JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

نقدم هنا، بروتوكول عام لإعداد مجموعة متنوعة من كتل ميكروهونيكومب (تضعها) في السوائل التي يمكن أن تمر من خلال مع حدوث انخفاض ضغط منخفض للغاية. من المتوقع تضعها الحصول عليها لاستخدامها كمرشحات، ويدعم محفز، نوع تدفق كهربائي وأجهزة الاستشعار والسقالات للحيوية.

Abstract

وكانت هياكل العسل متآلف جذابة لحقول متعددة التخصصات بسبب ارتفاع نسبة القوة إلى الوزن. خاصة، من المتوقع كتل ميكروهونيكومب (تضعها) مع قنوات ميكرومتر على نطاق كمناهج فعالة لردود الأفعال والفواصل بسبب تلك المساحات السطحية الكبيرة. حتى الآن، تم إعداد تضعها بطريقة التجميد (UDF) أحادي الاتجاه فقط من السلائف محدودة للغاية. هنا، نحن تقرير بروتوكول التي يمكن الحصول على سلسلة من تضعها يتألف من عناصر مختلفة. في الآونة الأخيرة، وجدنا أن الدالة النانو السليلوز كعامل توجيه هيكل متميزة نحو تشكيل تضعها عن طريق عملية UDF. عن طريق خلط النانو السليلوز مع المواد القابلة للذوبان المياه التي لا تسفر عن تضعها، يمكن إعداد مجموعة متنوعة من تضعها المركب. وهذا يثري كثيرا دستور تضعها الكيميائية نحو التطبيقات المتنوعة.

Introduction

كمادة العلامة التجارية جديدة، متراصة ميكروهونيكومب (النطاق المرمز إليه مليسا) مؤخرا قد اجتذبت اهتماما هائلا من حقول متعددة التخصصات1،2،3،،من45، 6 , 7 , 8-"مليسا" أول أعدها موكاي س. et al. ، من خلال تعديل نهج أحادي الاتجاه التجميد (UDF) متراصة مع مجموعة ميكروتشانيلس على التوالي مع المقاطع العرضية مثل العسل9. وتمتلك مواردا مزايا عامة لهياكل العسل أيوالترصيع كفاءة، ونسبة عالية من القوة إلى الوزن، وانخفاض الضغط المنخفض. وعلاوة على ذلك، مقارنة مع متراصة العسل مع قناة أكبر حجماً، قد مليسا كثير أكبر سطح منطقة معينة. يتضمن الأسلوب UDF نمو بلورات الثلج وانفصال المتزامنة على تجميد أحادي الاتجاه. بعد إزالة بلورات الثلج، يتم الحصول على مكون صلب مصبوب بالكريستال الجليد. مورفولوجيا شكلت عند انتهاء مرحلة يعتمد على الطبيعة الجوهرية للسلائف (سول أو هلام)، وفي معظم الحالات، لوحة10،11من الألياف، وعظام السمكة12 هياكل من المحتمل أن تشكل بدلاً من تضعها. كنتيجة لذلك، أبلغ عن تشكيل تضعها في السلائف محدودة فقط، وهذا أعاق إلى حد كبير تنوع ممتلكاتهم الكيميائية. ونحن مؤخرا وجدت أن النانو السليلوز لديها وظيفة توجيه بنية قوية نحو تشكيل هيكل مليسا من خلال عملية UDF13. ببساطة عن طريق خلط النانو السليلوز مع غيرها من مكونات المياه التشتت، فمن الممكن إعداد مجموعة متنوعة من تضعها مع الخصائص الكيميائية المختلفة. وعلاوة على ذلك، الأشكال الخارجية، وأحجام قناة بمرونة وسهولة التحكم13. وهكذا، يتوقع تضعها لاستخدامها كمرشحات ويدعم محفز، ونوع تدفق كهربائي، وأجهزة الاستشعار والسقالات للحيوية.

في هذه الورقة، نشرح أولاً تقنية الإعداد الأساسي لتضعها من تشتت مائي النانو السليلوز من خلال عملية الجبهة الديمقراطية بالتفصيل. وعلاوة على ذلك، علينا أن نظهر إعداد عدة أنواع مختلفة من تضعها المركب.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1-إعداد 1 wt % 2,2,6,6-تيتراميثيلبيبيريدين-1-أوكسيل (الإيقاع)-بوساطة السيليلوز المؤكسدة سول Nanofiber (توكن)

ملاحظة: يتم تعريف في سول كتعليق غرواني جسيمات صلبة صغيرة جداً في متوسط سائل مستمر.

