Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
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.
- 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.
- 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.
- Отрегулируйте рН выше подвеска до приблизительно 10,5 (измеряется с pH meter) с медленно добавляя 3,0 М растворе NaOH.
- Медленно добавьте примерно 63.8 г водного раствора NaClO (с 6-14 wt % активного хлора) с пипеткой выше смеси для начала темп опосредованной окисления.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- Добавление 0,21 g SBR коллоидной (48,5 wt %) в 10 g 1 wt % TOCN соль (шаг 11.7.) в 20 мл стеклянный сосуд.
- 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
- Добавить 0,1 г TiO2 наночастиц (с средний размер частиц 20 Нм) в 10 g 1 wt % TOCN соль в стеклянный сосуд 20 мл.
- 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
- 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.
- 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)
- 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.
- 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. - Осторожно удалите пузырьки, которые возможно были созданы во время загрузки соль. Держите PP трубка, содержащая TOCN соль на 4 ° C на ночь перед использованием.
- 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).
- 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 )
- 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. - 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.
- 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.
- 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.
- Вырезать часть трубы PP с пилой и трещины замороженных TOCN-SBR смешанная часть 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/SBR и МХМ-TOCN/TiO2 были получены как белый монолитов.
7. Подготовка Монолит Microhoneycomb от TOCN-SOCF смешанные Sol (обозначается МХМ TOCN/SOCF)
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 SBR (Рисунок 3А), TiO2 (рис. 3b), или даже углеродного волокна (рис. 4).
Рисунок 1: схема подготовки МХМ-TOCN однонаправленный подход Плаурайта. Однонаправленный замораживание производится с погружением машины, показано в левом. После замораживания однонаправленный, паром для лиофильной сушки была проведена с freeze-drier приносить МХМ-TOCN. Эта цифра была изменена с Пан, з-Z. и др. 13. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: морфологические характеристики различных позиций МХМ-TOCN. (a) схема с знаки маркировки различных позиций МХМ-TOCN. (b-h) SEM изображений сечения МХМ-TOCN с расстоянием на дно (кончик) МХМ-TOCN по 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 см, соответственно. (я) SEM изображение продольного сечения МХМ-TOCN. Обратите внимание, что в типичном эксперименте UDF, стеклянные бусины всегда используются для заполнения нижней части 5 см пп трубы перед загрузкой в соль для однонаправленного замораживания, так что псевдо-устойчивый рост кристаллов льда может быть достигнуто. Однако здесь, TOCN соль непосредственно заполнялся в PP трубу без розлива в стеклянные бусины сначала учиться расстояние эффект, который участвовал в однонаправленный процесс замораживания. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3: морфологические характеристики на двух MHM композиты. ( и b) показывают крест секционные SEM изображения () МХМ-TOCN/SBR и (b) МХМ-TOCN/TiO2, соответственно. Верхн правом вставками внутри (а) и (b) являются оптические изображения МХМ-TOCN/SBR и МХМ-TOCN/TiO2, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4: SEM образ МХМ-TOCN/SOCF. Изображение показывает структуру романа с SOCF соединения соседних microhoneycomb стены, и врезные в пределах изображения — оптическое изображение МХМ-TOCN/SOCF.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 время держит испарения жидкого азота, градиент температуры флюктуация генерируется выше уровень жидкого азота. Прежде чем касаться уровень жидкого азота, PP труба неизбежно пережила теплообмена с холодного воздуха выше уровень жидкого азота, который вызвала колебания температуры в нижней части трубы PP. Кроме того при прикосновении уровень жидкого азота, температура в нижней части трубы PP, сразу же упала до температуры, близкой к жидкого азота (-196 ° C) и прилегающая часть также быстро, охлаждают до температуры жидкого азота . Он не был до определенной позиции psudo устойчивый теплопроводности, связано с однонаправленной замораживания начал принимая место. После замораживания, PP труба был взломан покинуть в разделы для для. Разделы сразу же были переведены в холодный колодец как лед, как правило, оттепель, которая приведет к морфологии