Methodenartikel

Microhoneycomb monolieten bereid door de unidirectionele vriesdrogen van Cellulose Nanofiber gebaseerd Sols: methode en uitbreidingen

DOI:

10.3791/57144

⸱

24 mei 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Engineering Laboratory for Functionalized Carbon Materials and Shenzhen Key Laboratory for Graphene-based Materials, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, 2School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, 3Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University, 4Tsinghua-Berkeley Shenzhen Institute (TBSI), Tsinghua University, 5School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hier presenteren we een algemeen protocol ter voorbereiding van een verscheidenheid van microhoneycomb monolieten (MHMs) in welke vloeistof met een extreem lage drukval passeren kan. MHMs verkregen moeten worden gebruikt als filters, katalysator ondersteunt, stroom-type elektroden, sensoren en steigers voor biomaterialen.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Monolithische honingraat structuren zijn aantrekkelijk voor multidisciplinaire velden vanwege hun hoge kracht-gewichtsverhouding. In het bijzonder worden microhoneycomb monolieten (MHMs) met micrometer-schaal kanalen verwacht als efficiënte platforms voor reacties en scheidingen vanwege hun grote oppervlaktes. Tot nu toe zijn MHMs vervaardigd door een unidirectionele trekkers (UDF) methode slechts van zeer beperkte precursoren. Hierin, rapporteren we een protocol waarbij een reeks van MHMs bestaande uit verschillende componenten kan worden verkregen. Onlangs vonden we die cellulose nanofibers functie als een afzonderlijke structuur-leiding agent op weg naar de vorming van MHMs door de UDF-proces. Door het mengen van de cellulose nanofibers met water oplosbare stoffen die MHMs opleveren, kan een verscheidenheid van samengestelde MHMs bereid worden. Dit aanzienlijk verrijkt de chemische samenstelling van MHMs naar veelzijdige toepassingen.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Als een gloednieuwe materiaal, heeft microhoneycomb monoliet (aangeduid door MHM) onlangs trok enorme aandacht van multidisciplinaire velden1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8. the MASSIEF VERNAGELDE houten muren werd voor het eerst bereid door S. Mukai et al. door middel van een gewijzigde unidirectionele trekkers (UDF) aanpak als een monoliet met een scala aan rechte microchannels met honingraat-achtige kruissecties9. Massief Vernagelde houten muren bezit de algemene voordelen van honingraat structuren, dat wil zeggen, efficiënte mozaïekpatroon, hoge kracht-gewichtsverhouding en lage drukval. Bovendien heeft in vergelijking met de honingraat-monoliet met een grotere omvang van het kanaal, de MASSIEF VERNAGELDE houten muren een veel grotere specifieke oppervlakte. De UDF-methode houdt de unidirectionele groei van ijskristallen en gelijktijdige fase-separatie zichtbaar op bevriezing. Na de verwijdering van de ijskristallen, wordt een solide component gevormd door het ijs kristal verkregen. De morfologie gevormd na de fasescheiding is afhankelijk van de intrinsieke aard van de voorloper (sol of gel), en in de meeste gevallen, lamel10, vezel11en fishbone12 structuren dreigen te vormen in plaats van de MHMs. Dientengevolge, de vorming van MHMs heeft gemeld slechts in beperkte precursoren, en dit heeft de diversiteit van hun chemische eigendommen aanzienlijk bemoeilijkt. We hebben onlangs geconstateerd dat cellulose nanofibers een sterke structuur-leiding functie naar de vorming van de structuur van de MASSIEF VERNAGELDE houten muren door de UDF proces13. Gewoon door het mengen van de cellulose nanofibers met andere componenten van het water waarin het zich verspreidt, is het mogelijk om voor te bereiden een verscheidenheid van MHMs met verschillende chemische eigenschappen. Bovendien zijn hun exterieur vormen en kanaal maten flexibel en gemakkelijk gecontroleerde13. MHMs moeten dus worden gebruikt als filters, katalysator ondersteunt, stroom-type elektroden, sensoren en steigers voor biomaterialen.