  1. تعليق 66.7 ز ناديلهولز مقصور كرافت اللب (نبكب، الذي يحتوي على 12 غراما السيليلوز) في 700 مل مياه (DI) مع المحرض ميكانيكية 300 لفة في الدقيقة لمدة 20 دقيقة.
  2. إضافة 20 مل من المحلول تيمبو (تحتوي على 0.15 غ إيقاع) و 20 مل من محلول مائي نابر (تحتوي على 1.5 غرام نابر) ببطء إلى14،تعليق15نبكب أعلاه.
  3. ضبط الأس الهيدروجيني لتعليق أعلاه إلى حوالي 10.5 (تقاس بمقياس الأس الهيدروجيني) مع إضافة حل هيدروكسيد الصوديوم م 3.0 ببطء.
  4. ببطء إضافة حوالي 63.8 ز محلول ناكلو (مع 6-14 wt % كلور نشط) مع ماصة الخليط أعلاه لبدء الإيقاع بوساطة الأكسدة.
  5. أثناء إضافة ناكلو، استمر في إضافة حل هيدروكسيد الصوديوم للحفاظ على درجة الحموضة للنظام داخل النطاق من 10.0 إلى 10.5 ~. وتستغرق هذه العملية حوالي 2.5 ساعة.
  6. شطف ألياف السيلولوز المؤكسد الإيقاع بوساطة مع المياه دي 3 مرات (1,200 مل مياه دي كل مرة) لإزالة ناكلو المتبقية، هيدروكسيد الصوديوم والمواد الكيميائية الأخرى.
  7. علاج اللصق مع خلاط ميكانيكية قوية تفكيك ألياف السيلولوز المؤكسد في النانو. القيام بالمعالجة الميكانيكية بعناية رافق عدة مرات مع إضافة كمية مماثلة من المياه. وأخيراً، يتم الحصول على و 1% السيليلوز المؤكسدة الإيقاع بوساطة سول nanofiber (توكن). توكنس قد يبلغ قطرها من 4 إلى 6 ~ شمال البحر الأبيض المتوسط، ويبلغ طوله 0.5 إلى 2 ~ ميكرومتر.
  8. تخزين في سول توكن wt % 1 عند 4 درجة مئوية (السليلوز النانو تميل لتتعفن في درجة حرارة المحيطة).

2-إعداد توكن-ستايرين بيوتادايين المطاط (SBR) مختلطة سول

  1. إضافة ز 0.21 لسبر الغروانية (wt 48.5 في المائة) إلى 10 جرام 1 wt % توكن سول (الخطوة 11.7.) في وعاء زجاج 20 مل.
  2. تحرض الخليط أعلاه لمدة 3 دقائق مع خلاط دوامة على مستوى السلطة 6 لتحقيق sol. مشتتة بالتساوي مخزن سول الخليط أعلاه عند 4 درجة مئوية قبل الاستخدام.

3-إعداد توكن-TiO2 مختلطة سول

  1. إضافة 0.1 غرام من TiO2 جسيمات نانوية (مع حجم جسيمات متوسط 20 nm) إلى 10 غم من وزن 1% توكن سول في وعاء زجاج 20 مل.
  2. تحرض الخليط أعلاه مع الخالطون لمدة 10 دقائق لتحقيق sol. بالتساوي مختلطة إجراء هذا 10 دقيقة--عملية بشكل متقطع، نظراً لكمية كبيرة من الحرارة يتم إنشاؤها في هذه العملية ويؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة، والتي قد تؤدي إلى تدهور توكنس. تخزين سول الخليط في 4 درجات مئوية قبل الاستخدام.

