セルロースナノファイバーの一方向凍結乾燥法により作製した Microhoneycomb モノリス基づくゾル: メソッドと拡張機能

この方法は、ろ過、触媒支持、フロー型電池、センサー、バイオスキャフォールドなどの用途向けの機能的なMHM材料を実現するための重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、セルロースナノファイバーの構造指向機能を利用し、標的MHMの構成制御を実現できることです。この方法は、ろ過、触媒支持、フロー型電池、センサー、バイオスキャフォールドなどの用途向けの機能的なMHM材料を実現するための重要な質問に答えるのに役立ちます。

私と私たちの研究室の大学院生であるCong Wangと一緒に手順を実演しています。テンポ媒介酸化セルロースナノファイバーゾルの調製を開始するには、まず66.7グラムの針葉樹漂白クラフトパルプと700マイクロリットルの脱イオン水を組み合わせる。混合物を300rpmで20分間機械的に攪拌します。

1分間かけて、攪拌クラフトパルプ懸濁液に7.5グラム/リットルのテンポ水溶液と75グラム/リットルの臭化ナトリウム水溶液をそれぞれ20ミリリットルずつゆっくりと加えます。pHメーターで混合物のpHを継続的に監視し始めます。混合物のpHを約10.5に調整し、3モルの水酸化ナトリウム溶液を使用します。

次に、数分間かけて、6〜14%の活性塩素を含む63.8グラムの次亜塩素酸ナトリウム水溶液をゆっくりと懸濁液にピペットで入れます。添加が完了したら、pHが約10.5に下がるたびに、pHを10.5に戻します。pHの低下が鈍化したら、pHが10.5から10に低下するのにかかる時間を計り、反応中に混合物をチェックする頻度を決定します。

次亜塩素酸ナトリウムの添加の開始から2.5時間、テンポ媒介酸化が正常に進行するのを待ちます。その後、反応混合物をフィルターで濾過します。そして、酸化したセルロースナノファイバーを収集します。

次に、酸化したセルロース繊維を1.2リットルの脱イオン水で攪拌します。このようにして繊維を3回すすぎます。洗浄した繊維ペーストのごく一部を摂氏60度のオーブンで一晩乾燥させ、ペーストの固形分を決定します。

ペーストから重量の1%のゾルを作るのに必要な水の量を計算します。次に、洗浄した繊維ペーストを実験室グレードのブレンダーに移します。適量の脱イオン水を加えて、混合物の濃度を2重量%に調整します。

ペーストを激しくブレンドして、酸化したセルロース繊維をナノファイバーに分解します。ペーストを高出力で激しくブレンドする前に、低電力のブレンドから始めます。ペーストに必要量の5分の1の脱イオン水を加え、よく混ぜ合わせます。

このプロセスをさらに4回繰り返して、1重量%のテンポで媒介された酸化セルロースナノファイバーゾルを得る。得られるTOCNゾルの抽出は一定であると聞きます。

十分に高温であれば、MHMは新しく追加されたプロセスによって取得される可能性があります。通常、粘度は 20 、 000 ミリパスカル秒より大きくなければなりません。テンポ媒介酸化セルロースナノファイバー表面酸化炭素繊維混合ゾルを調製する前に、150ミリリットルの濃硝酸中に1.7グラムの300メッシュ炭素繊維を還流して、表面酸化炭素繊維を得る。

次に、20ミリリットルのガラスバイアルに、調製した表面酸化炭素繊維1グラム、および1重量重量%テンポ媒介酸化セルロースナノファイバーゾル10グラムを入れます。表面の酸化炭素繊維がゾル全体に均一に分布するまで、混合物を手動で振とうします。混合物を5分間超音波処理して、均一に分散したTOCN SOCF混合ゾルを得ます。

ゾルは摂氏4度で保管します。マイクロハニカムモノリスの準備を開始するには、13 x 150ミリメートルまたは同様のサイズのポリプロピレンチューブの底5センチメートルに、フィラー材料としてガラスビーズを充填します。選択したゾルの少なくとも2.7ミリリットルをチューブにゆっくりとロードし、ゾルレベルがガラスビーズの約22ミリメートル以上上にあることを確認します。

チューブ内の気泡の形成を最小限に抑えるために、ゾルを不必要に乱さないでください。先端が細いピペットを使用して、ローディングプロセス中に導入された気泡をゾルから慎重に取り除きます。ゾルサンプルを摂氏4度で一晩保存します。

次に、サンプルチューブを浸漬装置に接続して、一方向凍結します。チューブの下に液体窒素のデュワーを置きます。TOCNソルの場合は毎時50センチメートル、混合ソルの場合は毎時20センチメートルのいずれかのエマージング速度でゾルを凍結します。

一方向凍結が完了したら、ゾルを凍結したままにします。私たちは、冷却時間を利用して、凍結したTOCNゾルサイドフックを常に冷却し、結果として生じるモノリスの微細形態の劣化につながる睡眠を防ぎます。のこぎりを使用してポリプロピレンチューブを切り開きます。

凍ったゾルをペンチを使っていくつかの部分に割る。凍結したゾル片をマイナス10°C、マイナス5°C、0°Cでそれぞれ1日ずつ凍結乾燥させ、マイクロハニカムモノリスを得ます。ガラスビーズを使用せずに1重量%のTOCNゾルを毎時50cmで一方向に凍結すると、凍結方向に沿って向きとチャネルサイズが徐々に変化しました。

マイクロハニカムの形態は、モノリス全体で縦方向に保持されました。モノリスの下部センチメートルは、バルクの中心に向けられていました。底部から2センチメートルの位置で、整列したハニカム形態が得られました。

マイクロハニカムチャネルのサイズは、モノリスの2センチメートルと3センチメートルの間で10マイクロメートルから増加し、その後は安定したままでした。全体として、一方向の凍結効果は、3センチメートルを超える形態に影響を与えませんでした。チャネルサイズは、浸漬速度と冷却水の温度を変更することで調整できます。

テンポ酸化セルロースナノファイバーは、第2の成分の存在下でも、一方向凍結プロセスを介してマイクロハニカム構造を形成する傾向が強くありました。スチレンブタジエンゴムとの混合ゾルにより、滑らかな壁を持つ複合マイクロハニカムモノリスが得られました。テンポ酸化セルロースナノファイバーマイクロハニカムモノリスは、マイクロハニカム壁にナノ粒子が付着した整然としたマイクロハニカムモノリスで酸化チタンナノ粒子も支持しました。

SOCFとの混合ゾルは、炭素繊維が隣接するマイクロハニカム壁を架橋する新しい下部構造をもたらしました。一方向凍結乾燥技術は、多くの規則的な微細構造を得ることができる新しいアプローチです。私たちは最初にこの方法のアイデアを持っていたので、木のパターンでランダムなマイクロハニカムの形態でとてもうまくいくでしょう。

木材の主成分はセルロースだそうです。私たちは、同様の構造にセルロースを吹き込む試みを始めました。この手法を習得すると、ターゲットアプリケーション用の他の多くの機能複合MHMを構築するために使用できます。