Summary
Nous présentons ici un protocole général pour préparer une variété de monolithes de microhoneycomb (MHMs) où le liquide peut passer à travers avec une chute de pression extrêmement faible. MHMs obtenus sont censés être utilisés comme filtres, supports de catalyseur, électrodes de débit-type, des capteurs et des échafaudages pour les biomatériaux.
Abstract
Structures alvéolaires monolithiques ont été attrayants aux champs pluridisciplinaires en raison de leur rapport résistance / poids élevé. En particulier, monolithes de microhoneycomb (MHMs) avec les chaînes de l’échelle du micromètre sont attendus comme des plates-formes efficaces pour les séparations et les réactions en raison de leurs grandes surfaces. Jusqu'à présent, les MHMs ont été préparés par une méthode unidirectionnelle de lyophilisation (UDF) qu’à partir de précurseurs très limitées. Ici, nous présentons un protocole auprès duquel une série de MHMs, consistant en différentes composantes peut être obtenue. Récemment, nous avons trouvé cette fonction de nanofibres cellulose comme agent de mise en scène structure distinct vers la formation de MHMs à travers le processus de l’UDF. En mélangeant les nanofibres de cellulose avec des substances solubles dans l’eau qui ne donnent pas de MHMs, une variété de MHMs composites peut être préparée. Cela enrichit considérablement la constitution chimique des MHMs vers les applications polyvalentes.
Introduction
Comme un matériel flambant neuf, monolithe de microhoneycomb (noté MHM) a récemment attiré l’attention énorme des domaines multidisciplinaires1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8. le MHM, tout d’abord établi par S. Mukai et coll. grâce à une approche unidirectionnelle de lyophilisation (UDF) mis à jour le comme un monolithe avec un tableau de microcanaux droites avec des coupes transversales en nid d’abeille-comme9. MHM possède les avantages généraux de structures nid d’abeille, c.-à-d., pavage efficace, rapport résistance / poids élevé et faible chute de pression. Par ailleurs, en comparaison avec le monolithe en nid d’abeille avec une plus grande taille de canal, le MHM a une beaucoup plus grande surface spécifique. La méthode UDF suppose la croissance unidirectionnelle de cristaux de glace et de la séparation de phase simultanée à la congélation. Après l’enlèvement des cristaux de glace, on obtient un composant solide moulé par un cristal de glace. La morphologie formée dès la séparation de phase dépend de la nature intrinsèque du précurseur (sol ou gel) et dans la plupart des cas, lamelle10, fibre11et fishbone12 structures sont susceptibles de former plutôt que des MHMs. Ainsi, la formation du MHMs a signalé qu’en précurseurs limités, et cela a considérablement entravé la diversité de leurs propriétés chimiques. Nous avons récemment découvert que les nanofibres de cellulose ont une fonction de structure de mise en scène forte vers formant la structure MHM à travers le processus UDF13. Tout simplement en mélangeant les nanofibres de cellulose avec d’autres composants de l’eau susceptible de dispersion, il est possible de préparer une variété de MHMs avec des propriétés chimiques différentes. En outre, leurs formes extérieures et les tailles de canal sont souple et facilement contrôlé13. Ainsi, les MHMs sont censés servir de filtres, supports de catalyseurs, électrodes de type flux, capteurs et échafaudages pour les biomatériaux.
Dans cet article, nous expliquons tout d’abord la technique de préparation de base du MHMs de la dispersion aqueuse de nanofibres cellulose à travers le processus de l’UDF en détail. En outre, nous démontrons la préparation de différents types de composites MHMs.
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Protocol
1. préparation de 1 wt % 2,2,6,6-tétra-tétraméthylpipéridine-1-oxyl (TEMPO)-médiée par la Cellulose oxydée nanofibres (TOCN) Sol
NOTE : Le sol est défini comme une suspension colloïdale de très petites particules solides dans un milieu liquide continu.
- Suspendre les 66,7 g de pâte de Kraft blanchi Nadelholz (NBKP, contenant 12 g de cellulose) dans 700 mL d’eau désionisée de (DI) avec un agitateur mécanique à 300 tr/min pendant 20 min.
- Ajouter 20 mL de solution aqueuse de TEMPO (contenant 0,15 g de TEMPO) et 20 mL de solution aqueuse de NaBr (contenant 1,5 g de NaBr) lentement le14,de suspension qui précède NBKP15.
- Ajuster le pH de la suspension ci-dessus d’environ 10,5 (mesurée avec un pH-mètre) avec l’ajout d’une solution de NaOH 3,0 M lentement.