4-إعداد السطح توكن تتأكسد مختلطة الأراضي من ألياف الكربون (سوكف)

  1. ارتداد 1.7 غرام ألياف الكربونية (مش 300، مع قطر 5.5 إلى ميكرو ~6.0 ويبلغ طوله حوالي 50 ميكرومتر) في 150 مل حمض النيتريك عند 60 درجة مئوية ح 6 لتحقيق سوكف16. إضافة 0.01 غرام سوكف أعلاه إلى 10 غم سول توكن % wt 1 داخل وعاء زجاج 20 مل.
  2. اهتزاز-مزيج الخليط أعلاه، والترا sonicate الخليط لمدة 5 دقائق لتحقيق sol. مختلطة بالتساوي مخزن سول الخليط في 4 درجات مئوية قبل الاستخدام.

5-إعداد متراصة ميكروهونيكومب من سول توكن % wt 1 (النطاق المرمز إليه مليسا-توكن)

  1. تحميل أنبوب البولي بروبلين (PP) (مع قطر داخلي 13 مم وقطر خارجي من 15 ملم بطول 150 مم) مع الزجاج الخرز وملء الجزء 5 سم السفلي من أنبوب13.
  2. تحميل كمية معينة (المبلغ لا يتم التحكم في كل مرة، ولكن عادة أكبر من 2.7 مل لضمان عملية القطع اللاحقة) سول توكن % wt 1 في أنبوب PP أعلاه تحتوي على حبات الزجاج.
    ملاحظة: امتلأت سول توكن مباشرة في أنبوب PP دون سكب الزجاج الخرز لدراسة تأثير المسافة التي شاركت في عملية تجميد أحادي الاتجاه. وفي هذه الحالة، كان مقدار سول توكن مل 11.
  3. بعناية إزالة الفقاعات التي قد تم إنشاؤها أثناء تحميل سول. الاحتفاظ بالانبوب PP المحتوية على سول توكن في 4 درجات مئوية بين عشية وضحاها قبل الاستخدام.
  4. إرفاق أنابيب PP أعلاه تتضمن سول توكن غمس الجهاز الذي يستخدم لتجميد أحادي الاتجاه. تعيين المعلمات ذات الصلة وبدء غمس أنبوب PP في إبريق حرارية التي تحتوي على النتروجين السائل (-196 درجة مئوية) بسرعة ثابتة من 50 سم ح-1 (الشكل 1).
  5. قص الجزء أنبوب PP مع رأي، وصدع الجزء سول توكن المجمدة إلى عدة أقسام. تجميد هذه الأجزاء الجافة مع آلة التجفيف في-10 درجة مئوية لمدة يوم واحد، ثم في-5 درجة مئوية لمدة يوم واحد، وأخيراً في 0 درجة مئوية لمدة يوم واحد. وحصل مليسا-توكن ككتل اللون الأبيض (الشكل 1).

6-إعداد متراصة ميكروهونيكومب من توكن-سبر مختلطة سول (النطاق المرمز إليه مليسا-توكن/SBR) وتوكن-TiO2 مختلطة سول (النطاق المرمز إليه مليسا-توكن/TiO2 )

  1. تحميل البولي بروبلين (PP) أنابيب (مع قطر داخلي 13 مم وقطر خارجي من 15 ملم بطول 150 مم) مع الزجاج الخرز، ملء الجزء 5 سم السفلي من الأنابيب.
    ملاحظة: تستخدم الخرز الزجاج لتغطية منطقة حيث يحدث نمو البلورات الثلج متقلب، لتحقيق مورفولوجيا موحدة من العينة الناتجة. لا تؤثر على كل من حجم وخاصية السطح من الزجاج الخرز مورفولوجية العينة الناتجة عن ذلك.
  2. تحميل مبلغ معين (المبلغ لا يتم التحكم في كل مرة، ولكن عادة أكبر من 2.7 مل لضمان عملية القطع اللاحقة) من توكن-سبر مختلطة سول أو توكن-TiO2 سول مختلطة في PP أنابيب تحتوي على الزجاج الخرز.
  3. بعناية إزالة الفقاعات التي قد تم إنشاؤها أثناء تحميل سول. تبقى أنابيب PP الذي يحتوي على ما ورد أعلاه مختلطة سول في 4 درجات مئوية بين عشية وضحاها قبل الاستخدام.
  4. إرفاق أنابيب PP الذي يحتوي على ما ورد أعلاه مختلطة الأراضي إلى غمس الجهاز الذي يستخدم لتجميد أحادي الاتجاه. تعيين المعلمات ذات الصلة وبدء غمس أنبوب PP في خزان يحتوي على النتروجين السائل (-196 درجة مئوية) بسرعة ثابتة من 20 سم ح-1.
  5. قص الجزء أنبوب PP مع رأي، وصدع توكن-سبر المجمدة مختلطة جزء سول إلى عدة أقسام.
  6. تجميد هذه الأجزاء الجافة مع آلة التجفيف في-10 درجة مئوية لمدة يوم واحد، ثم في-5 درجة مئوية لمدة يوم واحد، وأخيراً في 0 درجة مئوية لمدة يوم واحد. مليسا-توكن/SBR ومليسا-توكن/TiO2 تم الحصول عليها ككتل بيضاء.