In dit document, hebben we eerst de techniek van de fundamentele voorbereiding van MHMs uitleggen van de waterige dispersie van cellulose nanofibers door het proces van de UDF in detail. Bovendien tonen we de voorbereiding van verschillende soorten samengestelde MHMs.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. bereiding van 1 wt % 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPO)-gemedieerde geoxideerde Cellulose Nanofiber (TOCN) Sol

Opmerking: De sol is gedefinieerd als een colloïdale suspensie van zeer kleine vaste deeltjes in een continue vloeistof.

  1. Schorten 66,7 g Nadelholz gebleekt Kraft pulp (NBKP, met 12 g van cellulose) in 700 mL gedeïoniseerd water (DI) met een mechanische agitator bij 300 omwentelingen per minuut gedurende 20 minuten.
  2. Voeg 20 mL van waterige oplossing van de TEMPO (met 0,15 g TEMPO) en 20 mL van een waterige oplossing van NaBr (met 1.5 g van NaBr) langzaam aan het bovenstaande NBKP schorsing14,15.
  3. Breng de pH van de bovenstaande schorsing naar ongeveer 10.5 (gemeten met een pH-meter) met het langzaam toevoegen van 3,0 M NaOH oplossing.
  4. Voeg langzaam aan het bovenstaande mengsel om te beginnen met TEMPO-gemedieerde oxidatie ongeveer 63.8 g van waterige oplossing van NaClO (met 6-14 wt % actief chloor) met een pipet.
  5. Terwijl het toevoegen van NaClO, doorgaan met het toevoegen van de NaOH-oplossing om te houden van de pH van het systeem binnen het bereik van 10,0 tot ~ 10.5. Dit proces duurt ongeveer 2,5 uur.
  6. Spoel de TEMPO-gemedieerde geoxideerde cellulose vezels met DI water 3 keer (1200 mL DI water telkens) om de resterende NaClO, NaOH en andere chemicaliën te verwijderen.
  7. Behandel de pasta met een krachtige mechanische blender brokkelt de geoxideerde cellulose vezels in nanofibers. Verrichten de mechanische behandeling zorgvuldig meerdere malen begeleid met een toevoeging van gelijke hoeveelheid water. Tot slot wordt een 1 wt % TEMPO-gemedieerde geoxideerde cellulose nanofiber (TOCN) sol verkregen. De TOCNs hebben een diameter van 4 tot ~ 6 nm en een lengte van 0,5 tot ~ 2 μm.
  8. Bewaar de 1 wt % TOCN sol bij 4 ° C (cellulose nanofibers de neiging te rotten bij een omgevingstemperatuur).

2. voorbereiding van de TOCN-styreen butadieenrubber (SBR) gemengd Sol

  1. Voeg 0.21 g SBR colloid (48.5 wt %) in 10 g 1 wt % TOCN sol (stap 11,7.) in een glas ketel van 20 mL.
  2. Het bovenstaande mengsel gedurende 3 minuten doorroeren met een vortex-mixer op het energieniveau van 6 te bereiken een gelijkmatig verspreide sol. winkel de bovenstaande mengsel sol bij 4 ° C vóór gebruik.

3. bereiding van TOCN-TiO2 gemengd Sol

  1. Voeg 0,1 g van TiO2 nanodeeltjes (met een gemiddelde deeltjesgrootte van 20 nm) in 10 g 1 wt % TOCN sol in een glas ketel van 20 mL.
  2. Het bovenstaande mengsel met een homogenizer gedurende 10 minuten tot een gelijkmatig gemengd sol. uitvoeren dit 10 min-proces met tussenpozen, omdat een aanzienlijke hoeveelheid warmte wordt gegenereerd in het proces en leidt tot de opkomst van de temperatuur, die kan worden afgebroken TOCNs doorroeren. Bewaar het mengsel sol bij 4 ° C vóór gebruik.

4. bereiding van TOCN-oppervlak geoxideerd gemengd Sols koolstofvezel (SOCF)

  1. Terugvloeiing 1,7 g van koolstofvezel (300 mesh, met een diameter van 5.5 tot ~6.0 micrometer en een lengte van ongeveer 50 μm) in 150 mL geconcentreerd salpeterzuur bij 60 ° C gedurende 6 uur te bereiken SOCF16. Voeg 0.01 g van de bovenstaande SOCF in 10 g 1 wt % TOCN sol binnen een 20 mL glas vaartuig.
  2. Shake-mix het bovenstaande mengsel, en ultra-Bewerk ultrasone trillingen ten het mengsel gedurende 5 minuten om een gelijkmatig gemengd sol. winkel de sol mengsel bij 4 ° C vóór gebruik.

