. Einmal gemeistert, kann diese Technik verwendet werden, um viele andere funktionale Verbundwerkstoff-MHMs für gezielte Anwendungen zu konstruieren.