셀 루 로스 Nanofiber 단방향 동결에 의해 준비 Microhoneycomb Monoliths 기반 Sols: 메서드 및 확장

요약

여기, 우리는 액체는 매우 낮은 압력 강하와 통해 전달할 수 있는 다양 한 microhoneycomb monoliths (MHMs)를 준비 하는 일반적인 프로토콜을 제시. MHMs 얻은 필터로 사용 될 것으로 예상 된다, 촉매 지원, 교류 형 전극, 센서 및 생체 재료에 대 한 건설 기계.

초록

모놀리식 벌집 구조 종합 분야 그들의 높은 힘에 무게 비율 때문에 매력적인 되었습니다. 특히, microhoneycomb monoliths 마이크로미터 스케일 채널 (MHMs) 반응 고 분판을 위한 효율적인 플랫폼으로 그들의 큰 표면 영역에 때문에 예상 된다. 지금, MHMs만 매우 제한 된 선구자에서에서 단방향 (UDF) 동결 방법에 의해 작성 되었습니다. 여기, 우리는 다른 부품으로 구성 된 MHMs의 일련을 얻을 수 있는 프로토콜을 보고 합니다. 최근에, 우리는 UDF 과정을 통해 MHMs의 형성으로 독특한 구조 지시 대리인으로 그 룰 nanofibers 함수를 발견. MHMs 양보 하지는 물 녹는 물질과 셀 룰 로스 nanofibers를 혼합 하 여 다양 한 복합 MHMs 준비 될 수 있습니다. 이 상당히 다양 한 응용 프로그램으로 MHMs의 화학 헌법을 풍요롭게.

서론

새로운 물자로 microhoneycomb 모노 리스 (표시 MHM) 최근 종합 분야^1,2,3,,45, 에서 엄청난 관심을 모으고 있다 ^{6 , 7 , 8}.의 MHM 벌집 모양의 크로스 섹션⁹직선 microchannels 배열 기둥으로 S. 向외. 수정 된 단방향 동결 (UDF) 방식을 통해 의해 먼저 준비 되었다. MHM 벌집 구조, 즉, 효율적인 공간 분할, 높은 강도 대 중량 비율, 그리고 낮은 압력 강하의 일반적인 이점을 소유한 다. 또한,는 MHM 훨씬 더 큰 특정 표면 영역을 있다 큰 채널 크기 벌집 모노 리스와 비교. UDF 메서드를 사용 하면 동시 단계 분리 동결 시 얼음 결정의 단방향 성장을 포함 한다. 얼음 결정의 제거 후 얼음 크리스탈에 의해 성형 고체 구성 요소를 가져옵니다. 단계 분리에 따라 형성 하는 형태 (솔 또는 젤), 전조의 그리고 대부분의 경우, 멜 라¹⁰, 섬유¹¹의 본질적인 성격에 따라 달라 집니다 그리고 생선¹² 구조는 MHMs 보다는 오히려 형성 가능성이 있습니다. 그 결과, MHMs의 대형 제한 선구자에만 보고 되었습니다 그리고이 크게 그들의 화학 재산의 다양성을 방해 했다. 우리는 최근 셀 룰 로스 nanofibers UDF 과정¹³MHM 구조 형성으로 강한 구조 감독 기능을가지고 나타났습니다. 다른 물 분산 구성 요소와 셀 루 로스 nanofibers를 혼합 하 여 준비 하는 다른 화학 특성을 가진 MHMs의 다양 한 가능 하다. 또한, 그들의 외부 모양 및 채널 크기는 유연 하 고 쉽게 제어¹³. 따라서, MHMs는 바이오 필터, 촉매 지원, 교류 형 전극, 센서 및 건설 기계 사용으로 예상 된다.

이 문서에서 우리는 먼저 자세히 UDF 과정을 통해 셀 룰 로스 nanofibers의 수성 분산에서 MHMs의 기본적인 준비 기술 설명. 또한, 여러 가지 다른 유형의 합성 MHMs의 준비를 설명합니다.

프로토콜

1. 1 wt %2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (템포)의 준비-산화 셀 룰 로스 Nanofiber (TOCN) 솔 중재

참고: 솔 연속 액체 매체에서 매우 작은 고체 입자의 콜 로이드 현 탁 액으로 정의 됩니다.