- Ajouter lentement environ 63,8 g de solution aqueuse de NaClO (avec 6-14 wt % de chlore actif) avec une pipette pour le mélange ci-dessus pour commencer l’oxydation induite par le TEMPO.
- Lors de l’ajout de NaClO, continuez à ajouter la solution de NaOH pour maintenir le pH du système dans la plage de 10,0 à ~ 10,5. Ce processus dure environ 2,5 heures.
- Rincer les fibres de cellulose oxydée induite par le TEMPO avec l’eau distillée 3 fois (1 200 mL d’eau DI chaque fois) pour éliminer le NaClO résiduelle, NaOH et autres produits chimiques.
- Traiter la pâte avec un mélangeur mécanique puissant à se désintégrer les fibres de cellulose oxydée en nanofibres. Effectuer le traitement mécanique soigneusement plusieurs fois accompagné d’une addition d’une quantité égale d’eau. Enfin, un 1 % en poids sol nanofibres (TOCN) cellulose oxydée induite par le TEMPO est obtenue. Les TOCNs ont un diamètre de 4 à 6 ~ nm et une longueur de 0,5 à 2 ~ μm.
- Stocker le sol TOCN wt % 1 à 4 ° C (cellulose nanofibres ont tendance à se décomposer à température ambiante).
2. préparation du TOCN-styrène butadiène (SBR) mixte Sol
- Ajouter 0,21 g de colloïde SBR (48,5 % en poids) dans 10 g de 1 sol TOCN % wt (étape 11,7.) dans un récipient en verre 20 mL.
- Agiter le mélange ci-dessus pendant 3 min avec un Vortex, le niveau de puissance de 6 pour obtenir un sol uniformément dispersée magasin le sol mélange ci-dessus à 4 ° C avant utilisation.
3. préparation du TOCN-TiO2 mixte Sol
- Ajouter 0,1 g de nanoparticules de2 TiO (ayant une granulométrie moyenne de 20 nm) dans 10 g de 1 sol TOCN % wt dans un vase de verre de 20 mL.
- Agiter le mélange ci-dessus avec un homogénéisateur pendant 10 min à réaliser un sol uniformément mixte effectuer ce 10 min-processus par intermittence, puisqu’une quantité importante de chaleur est générée dans le processus et se traduit par l’augmentation de la température, ce qui peut dégrader la TOCNs. Stocker le sol de mélange à 4 ° C avant utilisation.
4. préparation de la surface TOCN oxydé en fibre de carbone (SOCF) mélangé de Sols
- 1,7 g de fibre de carbone (300 mesh, d’un diamètre de 5,5 à ~6.0 μm et une longueur d’environ 50 μm) dans 150 mL d’acide nitrique concentré à 60 ° C pendant 6 h atteindre SOCF16de reflux. Ajouter 0,01 g de la SOCF ci-dessus dans 10 g de 1 sol TOCN % wt à l’intérieur d’un vase de verre de 20 mL.
- Shake-mix le mélange ci-dessus et ultra-laisser agir le mélange pendant 5 min pour obtenir un sol uniformément mixte magasin le sol de mélange à 4 ° C avant utilisation.
5. préparation du monolithe de Microhoneycomb de la 1 wt % TOCN Sol (notée MHM-TOCN)
- Charger un tube en polypropylène (PP) (avec un diamètre intérieur de 13 mm, un diamètre extérieur de 15 mm et une longueur de 150 mm), perles de verre et remplir la partie inférieure de 5 cm du tube13.
- Charger une certaine quantité (la quantité n’est pas contrôlée à chaque fois, mais il est normalement supérieure à 2,7 mL pour assurer l’usinage ultérieur) de la 1 sol TOCN % wt dans le petit tube PP contenant des billes de verre.
NOTE : Sol TOCN était rempli directement dans le tube PP sans verser dans des billes de verre pour l’étude de l’effet de la distance qui a été impliqué dans le processus de congélation unidirectionnel. Dans ce cas, la quantité de sol TOCN était de 11 mL. - Retirer délicatement les bulles qui peuvent avoir été générées lors du chargement de sol. Gardez le tube PP contenant le sol TOCN à 4 ° C pendant une nuit avant utilisation.
- Fixez le petit tube PP contenant le sol TOCN à la machine à pendage qui est utilisée pour la congélation unidirectionnelle. Réglez les paramètres pertinents et commencer à plonger le tube PP dans un thermos contenant de l’azote liquide (-196 ° C) à une vitesse constante de 50 cm h-1 (Figure 1).
- Couper la partie de tube PP avec une scie et casser la partie de sol gelée TOCN en plusieurs sections. Geler sec ces sections avec une machine de lyophilisation à-10 ° C pendant 1 jour, puis à-5 ° C pendant 1 jour et enfin à 0 ° C pendant 1 nuit. Le MHM-TOCN a été obtenue comme monolithes de couleur blanche (Figure 1).
6. préparation du monolithe de Microhoneycomb de la TOCN-SBR mélangé Sol (notée MHM-TOCN/SBR) et TOCN-TiO2 mixte Sol (notée MHM-TOCN/TiO2 )
- Charge en polypropylène (PP) tubes (avec un diamètre intérieur de 13 mm, un diamètre extérieur de 15 mm et une longueur de 150 mm) avec des perles de verre, la partie inférieure de 5 cm des tubes de remplissage.
Remarque : Les perles de verre sont utilisés pour couvrir la zone où la croissance de cristaux de glace instable se produit, pour atteindre la morphologie uniforme de l’échantillon qui en résulte. La taille et la surface propriété des perles verre n’affectent pas la morphologie de l’échantillon qui en résulte. - Certaine quantité de charge (le montant n’est pas contrôlé à chaque fois, mais il est normalement supérieure à 2,7 mL pour assurer l’usinage ultérieur) de la TOCN-SBR mixé sol ou TOCN-TiO2 sol mixte dans le PP tubes contenant des perles de verre.
- Retirer délicatement les bulles qui peuvent avoir été générées lors du chargement de sol. Garder les tubes PP contenant ce qui précède mixte sol à 4 ° C pendant une nuit avant utilisation.
- Fixez les tubes PP contenant ce qui précède mélangé des sols à la machine à pendage qui est utilisée pour la congélation unidirectionnelle. Réglez les paramètres pertinents et commencer à plonger le tube PP dans un réservoir contenant de l’azote liquide (-196 ° C) à une vitesse constante de 20 cm h-1.
- Couper la partie de tube PP avec une scie et le crack le congelé TOCN-SBR mélangé la partie du sol en plusieurs sections.
- Geler sec ces sections avec une machine de lyophilisation à-10 ° C pendant 1 jour, puis à-5 ° C pendant 1 jour et enfin à 0 ° C pendant 1 nuit. Le MHM-TOCN/SBR et MHM-TOCN/TiO2 ont été obtenues comme monolithes blancs.
7. préparation du monolithe de Microhoneycomb de la TOCN-SOCF mixte Sol (notée MHM-TOCN/SOCF)
- Charger un tube en polypropylène (PP) (diamètre intérieur de 13 mm) et un diamètre extérieur de 15 mm et une longueur de 150 mm avec des perles de verre, la partie inférieure de 5 cm du tube de remplissage.
- Certaine quantité de charge (le montant n’est pas contrôlé à chaque fois, mais il est normalement supérieure à 2,7 mL pour assurer l’usinage ultérieur) de la TOCN-SOCF mixte sol dans le petit tube PP contenant des billes de verre.
- Retirer délicatement les bulles qui peuvent avoir été générées lors du chargement de sol. Gardez le tube PP contenant ce qui précède mixte sol à 4 ° C pendant une nuit avant utilisation.
- Fixez le tube PP contenant ce qui précède mélangé le sol à la machine à pendage qui est utilisée pour la congélation unidirectionnelle. Réglez les paramètres pertinents et commencer à plonger le tube PP dans un réservoir contenant de l’azote liquide (-196 ° C) à une vitesse constante de 20 cm h-1.
- Couper la partie de tube PP avec une scie et casser la partie de sol gelée TOCN-SOCF en plusieurs sections. Geler sec ces sections avec une machine de lyophilisation à-10 ° C pendant 1 jour, puis à-5 ° C pendant 1 jour et enfin à 0 ° C pendant 1 nuit. Le MHM-TOCN/SOCF a été obtenue comme un monolithe blanc-gris.
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Representative Results
Les morphologies pour différentes positions de la MHM-TOCN le long de la direction de congélation unidirectionnelle sont étudiées et illustrés à la Figure 2. Avec la position étant plus éloignée de la partie inférieure de la MHM-TOCN, un changement de morphologie progressive a été révélé (Figure 2, Discussion). En introduisant un second composant dans le sol TOCN pour former un sol mélange homogène, il est possible de préparer différentes sortes de MHMs composites. Par exemple, MHMs composites incluant SBR (Figure 3 a), TiO2 (Figure 3 b), ou même fibre de carbone (Figure 4) sont préparés.
Figure 1 : schématique de la préparation du MHM-TOCN par approche de lyophilisation unidirectionnel. Le gel unidirectionnel est réalisé avec une machine à pendage illustrée à gauche. Après la congélation unidirectionnelle, lyophilisation a été réalisée avec une freeze-drier de céder le MHM-TOCN. Ce chiffre a été modifié par Pan, z-Z. et al. 13. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : caractérisation morphologique des différentes positions de MHM-TOCN. (a) schéma avec marques étiquetage selon la position du MHM-TOCN. (b-h) Images de la SEM de la section transversale de la MHM-TOCN avec une distance vers le bas (la pointe) de la MHM-TOCN de 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 cm, respectivement. (j’ai) SEM image de la section longitudinale de la MHM-TOCN. Notez que dans une expérience typique de l’UDF, perles de verre sont toujours utilisés pour remplir la partie inférieure de 5 cm du tube PP avant de charger le sol le blocage unidirectionnel, afin que les Pseudo-constante croissance de cristaux de glace est possible. Cependant, ici, sol TOCN était directement rempli dans le tube PP sans coulage en perles de verre tout d’abord pour étudier l’effet de la distance qui a impliqué dans le processus de congélation unidirectionnel. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : caractérisation morphologique sur deux composites MHM. (a et b) montrent les images de SEM sectionnelles croisées de (a) MHM-TOCN/SBR et (b) MHM-TOCN/TiO2, respectivement. Les EISN supérieur droit dans (a) et (b) sont des images optiques de MHM-TOCN/SBR et MHM-TOCN/TiO2, respectivement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : image SEM de MHM-TOCN/SOCF. L’image montre la structure novatrice avec SOCF reliant les parois voisines de microhoneycomb, et l’encart dans le contrôle image est une image optique du MHM-TOCN/SOCF.
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Discussion
L’étape la plus critique pour la réalisation des MHMs est l’étape de congélation unidirectionnelle, au cours de laquelle l’eau se solidifie pour former des cristaux de glace colonnaire et pousser le dispersoïdes côté pour former le cadre. Le processus de congélation unidirectionnel consiste essentiellement à transfert thermique entre le sol du précurseur et le liquide de refroidissement. Dans notre configuration, une machine à pendage servait à insérer un tube PP contenant un sol de précurseur dans le liquide de refroidissement (azote liquide) avec une vitesse constante. Étant donné que l’azote liquide conserve s’évaporer tout le temps, un gradient de température fluctuant est généré au-dessus du niveau de l’azote liquide. Avant de toucher le niveau liquide de l’azote, le tube PP connaît inévitablement échange thermique avec l’air froid au-dessus du niveau d’azote liquide, qui a causé la fluctuation de la température de la partie inférieure du tube PP. En outre, à toucher le niveau d’azote liquide, la température de la partie inférieure du tube PP immédiatement chuté à une température proche de celle de l’azote liquide (-196 ° C) et la partie adjacente aussi rapidement refroidi à la température de l’azote liquide . Ce n’est qu’une certaine position que du psudo-steady transfert thermique qui est liée au lieu commencé à prendre gel unidirectionnel. Après la congélation, le tube PP a été fissuré au large en sections pour la lyophilisation. Les sections ont été immédiatement transférées vers un puits froid comme la glace a tendance à fondre, ce qui entraînerait la détérioration de la morphologie des échantillons qui en résulte. En outre, le processus de lyophilisation a été soigneusement réalisé à une température inférieure à 0 ° C pour éviter la fonte de la glace. Nous avons observé des différentes positions d’un MHM-TOCN par dessus ses bas, comme sont illustrés dans la Figure 2 a. Postes (b-h) de 1 à 7 cm du bas ont été observés avec SEM, sont indiquées dans la Figure 2 b-h. La position (b) c’est 1 cm au-dessus du fond a une morphologie orientée vers le centre de la masse (Figure 2 b). Ceci est similaire à celle du monolithe préparé du plongeon du point de congélation13, qui implique l’échange de chaleur dominante le long du plan basal. De la position qui est de 2 cm du bas, une morphologie bien alignée en nid d’abeille a été obtenue (Figure 2c-h), montrant la croissance unidirectionnelle de cristaux de glace le long de la direction de la longueur du tube PP. Il convient de mentionner que la taille de la microhoneycomb a connu une augmentation évidente de la position (c) à (d) et maintenu constante par la suite. Ceci est attribué à l’effet de la distance, qui dans une position inférieure en position (c), un gradient de température plus élevé et une vitesse plus élevée et croissante de la de cristaux de glace17 étaient impliqués, ce qui conduit à petits cristaux de glace. Toutefois, à des positions plus élevées telles que position (d), l’effet de la distance n’est plus appliqué et le gradient de température est devenu relativement stables, ce qui conduit à une taille de canal stable de 10 μm. La taille du canal de la MHM-TOCN modifierait en fonction de la vitesse à pendage du tube PP, mais la morphologie microhoneycomb conservé13. La taille du canal pourrait être à l’écoute dans un rayon de 10 à ~ 200 μm13, et une plus grande ou une petite taille de canal ne sera possible avec la conception spéciale. 2i figure donne la morphologie de la MHM-TOCN le long de la section longitudinale, montrant la nature unidirectionnellement pénétrante de la MHM-TOCN. Cela diffère sensiblement des 3-dimensional structures poreuses qui ont été obtenues du réfrigérateur-congélation18 ou19de piégeage de l’azote liquide.
Le plus grand avantage de notre méthodologie est sa polyvalence dans le contrôle de la composition du monolithe qui en résulte. Nous avons trouvé que les TOCNs ont une forte tendance vers formant la structure MHM via le processus de l’UDF. Il suffit de préparer une variété de sol du mélange, une série de MHMs composites peut être atteint. Nous avons montré beaucoup d’exemples dans notre précédent rapport13. Un exemple typique est la combinaison d’un polymère soluble dans l’eau, et nous présentons un autre exemple-SBR ici, comme illustré à la Figure 3 a. Ces types de composites MHMs ont un mur lisse microhoneycomb, montrant une répartition homogène des éléments inclus. En outre, nous avons confirmé que le MHM-TOCN pourrait servir en tant que partisan des nanoparticules, comme illustré à la Figure 3 b. Un sol de précurseur de mélange de TOCNs et TiO2 nanoparticules ont donné un MHM bien ordonnée avec des nanoparticules de2 TiO adhère à la surface des murs microhomeycomb. Ceci peut être étendu pour préparer MHMs fonctionnels, y compris une variété de nanoparticules.
Enfin, notre méthodologie pourrait être étendu pour les constructions nouvelles avec l’infrastructure à l’intérieur les microcanaux. Nous avons trouvé qu’en introduisant une surface oxydée en fibre de carbone (SOCF) dans le sol de précurseur, un composite MHM avec SOCFs combler les parois voisines de microhoneycomb a été finalement obtenue à travers le processus de l’UDF (Figure 4). Bien que la nouvelle augmentation de la quantité de SOCF interfère avec la croissance de psudosteady de cristaux de glace qui mène à la MHM, le résultat actuel a démontré la faisabilité de cette méthodologie à utiliser pour explorer de nouvelles structures. Lorsqu’on atteint une structure plus dense avec une certaine dureté, une variété d’applications telles que le stockage de l’énergie peut être imaginée pour ces matériaux.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par la National base Research Programme of China (2014CB932400), Fondation de sciences naturelles nationales de la Chine (nos 51525204 et U1607206) et de Shenzhen base projet de recherche (no JCYJ20150529164918735). Aussi, nous aimerions remercier Daicel-Allnex Ltd. et JSR Co. pour polyuréthanes fournissant gracieusement et caoutchouc butadiène styrène, respectivement.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Nadelholz Bleached Kraft Pulp | Seioko PMC company | CSF=600 | |
| TEMPO | Macklin Inc. | T819129 | 98% |
| NaBr | Macklin Inc. | S818075 | AR, 99% |
| NaClO | Aladin Inc. | S101636 | 6-14 wt% active chlorine basis |
| SBR colloid | JSR corp. | TRD102A | 48.5 wt% |
| TiO2 | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. | A63725402 | crystalline anatase phase |
| carbon fiber | Shenzhen Xian’gu Ltd. | XGCP-300 | |
| Nitric acid | Huada Reagent Ltd. | 7697-37-2 | 65-68 wt% |
| Mixer | Scientific Industries, Inc | G-560 | the mixer |
| Mechanical blender | Waring Lab Ltd. | MX1000XTX | For disintegrating cellulose bundles into nanofibers. |
| Homogenizer | Scientz Ltd. | HXF-DY | For dispersing TiO2 nanoparticles |
| pH meter | Horiba Ltd. | F-74BW |
References
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