7-إعداد متراصة ميكروهونيكومب من توكن-سوكف مختلطة سول (النطاق المرمز إليه مليسا-توكن/سوكف)

  1. تحميل أنبوب (PP) البولي بروبلين (قطر داخلي 13 مم) وقطر خارجي من 15 ملم، وطول 150 مم مع حبات الزجاج، ملء الجزء 5 سم أسفل الأنبوبة.
  2. تحميل مبلغ معين (المبلغ لا يتم التحكم في كل مرة، ولكن عادة أكبر من 2.7 مل لضمان عملية القطع اللاحقة) من توكن-سوكف مختلطة سول في أنبوب PP أعلاه تحتوي على حبات الزجاج.
  3. بعناية إزالة الفقاعات التي قد تم إنشاؤها أثناء تحميل سول. تبقى PP الأنبوب الذي يحتوي على ما ورد أعلاه مختلطة سول في 4 درجات مئوية بين عشية وضحاها قبل الاستخدام.
  4. إرفاق PP الأنبوب الذي يحتوي على ما ورد أعلاه مختلطة سول غمس الجهاز الذي يستخدم لتجميد أحادي الاتجاه. تعيين المعلمات ذات الصلة وبدء غمس أنبوب PP في خزان يحتوي على النتروجين السائل (-196 درجة مئوية) بسرعة ثابتة من 20 سم ح-1.
  5. قص الجزء أنبوب PP مع رأي، وصدع الجزء سول توكن-سوكف المجمدة إلى عدة أقسام. تجميد هذه الأجزاء الجافة مع آلة التجفيف في-10 درجة مئوية لمدة يوم واحد، ثم في-5 درجة مئوية لمدة يوم واحد، وأخيراً في 0 درجة مئوية لمدة يوم واحد. وحصل مليسا-توكن/سوكف منليث رمادي أبيض.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

التحقيق في مورفولوجيس للمواقف المختلفة من مليسا-توكن على طول باتجاه تجميد أحادي الاتجاه وهو مبين في الشكل 2. مع الموقف الذي يجري بعيداً عن الجزء السفلي من مليسا-توكن، تم الكشف عن تغيير تدريجي مورفولوجيا (الشكل 2، المناقشة). بإدخال ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

أن الخطوة الأكثر أهمية لتحقيق تضعها هي الخطوة تجميد أحادي الاتجاه، خلال الماء الذي يتصلب لتشكيل بلورات الثلج عمودي، ودفع ديسبيرسويد جانبا لتشكيل الإطار. عملية تجميد أحادي الاتجاه ينطوي أساسا على النقل الحراري بين سول السليفة والتبريد. وفي الإعداد لدينا، استخدمت آلة غمس لإدراج أنبوب PP ال...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgements

وأيده هذا العمل الوطنية الأساسية البحث البرنامج الصيني (2014CB932400) والوطنية الطبيعية مؤسسة العلوم الصينية (رقم 51525204 و U1607206) شنتشن مشروع البحوث الأساسية (رقم JCYJ20150529164918735). أيضا، نود أن نشكر اللنيكس دايسيل المحدودة وشركة JSR يرجى البولي يوريثان الموردة ومطاط ستايرين بيوتادايين، على التوالي.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
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.MX1000XTXFor disintegrating cellulose bundles into nanofibers.
HomogenizerScientz Ltd.HXF-DYFor dispersing TiO2 nanoparticles
pH meter Horiba Ltd.F-74BW

References

  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

135 nanofiber

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved