Методическая статья

Microhoneycomb монолиты, подготовленный однонаправленный для нановолокно целлюлозы на основе Sols: метод и расширений

DOI:

10.3791/57144

⸱

24 мая 2018 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

Здесь мы представляем общий протокол для подготовки различных microhoneycomb монолиты (МЗМО) в котором жидкость может пройти через с чрезвычайно низкий перепад давления. МЗМО получил, как ожидается, будут использованы в качестве фильтров, катализатор поддерживает, электроды типа потока, датчики и подмости для биоматериалов.

Аннотация

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

Монолитные Сотовые структуры были привлекательными для междисциплинарных областях из-за их высокое отношение прочности к весу. Особенно монолиты (МЗМО) microhoneycomb с каналами микрометр шкала ожидается как эффективной платформы для реакции и увольнения из-за их большой площади поверхности. До сих пор были подготовлены МЗМО методом однонаправленный паром для лиофильной сушки (UDF) только с очень ограниченным прекурсоров. Здесь мы приводим протокола, из которого можно получить ряд МЗМО, состоящий из различных компонентов. Недавно мы нашли что целлюлоза nanofibers функции как собственный агент структуры направляющих к формированию МЗМО через процесс UDF. Путем смешивания nanofibers целлюлозы с воды растворимых веществ, которые не дают МЗМО, может быть подготовлен целый ряд композитных МЗМО. Это значительно обогащает химический состав МЗМО к универсальным приложениям.

Введение

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

Как совершенно новый материал microhoneycomb Монолит (обозначается MHM) недавно привлекла к себе огромное внимание от междисциплинарных областях1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8. MHM впервые был подготовлен S. Мукаи et al. через модифицированный подход однонаправленный паром для лиофильной сушки (UDF) как монолит с массивом прямой микроканалов с Сота подобных сечений9. MHM обладает общие преимущества сотовых конструкций, то есть, эффективной тесселяции, высокое отношение прочности к весу и низкий перепад давления. Кроме того по сравнению с сотовым монолит с большим размером канала, МХМ имеет гораздо большую площадь конкретной поверхности. UDF метод предполагает однонаправленный роста кристаллов льда и одновременного фазовое разделение после замораживания. После удаления кристалликов льда получается твердый компонент литой кристалл льда. Морфология, образующихся при разделение фаз зависит от внутренней природы прекурсоров (соль или гель) и в большинстве случаев, ламель10, волокна11, и fishbone12 структуры, вероятно, в форме вместо МЗМО. В результате формирования МЗМО поступили только в ограниченных прекурсоров, и это значительно затрудняет разнообразие их химические свойства. Мы недавно обнаружил, что nanofibers целлюлозы имеют сильные структуры направляющие функции к формирования структуры MHM через UDF процесса13. Просто путем смешивания nanofibers целлюлозы с другими компонентами воды дисперсных, можно приготовить разнообразные МЗМО с различными химическими свойствами. Кроме того их внешней формы и размеры канала являются гибко и легко контролируемых13. Таким образом ожидается, что быть использованы как фильтры, опоры катализатора, электроды типа потока, датчики и подмости для биоматериалов МЗМО.

В этой статье мы сначала объяснить основные подготовки техника МЗМО из водорастворимых целлюлозы nanofibers через UDF процесс в деталях. Кроме того мы демонстрируем подготовку нескольких различных типов составных МЗМО.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Подготовка 1 wt % 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (темп)-опосредованной окисленной целлюлозы нановолокно (TOCN) соль

Примечание: Соль определяется как коллоидное подвеска очень мелких твердых частиц в непрерывной жидкой среде.

  1. Приостановить 66,7 г мякоти отбеленной Крафт Nadelholz (NBKP, содержащий 12 g целлюлозы) в 700 мл деонизированной воды (ди) с механической мешалкой при 300 об/мин за 20 мин.
  2. Медленно добавьте 20 мл водного раствора темп (содержащих 0,15 г темп) и 20 мл водного раствора NaBr (содержащие 1.5 g NaBr) подвеска выше NBKP,14,,15.
  3. Отрегулируйте рН выше подвеска до приблизительно 10,5 (измеряется с pH meter) с медленно добавляя 3,0 М растворе NaOH.
  4. Медленно добавьте примерно 63.8 г водного раствора NaClO (с 6-14 wt % активного хлора) с пипеткой выше смеси для начала темп опосредованной окисления.
  5. При добавлении NaClO, продолжайте добавление NaOH решение сохранить pH системы в диапазоне от 10,0 до ~ 10,5. Этот процесс занимает около 2,5 часов.
  6. Промойте темп опосредованной окисленной целлюлозы волокна с ди воды 3 раза (1200 мл воды ди каждый раз) чтобы удалить остаточные NaClO, NaOH и других химических веществ.
  7. Лечить паста с мощной механической блендер с распадаются окисленной целлюлозы волокна на основе нановолокон. Осуществить механической обработки тщательно несколько раз вместе с добавлением равным количеством воды. Наконец получается 1 wt % темп опосредованной окисленной целлюлозы нановолокно (TOCN) соль. TOCNs имеют диаметр от 4 до ~ 6 Нм и длиной 0,5 до ~ 2 мкм.
  8. Магазин 1 Сол TOCN wt % при температуре 4 ° C (целлюлоза, nanofibers, как правило, гниют при температуре).

2. Подготовка TOCN-бутадиен-стирольного каучука (SBR) смешанные соль

  1. Добавление 0,21 g SBR коллоидной (48,5 wt %) в 10 g 1 wt % TOCN соль (шаг 11.7.) в 20 мл стеклянный сосуд.
  2. Агитируйте выше смеси 3 мин с вихревой смеситель на уровне мощности 6 для достижения равномерно распределенные sol. магазина выше соль смесь на 4 ° C перед использованием.

3. Подготовка TOCN-TiO2 смешанные Sol

  1. Добавить 0,1 г TiO2 наночастиц (с средний размер частиц 20 Нм) в 10 g 1 wt % TOCN соль в стеклянный сосуд 20 мл.
  2. Агитируйте выше смеси с гомогенизатор для 10 мин для достижения равномерно смешанные sol. выполнять это 10 мин процесса с перерывами, поскольку значительное количество тепла генерируется в процессе и приводит к росту температуры, что может ухудшить TOCNs. Храните смесь соль на 4 ° C перед использованием.

4. Подготовка TOCN-поверхность окисленной углеродного волокна (SOCF) смешанная Золи

  1. Рефлюкс 1.7 g углеродного волокна (300 сетки, с диаметром 5,5 до ~6.0 мкм и длиной около 50 мкм) в 150 мл концентрированной азотной кислоты на 60 ° C в течение 6 ч для достижения SOCF16. Добавьте 0,01 g выше SOCF в 10 g 1 wt % TOCN соль внутри судна стекла 20 мл.
  2. Коктейль-выше смеси и ультра sonicate смесь для 5 мин для достижения равномерно смешанные sol. Store соль смесь на 4 ° C перед использованием.

5. Подготовка Монолит Microhoneycomb от 1 wt % TOCN соль (обозначается МХМ TOCN)

  1. Загрузить из полипропилена (PP) трубка (с внутренним диаметром 13 мм, наружным диаметром 15 мм и длиной 150 мм) с стеклярусом и заполнить нижнюю часть 5 см трубка13.
  2. Загрузить определенную сумму (сумма не контролируется каждый раз, но это обычно больше, чем 2,7 мл для обеспечения процесса последующей резки) 1 Сол TOCN wt % PP трубу выше, содержащие стеклянные бусины.
    Примечание: TOCN соль непосредственно заполнены в PP трубу без розлива в стеклянные бусы для изучения эффекта расстояние, которое участвует в процессе замораживания однонаправленный. В этом случае количество TOCN соль было 11 мл.
  3. Осторожно удалите пузырьки, которые возможно были созданы во время загрузки соль. Держите PP трубка, содержащая TOCN соль на 4 ° C на ночь перед использованием.
  4. Прикрепите выше PP трубка, содержащая TOCN соль с погружением машины, которая используется для однонаправленного замораживания. Установите соответствующие параметры и начать погружение трубка PP в термо кувшин, содержащие жидкого азота (-196 ° C) с постоянной скоростью 50 см h-1 (рис. 1).
  5. Вырезать часть трубы PP с пилой и трещины части замороженных соль TOCN в несколько разделов. Заморозить сухой эти разделы с машиной Плаурайта на-10 ° C на 1 день, а затем на-5 ° C на 1 день и, наконец, при 0 ° C за 1 день. MHM-TOCN был получен как белого цвета монолиты (рис. 1).

6. Подготовка Монолит Microhoneycomb от TOCN-SBR смешанные Sol (обозначается МХМ TOCN/SBR) и TOCN-TiO2 смешанные Sol (обозначается МХМ TOCN/TiO2 )