5. bereiding van Microhoneycomb monoliet van de 1 wt % TOCN Sol (aangeduid met massief VERNAGELDE houten muren-TOCN)

  1. Laad een polypropyleen (PP) buis (met een inwendige diameter van 13 mm, een buitendiameter van 15 mm en een lengte van 150 mm) met glaskralen en vul de onderste 5 cm gedeelte van de buis-13.
  2. Laden van een bepaald bedrag (het bedrag wordt niet gecontroleerd voor elke keer, maar het is gewoonlijk groter dan 2,7 mL om ervoor te zorgen het daaropvolgende snijproces) van de 1 wt % TOCN sol in de bovenstaande PP buis bevattende glazen bolletjes.
    Opmerking: TOCN sol was direct gevuld in de PP buis zonder gieten in glaskralen voor de studie van het effect van de afstand die geweest bij de unidirectionele vriesproces betrokken is. In dit geval was de hoeveelheid TOCN sol 11 mL.
  3. Verwijder voorzichtig de belletjes die kunnen zijn gegenereerd tijdens het laden van de sol. Houd de PP buis met de TOCN sol bij 4 ° C's nachts vóór gebruik.
  4. Bevestig de bovenstaande PP buis met de TOCN sol aan de dompelen machine die wordt gebruikt voor unidirectionele bevriezing. De relevante parameters instellen en beginnen met de PP buis dompelen in een thermo kruik met vloeibare stikstof (196 ° c.) met een constante snelheid van 50 cm h-1 (Figuur 1).
  5. Snij het PP buis gedeelte met een zaag, en barst het bevroren TOCN sol deel in verschillende secties. Bevriezen droog deze secties met een freeze-drying machine bij-10 ° C gedurende 1 dag, dan bij-5 ° C gedurende 1 dag, en ten slotte bij 0 ° C voor 1 dag. De MASSIEF VERNAGELDE houten muren-TOCN werd verkregen als wit-gekleurde monolieten (Figuur 1).

6. bereiding van Microhoneycomb monoliet van de TOCN-SBR gemengd Sol (aangeduid met massief VERNAGELDE houten muren-TOCN/SBR) en TOCN-TiO2 gemengd Sol (aangeduid met massief VERNAGELDE houten muren-TOCN/TiO2 )

  1. Laden van polypropyleen (PP) buizen (met een inwendige diameter van 13 mm, een buitendiameter van 15 mm en een lengte van 150 mm) met glaskralen, vullen de onderste 5 cm gedeelte van de buizen.
    Opmerking: De glazen bolletjes worden gebruikt ter dekking van het gebied waar wankele ijs kristalgroei voorkomt, te bereiken van uniforme morfologie van het resulterende monster. Zowel de grootte en oppervlakte eigenschap van de glasparels hebben geen invloed op de morfologie van het resulterende monster.
  2. Laden van zekere (het bedrag wordt niet gecontroleerd voor elke keer, maar het is gewoonlijk groter dan 2,7 mL om ervoor te zorgen het daaropvolgende snijproces) van de TOCN-SBR sol of TOCN-TiO2 gemengd gemengde sol in de PP buizen met glaskralen.
  3. Verwijder voorzichtig de belletjes die kunnen zijn gegenereerd tijdens het laden van de sol. Houd de PP-buizen met de bovenstaande gemengd sol bij 4 ° C's nachts vóór gebruik.
  4. Bevestig de PP-buizen met de bovenstaande gemengd sols aan de dompelen machine die wordt gebruikt voor unidirectionele bevriezing. De relevante parameters instellen en beginnen met de PP buis dompelen in een tank met vloeibare stikstof (196 ° c.) met een constante snelheid van 20 cm h-1.
  5. Snij het PP buis gedeelte met een zaag, en barst van de bevroren TOCN-SBR gemengd sol deel in verschillende secties.
  6. Bevriezen droog deze secties met een freeze-drying machine bij-10 ° C gedurende 1 dag, dan bij-5 ° C gedurende 1 dag, en ten slotte bij 0 ° C voor 1 dag. De MASSIEF VERNAGELDE houten muren-TOCN/SBR en MASSIEF VERNAGELDE houten muren-TOCN/TiO2 werden verkregen als witte monolieten.

7. bereiding van Microhoneycomb monoliet van de TOCN-SOCF gemengd Sol (aangeduid met massief VERNAGELDE houten muren-TOCN/SOCF)

  1. Laad een polypropyleen (PP) buis met (een inwendige diameter van 13 mm) en een buitendiameter van 15 mm en een lengte van 150 mm met glaskralen, vullen de onderste 5 cm gedeelte van de buis.
  2. Laden van zekere (het bedrag wordt niet gecontroleerd voor elke keer, maar het is gewoonlijk groter dan 2,7 mL om ervoor te zorgen het daaropvolgende snijproces) van de TOCN-SOCF gemengd sol in de bovenstaande PP buis bevattende glazen bolletjes.
  3. Verwijder voorzichtig de belletjes die kunnen zijn gegenereerd tijdens het laden van de sol. Houd de PP buis met het bovenstaande gemengd sol bij 4 ° C's nachts vóór gebruik.
  4. Bevestig de PP buis met het bovenstaande gemengd sol aan de dompelen machine die wordt gebruikt voor unidirectionele bevriezing. De relevante parameters instellen en beginnen met de PP buis dompelen in een tank met vloeibare stikstof (196 ° c.) met een constante snelheid van 20 cm h-1.
  5. Snij het PP buis gedeelte met een zaag, en barst het bevroren gedeelte van de TOCN-SOCF sol in verschillende secties. Bevriezen droog deze secties met een freeze-drying machine bij-10 ° C gedurende 1 dag, dan bij-5 ° C gedurende 1 dag, en ten slotte bij 0 ° C voor 1 dag. De MASSIEF VERNAGELDE houten muren-TOCN/SOCF werd verkregen als een wit-grijs-monoliet.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De morphologies voor de verschillende posities van de MASSIEF VERNAGELDE houten muren-TOCN in de richting van unidirectionele bevriezing worden onderzocht en afgebeeld in Figuur 2. Met het standpunt wordt verder weg van het onderste gedeelte van het Massief Vernagelde houten muren-TOCN, een geleidelijke morfologie verandering werd geopenbaard (Figuur 2, discussie). Door de invoering van een tweede element in de T...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De meest kritische stap voor de verwezenlijking van de MHMs is de unidirectionele bevriezing stap, tijdens welke water stolt om te vormen in kolomvorm ijskristallen en duw de dispersoid opzij naar het kader vormen. De unidirectionele vriesproces omvat in principe thermische overdracht tussen de voorloper sol en de koelvloeistof. In onze opstelling, werd een onderdompelende machine gebruikt voor het invoegen van een PP buis met een sol voorloper in de koelvloeistof (vloeibare stikstof) met een constante snelheid. Omdat vl...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd gesteund door de nationale fundamentele onderzoek programma van China (2014CB932400), National Natural Science Foundation of China (nrs. 51525204 en U1607206) en Shenzhen Basic onderzoeksproject (nr. JCYJ20150529164918735). Ook bedank wij Daicel-Allnex Ltd. en JSR Co. voor vriendelijk gegevensverstrekkende polyurethanen en styreen butadieenrubber, respectievelijk.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Nadelholz Bleached Kraft PulpSeioko PMC companyCSF=600
TEMPOMacklin Inc.T81912998%
NaBrMacklin Inc.S818075AR, 99%
NaClOAladin Inc.S1016366-14 wt% active chlorine basis
SBR colloidJSR corp.TRD102A48.5 wt%
TiO2Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.A63725402crystalline anatase phase
carbon fiberShenzhen Xian’gu Ltd.XGCP-300
Nitric acidHuada Reagent Ltd.7697-37-265-68 wt%
MixerScientific Industries, IncG-560the mixer 
Mechanical blenderWaring Lab Ltd.MX1000XTXVoor het desintegreren van cellulosebundels in nanovezels.
HomogenizerScientz Ltd.HXF-DYVoor het dispergeren van TiO2 nanodeeltjes
pH meter Horiba Ltd.F-74BW

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nishihara, H., Mukai, S. R., Yamashita, D., Tamon, H. Ordered macroporous silica by ice templating. Chem. Mater. 17, 683-689 (2005).
  2. Mukai, S. R., Nishihara, H., Yoshida, T., Taniguchi, K., Tamon, H. Morphology of resorcinol-formaldehyde gels obtained through ice-templating. Carbon. 43 (7), 1563-1565 (2005).
  3. Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Porous microfibers and microhoneycombs synthesized by ice templating. Catal. Surv. Asia. 10 (3-4), 161-171 (2006).
  4. Nishihara, H., et al. Preparation of monolithic SiO2-Al2O3 cryogels with inter-connected macropores through ice templating. J. Mater. Chem. 16 (31), 3231-3236 (2006).
  5. Mukai, S. R., Mitani, K., Murata, S., Nishihara, H., Tamon, H. Assembling of nanoparticles using ice crystals. Mater. Chem. Phys. 123 (2), 347-350 (2010).
  6. Cui, K., et al. Self-assembled microhoneycomb network of single-walled carbon nanotubes for solar cells. J. Phy. Chem. Lett. 4 (15), 2571-2576 (2013).
  7. Xu, T., Wang, C. -A. Effect of two-step sintering on micro-honeycomb BaTiO3 ceramics prepared by freeze-casting process. J. Eur. Ceram. Soc. 36 (10), 2647-2652 (2016).
  8. Yoshida, S., et al. CO2 Separation in a flow system by silica microhoneycombs loaded with an ionic liquid prepared by the ice-templating method. Ind. Eng. Chem. Res. 56 (10), 2834-2839 (2017).
  9. Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Formation of monolithic silica gel microhoneycombs (SMHs) using pseudosteady state growth of microstructural ice crystals. Chem. Commun. (7), 874-875 (2004).
  10. Gutie´rrez, M. C., et al. Macroporous 3D Architectures of Self-Assembled MWCNT Surface Decorated with Pt Nanoparticles as Anodes for a Direct Methanol Fuel Cell. J. Phys. Chem. C. 111, 5557-5560 (2007).
  11. Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Morphology maps of ice-templated silica gels derived from silica hydrogels and hydrosols. Micropor. Mesopor. Mat. 116 (1-3), 166-170 (2008).
  12. Okaji, R., Taki, K., Nagamine, S., Ohshima, M. Preparation of porous honeycomb monolith from UV-curable monomer/dioxane solution via unidirectional freezing and UV irradiation. J. Appl. Polym. Sci. 125 (4), 2874-2881 (2012).
  13. Pan, Z. -Z., et al. Cellulose nanofiber as a distinct structure-directing agent for xylem-like microhoneycomb monoliths by unidirectional freeze-drying. ACS Nano. 10 (12), 10689-10697 (2016).
  14. Saito, T., Nishiyama, Y., Putaux, J. -L., Vigon, M., Isogai, A. Homogeneous Suspensions of Individualized Microfibrils from TEMPO-Catalyzed Oxidation of Native Cellulose. Biomacromolecules. 7 (6), 1687-1691 (2006).
  15. Saito, T., Kimura, S., Nishiyama, Y., Isogai, A. Cellulose Nanofibers Prepared by TEMPO-Mediated Oxidation of Native Cellulose. Biomacromolecules. 8, 2485-2491 (2007).
  16. Bekyarova, E., et al. Multiscale carbon nanotube− carbon fiber reinforcement for advanced epoxy composites. Langmuir. 23, 3970-3974 (2007).
  17. Nishihara, H. Study on the simultaneous control of the nanostructure and morphology of the porous materials prepared via the ice-templating method [D]. , Kyoto University. Kyoto. (in Japanese) (2005).
  18. Zhang, R., et al. Three-dimensional porous graphene sponges assembled with the combination of surfactant and freeze-drying. Nano Research. 7 (10), 1477-1487 (2014).
  19. Tao, Y., et al. Towards ultrahigh volumetric capacitance: graphene derived highly dense but porous carbons for supercapacitors. Sci. Rep. 3, 2975(2013).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Cellulose nanovezel solcomposiet MHM sstructuursturend agensfiltratoepassingenkatalysatordragerflowbatterijensensortoepassingenbio scaffoldmaterialen

Gerelateerde artikelen