1. 20 분 동안 300 rpm에서 기계적인 교 반기와 이온된 (DI) 물 700 mL에 Nadelholz 표백 크 라프 트 펄프 (NBKP, 포함 하는 셀 룰 로스의 12 g)의 66.7 g를 일시 중단 합니다.
2. 위의 NBKP 정지^14,15천천히 템포 용액 (템포의 0.15 g 포함) 그리고 NaBr 용액 (NaBr의 1.5 g 포함)의 20 mL 20 mL를 추가 합니다.
3. 천천히 3.0 M NaOH 솔루션을 추가 약 10.5 (pH 측정기로 측정)를 위의 현 탁 액의 pH를 조정 합니다.
4. 천천히 템포 중재 산화를 시작 하려면 위의 혼합물에 있는 피 펫 수성 NaClO 솔루션 (6-14 wt % 활성 염소)의 약 63.8 g 추가.
5. NaClO 추가 하는 동안 계속 10.0에서 ~ 10.5의 범위 내에서 시스템의 pH 유지에 NaOH 솔루션을 추가 합니다. 이 프로세스는 약 2.5 h 걸립니다.
6. 잔여 NaClO, NaOH 및 기타 화학 물질 제거 하 디 물 템포 중재 산화 셀 룰 로스 섬유 3 번 (디 물 때마다 1200 mL)을 씻어.
7. 붙여넣기 nanofibers로 산화 셀 룰 로스 섬유를 분해 하는 강력한 기계 믹서 기 취급. 신중 하 게 여러 번 물의 동일한 금액의 추가와 함께 기계적인 처리를 실시 합니다. 마지막으로, 템포 중재 산화 셀 룰 로스 nanofiber (TOCN) 솔 1 wt %를 얻은 것입니다. TOCNs는 직경 4 ~ ~ 6 nm, 그리고 0.5 ~ 2 μ m의 길이.
8. 4 ° C (셀 루 로스는 주위 온도에 부패 하는 경향이 nanofibers)에 1 wt %TOCN 솔을 저장 합니다.

2. TOCN-스 티 렌 부 타 디 엔 고무 (SBR)의 준비 혼합 솔

1. SBR 교 질 (48.5 wt %)의 0.21 g의 1 wt %TOCN (단계 11.7.) 20 mL 유리 용기에 10 g를 추가 합니다.
2. 균등 하 게 분산 된 자리 저장소 사용 하기 전에 4 ° C에서 위의 혼합물 솔을 달성 하기 위해 6의 전력 레벨에와 동 믹서 3 분 위의 혼합물을 교 반 하십시오.

3. TOCN-티 오₂ 의 준비 혼합 솔

1. 티 오₂ 나노 입자의 0.1 g을 추가 (평균 입자 크기는 20 nm)의 1 wt % TOCN 20 mL 유리 용기에 10 g를.
2. 때문에 상당한 양의 열 과정에서 생성 되 고 TOCNs을 저하 시킬 수 있는 온도 상승에서 간헐적으로, 수행이이 10 분-프로세스 균등 하 게 혼합된 자리를 달성 하기 위해 10 분 동안 균질 화기와 위의 혼합물을 교 반 하십시오. 사용 하기 전에 4 ° C에서 혼합물 솔을 저장 합니다.

4. TOCN-표면 준비 산화 Sols 혼합 탄소 섬유 (SOCF)

1. 1.7 g 6 h SOCF¹⁶달성을 위한 60 ° C에 집중된 한 질소 산의 150 mL에 탄소 섬유 (약 50 μ m의 길이와 ~6.0 μ m에 5.5의 직경 300 메쉬)의 역류 10 g의 1 wt % TOCN 20 mL 유리 용기 내부에 위의 SOCF의 0.01 g을 추가 합니다.
2. 쉐이크 믹스 위의 혼합물, 그리고 균등 하 게 혼합된 자리 저장소 사용 하기 전에 4 ° C에서 혼합물 솔을 달성 하기 위해 5 분 동안 혼합 울트라 sonicate.

5. 1 wt %TOCN 솔 (표시 MHM-TOCN)에서 Microhoneycomb 완전 체 지의 준비

1. 유리 구슬 (13 m m 내부 직경와 15 mm의 외부 직경 150 m m의 길이) 폴 리 프로필 렌 (PP) 튜브를 로드 하 고 튜브¹³5 cm 아래쪽 채우기.
2. 로드 일정 금액 (금액은 각 시간에 대 한 제어 되지 하지만 2.7 mL 보다 일반적으로 더 큰 후속 절단 과정을 보장 하기 위해) 포함 하는 유리 구슬 위의 PP 튜브에 1 wt %TOCN 솔의.
   참고: TOCN 솔 직접 채워졌다 PP 튜브에 단방향 냉동 과정에 참여 하고있다 거리 효과의 연구에 대 한 유리 구슬에 하지 않고. 이 경우에, TOCN 솔의 양은 11 mL 이었다.
3. 조심 스럽게 솔 로드 하는 동안 생성 된 거품을 제거. 사용 하기 전에 밤새 4 ° C에서 TOCN 솔을 포함 하는 PP 튜브를 유지.
4. TOCN 솔 단방향 냉동에 사용 되는 디 핑 기계를 포함 하는 위의 PP 튜브를 연결 합니다. 관련 매개 변수를 설정 하 고 PP 튜브 50 cm h^-1 (그림 1)의 일정 한 속도로 액체 질소 (-196 ° C)를 포함 하는 열 주전자에 담 그 기 시작.
5. 톱와 PP 튜브 부분을 잘라내어 여러 섹션으로 냉동된 TOCN 솔 부분을 균열. 1 일,-10 ° C에 다음 1 일,-5 ℃에서 동결 기계와 함께이 섹션 건조 동결 그리고 마지막으로 0 ° C 1 일에서. MHM TOCN 화이트 색 monoliths (그림 1)으로 얻은 것입니다.

6. 준비 TOCN-SBR에서 Microhoneycomb 모노 리스의 솔 (표시 MHM-TOCN/SBR) 혼합 및 TOCN-티 오₂ 혼합 솔 (표시 티 오 MHM-₂ )

1. 유리 구슬, 튜브 5 cm 아래쪽 채우기와 폴 리 프로필 렌 (PP) 튜브 (13 m m 내부 직경와 15 mm의 외부 직경 150 m m의 길이)를 로드 합니다.
   참고: 유리 구슬은 결과 샘플의 균일 한 형태를 달성 하기 위해 정한 얼음 결정 성장 발생 영역을 커버 하는 데 사용 됩니다. 크기와 유리 구슬의 표면 속성은 결과 샘플의 형태학을 미치지 않습니다.
2. 로드 일정 금액 (금액은 각 시간에 대 한 제어 되지 하지만 그건 후속 절단 과정을 보장 하기 위해 2.7 mL 보다 일반적으로 더 큰) TOCN-SBR 솔 또는 TOCN-티 오₂ 혼합의 PP에 혼합된 솔 튜브 포함 유리 구슬.
3. 조심 스럽게 솔 로드 하는 동안 생성 된 거품을 제거. 계속 위의 포함 PP 튜브 사용 하기 전에 밤새 4 ° C에서 솔을 혼합.
4. Sols 단방향 냉동에 사용 되는 디 핑 기계를 혼합 위의 포함 PP 튜브에 연결 합니다. 관련 매개 변수를 설정 하 고 PP 튜브 20 cm h^-1의 일정 한 속도로 액체 질소 (-196 ° C)를 포함 하는 탱크에 담 그 기 시작.
5. 톱와 PP 튜브 부분을 잘라내어 냉동된 TOCN SBR 여러 섹션으로 솔 부분 혼합 부.
6. 1 일,-10 ° C에 다음 1 일,-5 ℃에서 동결 기계와 함께이 섹션 건조 동결 그리고 마지막으로 0 ° C 1 일에서. MHM-TOCN/SBR과 MHM-TOCN/티 오₂ 화이트 monoliths로 획득 했다.

7. 준비 Microhoneycomb TOCN-SOCF에서 완전 체 지의 혼합 솔 (표시 MHM-TOCN/SOCF)

1. 유리 구슬, 튜브의 맨 아래 5cm 부분을 작성 (한 내경 13 m m)와 15 mm의 외부 직경 및 길이 150 m m 폴 리 프로필 렌 (PP) 튜브를 로드 합니다.
2. 로드 일정 금액 (금액은 각 시간에 대 한 제어 되지 하지만 그건 후속 절단 과정을 보장 하기 위해 2.7 mL 보다 일반적으로 더 큰) TOCN-SOCF의 유리 구슬 포함 된 위의 PP 튜브에 솔을 혼합.
3. 조심 스럽게 솔 로드 하는 동안 생성 된 거품을 제거. 계속 위의 포함 PP 튜브 사용 하기 전에 밤새 4 ° C에서 솔을 혼합.
4. 단방향 냉동에 사용 되는 디 핑 기계 솔을 혼합 포함 하는 위의 PP 튜브에 연결 합니다. 관련 매개 변수를 설정 하 고 PP 튜브 20 cm h^-1의 일정 한 속도로 액체 질소 (-196 ° C)를 포함 하는 탱크에 담 그 기 시작.
5. 톱와 PP 튜브 부분을 잘라내어 여러 섹션으로 냉동된 TOCN SOCF 솔 부분을 균열. 1 일,-10 ° C에 다음 1 일,-5 ℃에서 동결 기계와 함께이 섹션 건조 동결 그리고 마지막으로 0 ° C 1 일에서. MHM-TOCN/SOCF 흰색-회색 기둥으로 얻은 것입니다.

결과

단방향 동결의 방향 따라 MHM TOCN의 다른 위치에 대 한 형태학 조사 되며 그림 2에 표시 된. MHM-TOCN의 하단 부분에서 추가 되는 위치와 점진적 형태학 변화 밝혀졌다 (그림 2, 토론). 균질 혼합물 솔을 형성 하는 TOCN 솔에 두 번째 구성 요소를 도입 하 여 복합 MHMs의 다양 한 종류를 준비 가능 하다. 예를 들어 복합 MHMs SBR (그림 3a)를 포함 하 여, 티 오₂ (그림 3b), 또는 심지어 탄소 섬유 (그림 4)는 준비.

토론

MHMs를 달성 하기 위한 가장 중요 한 단계는 단방향 동결 단계 물 동안 원주 얼음 결정을 형성 하는 dispersoid 프레임 워크를 옆으로 밀어 굳은. 단방향 냉동 법은 기본적으로 선구자 솔와 냉각수 사이의 열 이동 포함 됩니다. 우리의 설치에서 찍기 기계는 일정 속도와 냉각수 (액체 질소)에 선구자 솔을 포함 하는 PP 튜브를 삽입 하 사용 되었다. 액체 질소는 항상 증발 유지, 이후 변동할 온도 기울기는 질소 액체 수준 위에 생성 됩니다. 질소 액체 레벨을 만지기 전에 PP 튜브는 필연적으로 경험 하지 PP 튜브의 아래쪽의 온도 변동 발생 했습니다 액체 질소 수준, 위에 차가운 공기 열 교환. 또한, 액체 질소 수준, 액체 질소 (-196 ° C)의 가까이 온도에 즉시 떨어졌다 PP 튜브의 아래쪽 및 인접 한 부품의 온도 또한 신속 하 게 만지고 시 냉각 액체 질소의 온도에 . 그것은 때까지 단방향 동결 시작된 일어나 psudo 안정 열 전달 하는 특정 위치와 관련. 동결, 후 PP 튜브는 동결에 대 한 섹션으로 떨어져...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
Nadelholz 표백 크래프트 펄프	Seioko PMC 회사	CSF = 600
TEMPO	Macklin Inc.	T819129	98%
NaBr	맥클린 Inc.	S818075	AR, 99%
NaClO	알라딘 Inc.	S101636	6-14 중량% 활성 염소 기초
SBR 콜로이드	JSR corp.	TRD102A	48.5 wt%
TiO2	Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.	A63725402	결정질 아나타제 위상
탄소 섬유	Shenzhen Xian' 구 주식회사	XGCP-300
질산	Huada 시약	7697-37-2	65-68 wt%
믹서	Scientific Industries, Inc	G-560	믹서
기계식 블렌더	Waring Lab Ltd.	MX1000XTX	셀룰로오스 다발을 나노 섬유로 분해하는 데 사용됩니다.
균질화기:	Scientz Ltd.	HXF-DY	TiO2 나노 입자 pH 측정기 분산용
	주식회사 호리바	F-74BW