ухудшение результирующий образцов. Кроме того процесс Плаурайта тщательно проводилась при температуре, которая ниже 0 ° C во избежание оттаивания льда. Мы наблюдали различные позиции МХМ-TOCN сверху его снизу, как показано на рисунке 2А. Позиции (b-h), которые являются 1-7 см от дна были замечены с SEM, как показано на рисунке 2b-h. Позиция (b), 1 см от дна имеет ориентированной морфология к центру массы (рис. 2b). Это похоже на что Монолит, приготовленный из Плунге замораживание13, который включает в себя доминирующей теплообмена вдоль базальная плоскость. От позиции, которую 2 см от дна, хорошо выровненные Сота как морфология был получен (рис. 2 c-h), показаны однонаправленный роста кристаллов льда в направлении длины трубы PP. Следует отметить, что размер microhoneycomb испытывали явный рост с позиции (c) (d) и сохранить устойчивый впоследствии. Это приписывается расстояние эффект, который в более низкой позиции, как положение (c), градиент температуры выше и выше рост скорости кристаллы льда17 были вовлечены, что приводит к мелких кристалликов льда. Однако на более высокие должности таких, как положение (d), расстояние эффект больше не применяется и температурный градиент стала относительно стабильной, что приводит к устойчивый канал размером 10 мкм. Размер канала МХМ-TOCN бы изменить в соответствии с окуная скорость трубы PP, но морфология microhoneycomb сохранены13. Размер канала могут быть настроены в диапазоне от 10 до ~ 200 мкм13, и больший или меньший размер канала может быть достигнуто только со специальным дизайном. 2i рисунок дает морфология МХМ-TOCN вдоль продольных, показывая однополярно проникающего характера МХМ-TOCN. Это существенно отличается от 3-мерной пористых структур, которые были получены из холодильник замораживание18 или жидкий азот, закалки19.
Главное преимущество нашей методологии является его универсальность контролировать состав результате Монолит. Мы обнаружили, что TOCNs имеют сильную тенденцию к формирования структуры MHM через процесс UDF. Просто путем подготовки различных соль смесь, может быть достигнуто ряда составных МЗМО. Мы показали множество примеров в наших предыдущих доклада13. Типичным примером является сочетание с водорастворимый полимер, и мы представляем еще один пример SBR здесь, как показано на рисунке 3a. Эти типы составных МЗМО имеют гладкую microhoneycomb стены, показаны однородное распределение включенных компонентов. Кроме того мы подтвердили, что МХМ-TOCN может использоваться как сторонник для наночастиц, как показано на рисунке 3b. Соль – прекурсоров смесь TOCNs и TiO2 наночастиц принесли упорядоченной MHM с наночастицами TiO2 , придерживаясь поверхности стенок microhomeycomb. Это может быть продлен для подготовки функциональных МЗМО, включая разнообразные наночастиц.
Наконец Наша методология может быть продлен для новых конструкций с каркаса внутри микроканалов. Мы обнаружили, что путем введения поверхности окисленных углеродного волокна (SOCF) в соль прекурсоров, композитный MHM с SOCFs, преодоление соседней стены microhoneycomb в конечном итоге был получен через процесс UDF (рис. 4). Хотя дальнейшее увеличение количества SOCF мешает с psudosteady роста кристаллов льда, который приводит к MHM, настоящий результат продемонстрировал осуществимость этой методологии, которые будут использоваться для изучения новых структур. После плотной структуры с определенным прочность достигается, различных приложений, таких как хранение энергии можно представить эти материалы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
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.
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
- Nishihara, H., Mukai, S. R., Yamashita, D., Tamon, H. Ordered macroporous silica by ice templating. Chem. Mater. 17, 683-689 (2005).
- 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).
- Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Porous microfibers and microhoneycombs synthesized by ice templating. Catal. Surv. Asia. 10 (3-4), 161-171 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Saito, T., Kimura, S., Nishiyama, Y., Isogai, A. Cellulose Nanofibers Prepared by TEMPO-Mediated Oxidation of Native Cellulose. Biomacromolecules. 8, 2485-2491 (2007).
- Bekyarova, E., et al. Multiscale carbon nanotube− carbon fiber reinforcement for advanced epoxy composites. Langmuir. 23, 3970-3974 (2007).
- 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).
- 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).
- Tao, Y., et al. Towards ultrahigh volumetric capacitance: graphene derived highly dense but porous carbons for supercapacitors. Sci. Rep. 3, 2975 (2013).