  1. Загрузить из полипропилена (ПП) трубы (с внутренним диаметром 13 мм, наружным диаметром 15 мм и длиной 150 мм) с стеклянные бусины, заполнение 5 см в нижней части трубы.
    Примечание: Для покрытия области, где происходит рост кристалла нестационарных льда, для достижения единообразного морфология результирующей выборки используются стеклянные бусы. Размер и поверхностные свойства бисер не влияет на морфологию результирующей выборки.
  2. Загрузить определенную сумму (сумма не контролируется каждый раз, но это обычно больше, чем 2,7 мл для обеспечения процесса последующей резки) из TOCN-SBR смешанные соль или TOCN-TiO2 смешанных соль в PP трубки содержащий стеклянные бусины.
  3. Осторожно удалите пузырьки, которые возможно были созданы во время загрузки соль. Держите PP пробирки, содержащие выше смешанные соль на 4 ° C на ночь перед использованием.
  4. Прикрепите PP пробирки, содержащие выше смешанные Золи погружением машины, которая используется для однонаправленного замораживания. Установите соответствующие параметры и начать погружение трубка PP в танк, содержащие жидкого азота (-196 ° C) с постоянной скоростью 20 см h-1.
  5. Вырезать часть трубы PP с пилой и трещины замороженных TOCN-SBR смешанная часть соль на несколько разделов.
  6. Заморозить сухой эти разделы с машиной Плаурайта на-10 ° C на 1 день, а затем на-5 ° C на 1 день и, наконец, при 0 ° C за 1 день. MHM-TOCN/SBR и МХМ-TOCN/TiO2 были получены как белый монолитов.

7. Подготовка Монолит Microhoneycomb от TOCN-SOCF смешанные Sol (обозначается МХМ TOCN/SOCF)

  1. Загрузите из полипропилена (PP) трубка с (внутренний диаметр 13 мм) и наружным диаметром 15 мм и длиной 150 мм с стеклянные бусины, заполнение 5 см в нижней части трубки.
  2. Загрузить определенную сумму (сумма не контролируется каждый раз, но это обычно больше, чем 2,7 мл для обеспечения процесса последующей резки) из TOCN-SOCF смешанные соль в выше PP трубка, содержащая стеклянные бусины.
  3. Осторожно удалите пузырьки, которые возможно были созданы во время загрузки соль. Держите PP трубка, содержащая выше смешанные соль на 4 ° C на ночь перед использованием.
  4. Прикрепите PP трубка, содержащая выше смешанные соль погружением машины, которая используется для однонаправленного замораживания. Установите соответствующие параметры и начать погружение трубка PP в танк, содержащие жидкого азота (-196 ° C) с постоянной скоростью 20 см h-1.
  5. Вырезать часть трубы PP с пилой и трещины части замороженных TOCN-SOCF-соль на несколько разделов. Заморозить сухой эти разделы с машиной Плаурайта на-10 ° C на 1 день, а затем на-5 ° C на 1 день и, наконец, при 0 ° C за 1 день. MHM-TOCN/SOCF был получен как Монолит бело серый.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Морфологии для различных позиций МХМ-TOCN в направлении однонаправленный замораживания расследуются и показано на рисунке 2. С позиции, что дальше от нижней части МХМ-TOCN, было выявлено изменения постепенно морфологии (Рисунок 2, обсуждения). Путем введения второй компонент в TOCN соль формировать Сол однородной смеси, можно приготовить различные виды композитных МЗМО. Например готовятся композитный МЗМО включая...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Наиболее важным шагом для достижения МЗМО является однонаправленным замораживания шаг, во время которого вода застывает образуют кристаллы льда столбчатых и нажмите Диспергированых сторону, чтобы сформировать рамки. Однонаправленный процесс замораживания в основном включает в себя термотрансферные между соль прекурсоров и охлаждающей жидкости. В нашей установки погружением машины был использован для вставки PP труба, содержащие соль прекурсоров в охлаждающей жидкости (жидкий азот) с постоянной скоростью. Так как все врем...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана национальных базовых исследований программа Китая (2014CB932400), национальные естественные науки фонд Китая (№ 51525204 и U1607206) и Шэньчжэнь, основной исследовательский проект (No. JCYJ20150529164918735). Кроме того мы хотели бы поблагодарить Daicel-Allnex Ltd. и JSR Co. за любезно поставляя полиуретанов и бутадиен-стирольного каучука, соответственно.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Nadelholz Bleached Kraft PulpSeioko PMC компанияCSF=600
TEMPOMacklin Inc.T81912998%
NaBrMacklin Inc.S818075AR, 99%
NaClOAladin Inc.S1016366-14 мас.% активного хлора
SBR коллоидJSR corp.TRD102A48,5 масс
TiO2Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.A63725402кристаллическое углеродное волокно в анатазной фазе
Shenzhen Xian' ООО «Гу»XGCP-300
Реагент Хуада с азотной кислотой7697-37-265-68 wt%
MixerScientific Industries, IncG-560смеситель 
Механический блендерWaring Lab Ltd.MX1000XTXДля распада пучков целлюлозы на нановолокна.
ГомогенизаторScientz Ltd.HXF-DYДля диспергирования измерителя pH наночастиц TiO2
ООО «Хориба»F-74BW
%

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи