CN110644282A - 一种高精度通电恒温试纸及其制备方法 - Google Patents
一种高精度通电恒温试纸及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110644282A CN110644282A CN201910850853.7A CN201910850853A CN110644282A CN 110644282 A CN110644282 A CN 110644282A CN 201910850853 A CN201910850853 A CN 201910850853A CN 110644282 A CN110644282 A CN 110644282A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- solution
- constant
- test paper
- ink
- filter paper
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 64
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 102
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 85
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 45
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 44
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims abstract description 40
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims abstract description 40
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000013081 microcrystal Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 7
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 54
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 53
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 53
- PTKWYSNDTXDBIZ-UHFFFAOYSA-N 9,10-dioxoanthracene-1,2-disulfonic acid Chemical compound C1=CC=C2C(=O)C3=C(S(O)(=O)=O)C(S(=O)(=O)O)=CC=C3C(=O)C2=C1 PTKWYSNDTXDBIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 27
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 27
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 238000000502 dialysis Methods 0.000 claims description 21
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 18
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 14
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000003490 calendering Methods 0.000 claims description 12
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 12
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 12
- JHJLBTNAGRQEKS-UHFFFAOYSA-M sodium bromide Chemical compound [Na+].[Br-] JHJLBTNAGRQEKS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 12
- -1 2,2,6, 6-tetramethyl piperidinyloxy free radical Chemical class 0.000 claims description 6
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 claims description 6
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000005708 Sodium hypochlorite Substances 0.000 claims description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims description 6
- 239000012761 high-performance material Substances 0.000 claims description 6
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 claims description 6
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 claims description 6
- 239000005457 ice water Substances 0.000 claims description 6
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 6
- SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N sodium hypochlorite Chemical compound [Na+].Cl[O-] SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 6
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 claims description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 3
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 3
- 239000003973 paint Substances 0.000 abstract description 8
- 238000007605 air drying Methods 0.000 abstract 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 18
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 4
- 238000006911 enzymatic reaction Methods 0.000 description 4
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 3
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002032 lab-on-a-chip Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000002715 modification method Methods 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 239000013566 allergen Substances 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 1
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000009585 enzyme analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 1
- 238000002493 microarray Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000001303 quality assessment method Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D21H19/00—Coated paper; Coating material
- D21H19/36—Coatings with pigments
- D21H19/38—Coatings with pigments characterised by the pigments
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
- B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
- B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
- B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/158—Carbon nanotubes
- C01B32/168—After-treatment
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D21H19/00—Coated paper; Coating material
- D21H19/36—Coatings with pigments
- D21H19/44—Coatings with pigments characterised by the other ingredients, e.g. the binder or dispersing agent
- D21H19/52—Cellulose; Derivatives thereof
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D21H23/00—Processes or apparatus for adding material to the pulp or to the paper
- D21H23/02—Processes or apparatus for adding material to the pulp or to the paper characterised by the manner in which substances are added
- D21H23/22—Addition to the formed paper
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Clinical Laboratory Science (AREA)
- Hematology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高精度通电恒温试纸，包括定性滤纸和分散于所述定性滤纸上的涂料和油墨，所述涂料和油墨的组分比为1：1‑5；所述涂料为纤维素纳米纤维，所述油墨由以下组分制成的：氧化石墨烯1‑5份、纤维素纳米微晶1份、改性碳纳米管10‑50份。本发明还公开了一种高精度通电恒温试纸的制备方法，包括以下步骤：备料；制备纤维素纳米纤维；完成涂布操作，并风干；将碳纳米管的改性，获得改性碳纳米管溶液；将氧化石墨烯与纤维素纳米微晶的混合溶液加入改性碳纳米管溶液中，获得油墨；将滤纸平整，随后将滤纸打印油墨，获得试纸；将试纸进行裁切，获得通电恒温试纸。本发明能够制备涂料和油墨并分散于定性滤纸上，形成高精度通电恒温试纸。
Description
【技术领域】
本发明涉及加热试纸的技术领域，特别是高精度通电恒温试纸及其制备方法的技术领域。
【背景技术】
微流控检测技术是一种利用微管道控制、处理和分析极少量流体的分析检测技术，具有很高的科学和商业潜力。微流控装置体积小、能耗低、便携性强，能够在数平方厘米芯片上完成常规实验室大型仪器才能实现的生物或化学实验。通过“芯片实验室(Lab-on-a-chip，LOC)”或“微全分析系统(μTAS)”概念的实现，微流控技术在分子生物学、分析化学以及现场即时医疗诊断等领域展现出巨大的应用前景。
纸基微流控装置与普通意义上的微流控基材相比，它非常适用于资源匿乏条件的生化检测。作为分析化学检测装置的一种，纸基微流控装置是一种低成本的装置，可用于诊断、POC(Point of care)检测、过敏原和生物巧记物检测、食品和饮用水质量监测等方面。从目前来看，将纸基装置的花费低、检测快速等方面应用于医学诊断和水质量评估等方面已经趋于成熟，越来越多的研究者在这方面进行探索。
此外由于纸基装置分析所需的样本量低、分析速度快及分析方法简便和自动化程度离等特点，而被研究者广泛应用于细胞分析、DNA检测、酶分析、微阵列点诊断及高通量巧光扫描等。
需要酶促反应的生物法纸基微流控装置，在反应的过程中由于酶活性的要求，需要提供一定反应温度。在酶反应作为基础的纸基微流控技术逐渐成为研究的热点的同时，如何提供酶反应所需要理想的温度的技术开发却一直没有进展。
目前，现有文献报道所报道的导电加热油墨配方基本以复配为主，各种改性方法也有报道。因而，需要一种新型的改性方法，以解决碳纳米管分散性的问题。
同时，导电加热纸基材在通电后的升温速率快慢和最终温度是否维持在40℃是衡量加热性能的两个主要技术指标，而目前的相关研究中，均未见有文献报道相关的解决方案。为此，需要解决导电加热试纸的升温性能的调控问题。
【发明内容】
本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种高精度通电恒温试纸及其制备方法，能够完成涂料和油墨的制作，并将涂料和油墨分别分散于定性滤纸上，从而形成高精度通电恒温试纸。本发明的原材料碳纳米管经过管改性，从而解决了碳纳米管分散性的问题；本发明的温控模型能用于快速有效地设计导电层，并改善升温效率。
为实现上述目的，本发明提出了一种高精度通电恒温试纸，包括定性滤纸和分散于所述定性滤纸上的涂料和油墨，所述涂料和油墨的组分比为1：1-5；所述涂料为纤维素纳米纤维，所述油墨由以下组分制成的：氧化石墨烯1-5份、纤维素纳米微晶1份、改性碳纳米管10-50份。
作为优选，所述改性碳纳米管经蒽醌二磺酸改性。
本发明还提出了一种高精度通电恒温试纸的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：备料：采用定性滤纸作为原料，并对定性滤纸进行压光，压光压力为0.5-5MPa；
步骤二：制备纤维素纳米纤维：配制100mL质量浓度为1％的棉浆悬浮液，加入0.1g溴化钠和0.02g tempo(2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基)试剂，搅拌均匀后再加入5mL、浓度为0.15mol/L的次氯酸钠溶液，混匀后，利用浓度为0.1mol/L的稀盐酸溶液调节混合液的pH值为10，获得混合反应液；然后将所述混合反应液置于冰水浴中搅拌反应6h，搅拌过程中不断滴加浓度为0.1mol/L的NaOH溶液维持混合反应液的pH值为10；反应结束后，即可获得1％的纤维素纳米纤维溶液；
步骤三：完成涂布操作，并风干：将纤维素纳米纤维溶液涂于定性滤纸上，涂布速度控制在0.2-0.5m/min，涂布后自然风干；
步骤四：将碳纳米管改性，获得改性碳纳米管溶液：将蒽醌二磺酸溶于水，控制蒽醌二磺酸浓度在10-50g/L；将碳纳米管加入到蒽醌二磺酸溶液，控制碳纳米管的浓度在10-50g/L，常温下用超声细胞粉碎机以150-300W的功率超声分散20-40min，随后用磁力搅拌器在300-600rpm的速度下搅拌30-60min，得到非共价键改性的碳纳米管；之后用孔径为0.45μm的透析膜分离多余的蒽醌二磺酸，透析12-36h，每6h换水一次；所述蒽醌二磺酸通过π-π键吸附于碳纳米管；
步骤五：将氧化石墨烯与纤维素纳米微晶的混合溶液加入改性碳纳米管溶液中，获得油墨：先将单层或少层的氧化石墨烯粉末加入于纤维素纳米微晶溶液，浓度控制在10-50g/L；随后将氧化石墨烯与纤维素纳米微晶的混合溶液与改性碳纳米管溶液以体积比1：1-10混合；混合后的溶液用机械搅拌机以1000-2000rpm的速度均匀混合10-30min，之后用超声波细胞粉碎机以800-1200W的功率分散10-20min；之后抽真空去除油墨中的气泡，所述油墨粘度控制为8-12mPa·s；
步骤六：将步骤三后的滤纸平整，随后将滤纸用Dimatix高性能材料打印机打印步骤五中制备的油墨，印刷1-20次控制导电层厚度，获得试纸；
步骤七：将步骤六中的试纸进行裁切，获得通电恒温试纸，通电恒温试纸的长宽为1-5cm，通电恒温试纸的面积为1-25cm2。
作为优选，所述通电恒温试纸的使用方法为：采用6、9、12或24v直流电压电源或电池组，对导电加热层对角线两端通电加热；所述导电加热层的电阻为100Ω-1000Ω。
作为优选，所述通电恒温试纸的加热性能调控模型为：t40＝0.0011RA–26.734,ΔT＝1593000/RA-0.3744，其中R为电阻，A为加热层面积，t40为升温至40℃所需时间，ΔT为最高恒定温度与起始温度之差。
作为优选，所述步骤五中的纤维素纳米微晶的制备方法为：
步骤51：采用定性滤纸作为原料，裁切成1×2cm大小；
步骤52：10g裁切好的滤纸浸渍与100mL3％NaOH溶液作预处理，在50℃下恒温2h；
步骤53：用1G3砂芯漏斗抽滤洗涤；
步骤54：疏解浆料并再次抽滤后，将浆料放入100mL64-65％硫酸溶液，在45℃条件下恒温水解，水解过程中，用磁力搅拌器搅拌，速度控制在5000-1000rpm；
步骤55：2h后加入900mL水终止反应；
步骤56：加入10％NaOH溶液，调整pH到7，随后透析，所述透析膜截留分子量为12000-14000，透析时间24-72h，并且每12h换水，完成后即得1％CNC溶液。
本发明的有益效果：本发明能够完成涂料和油墨的制作，并将涂料和油墨分别分散于定性滤纸上，从而形成高精度通电恒温试纸。本发明的原材料碳纳米管经过管改性，从而解决了碳纳米管分散性的问题；本发明的温控模型能用于快速有效地设计导电层，并改善升温效率。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本发明一种高精度通电恒温试纸及其制备方法的方法流程图；
图2是本发明一种高精度通电恒温试纸及其制备方法的温控模型图一；
图3是本发明一种高精度通电恒温试纸及其制备方法的温控模型图二。
【具体实施方式】
参阅图1、图2、图3，本发明，包括定性滤纸和分散于所述定性滤纸上的涂料和油墨，所述涂料和油墨的组分比为1：1-5；所述涂料为纤维素纳米纤维，所述油墨由以下组分制成的：氧化石墨烯1-5份、纤维素纳米微晶1份、改性碳纳米管10-50份。
具体的，所述改性碳纳米管经蒽醌二磺酸改性。
本发明，还包括以下步骤：
步骤一：备料：采用定性滤纸作为原料，并对定性滤纸进行压光，压光压力为0.5-5MPa；
步骤二：制备纤维素纳米纤维：配制100mL质量浓度为1％的棉浆悬浮液，加入0.1g溴化钠和0.02g tempo(2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基)试剂，搅拌均匀后再加入5mL、浓度为0.15mol/L的次氯酸钠溶液，混匀后，利用浓度为0.1mol/L的稀盐酸溶液调节混合液的pH值为10，获得混合反应液；然后将所述混合反应液置于冰水浴中搅拌反应6h，搅拌过程中不断滴加浓度为0.1mol/L的NaOH溶液维持混合反应液的pH值为10；反应结束后，即可获得1％的纤维素纳米纤维溶液；
步骤三：完成涂布操作，并风干：将纤维素纳米纤维溶液涂于定性滤纸上，涂布速度控制在0.2-0.5m/min，涂布后自然风干；
步骤四：将碳纳米管改性，获得改性碳纳米管溶液：将蒽醌二磺酸溶于水，控制蒽醌二磺酸浓度在10-50g/L；将碳纳米管加入到蒽醌二磺酸溶液，控制碳纳米管的浓度在10-50g/L，常温下用超声细胞粉碎机以150-300W的功率超声分散20-40min，随后用磁力搅拌器在300-600rpm的速度下搅拌30-60min，得到非共价键改性的碳纳米管；之后用孔径为0.45μm的透析膜分离多余的蒽醌二磺酸，透析12-36h，每6h换水一次；所述蒽醌二磺酸通过π-π键吸附于碳纳米管；
步骤五：将氧化石墨烯与纤维素纳米微晶的混合溶液加入改性碳纳米管溶液中，获得油墨：先将单层或少层的氧化石墨烯粉末加入于纤维素纳米微晶溶液，浓度控制在10-50g/L；随后将氧化石墨烯与纤维素纳米微晶的混合溶液与改性碳纳米管溶液以体积比1：1-10混合；混合后的溶液用机械搅拌机以1000-2000rpm的速度均匀混合10-30min，之后用超声波细胞粉碎机以800-1200W的功率分散10-20min；之后抽真空去除油墨中的气泡，所述油墨粘度控制为8-12mPa·s；
步骤六：将步骤三后的滤纸平整，随后将滤纸用Dimatix高性能材料打印机打印步骤五中制备的油墨，印刷1-20次控制导电层厚度，获得试纸；
步骤七：将步骤六中的试纸进行裁切，获得通电恒温试纸，通电恒温试纸的长宽为1-5cm，通电恒温试纸的面积为1-25cm2。
具体的，所述通电恒温试纸的使用方法为：采用6、9、12或24v直流电压电源或电池组，对导电加热层对角线两端通电加热；所述导电加热层的电阻为100Ω-1000Ω。
具体的，所述通电恒温试纸的加热性能调控模型为：t40＝0.0011RA–26.734,ΔT＝1593000/RA-0.3744，其中R为电阻，A为加热层面积，t40为升温至40℃所需时间，ΔT为最高恒定温度与起始温度之差。
具体的，所述步骤五中的纤维素纳米微晶的制备方法为：
步骤51：采用定性滤纸作为原料，裁切成1×2cm大小；
步骤52：10g裁切好的滤纸浸渍与100mL3％NaOH溶液作预处理，在50℃下恒温2h；
步骤53：用1G3砂芯漏斗抽滤洗涤；
步骤54：疏解浆料并再次抽滤后，将浆料放入100mL64-65％硫酸溶液，在45℃条件下恒温水解，水解过程中，用磁力搅拌器搅拌，速度控制在5000-1000rpm；
步骤55：2h后加入900mL水终止反应；
步骤56：加入10％NaOH溶液，调整pH到7，随后透析，所述透析膜截留分子量为12000-14000，透析时间24-72h，并且每12h换水，完成后即得1％CNC溶液。
本发明工作过程：
本发明一种高精度通电恒温试纸及其制备方法在工作过程中，结合附图进行说明。
实施例一：
1、纤维素纳米微晶(CNC)的制备：采用定性滤纸作为原料，裁切成1×2cm大小。10g裁切好的滤纸浸渍与100mL 3％NaOH溶液作预处理，在50℃下恒温2h。随后用1G3砂芯漏斗抽滤洗涤。疏解浆料并再次抽滤后，将浆料放入100mL 64-65％硫酸溶液，在45℃条件下恒温水解，水解过程中，用磁力搅拌器搅拌，速度控制在5000-1000rpm。2h后加入900mL水终止反应。加入10％NaOH溶液，调整pH到7，随后透析。透析膜截留分子量为12000-14000，透析时间24-72h，并且每12h换水。完成后即得1％CNC溶液。
2、纤维素纳米纤维(ToCN)的制备：配制100mL质量浓度为1％的棉浆悬浮液，加入0.1g溴化钠和0.02g tempo(2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基)试剂，搅拌均匀后再加入5mL、浓度为0.15mol/L的次氯酸钠溶液，混匀后，利用浓度为0.1mol/L的稀盐酸溶液调节混合液的pH值为10，获得混合反应液；然后将所述混合反应液置于冰水浴中搅拌反应6h，搅拌过程中不断滴加浓度为0.1mol/L的NaOH溶液维持混合反应液的pH值为10。反应结束后，即可获得1％的ToCN溶液。
3、碳纳米管(CNTs)改性：将蒽醌二磺酸溶于水，控制蒽醌二磺酸浓度在20g/L。将碳纳米管加入到蒽醌二磺酸溶液，控制CNTs浓度在20g/L常温下用超声细胞粉碎机，200W的功率超声分散20min，随后用磁力搅拌器在400rpm的速度下搅拌30min，得到非共价键改性的碳纳米管。之后用孔径为0.45μm的透析膜分离多余的蒽醌二磺酸，透析18h，每6h换水一次。蒽醌二磺酸通过π-π键吸附于碳纳米管，使表面带磺酸基，因为纤维素纳米微晶表面带有磺酸基、多层氧化石墨烯表面带有羧基，使得导电油墨中各成分具有较好的分散性。
4、氧化石墨烯(GO)/碳纳米管/纤维素纳米纤维油墨的制备：先将单层或少层(1-5层)GO粉末加入于CNC溶液，浓度控制在30g/L。随后将GO/ToCN溶液与2中制备的CNTs溶液以体积比1：3混合。混合后的溶液用机械搅拌机以1000rpm的速度均匀混合15min，之后用超声波细胞粉碎机以1000W的功率分散15min。之后抽真空去除油墨中的气泡。油墨粘度控制为8.4mPa·s。
5、导电加热层的制备：以普通滤纸为基材，先对滤纸进行压光，压光压力为1MPa。随后对滤纸进行ToCN涂布，采用实验室棒式涂布机涂布将2中制备的ToCN溶液涂于滤纸上，涂布速度控制在0.4m/min，涂布后自然风干。处理后的滤纸平整度高，利于后面制备高精度、高稳定度的导电层。随后在滤纸用Dimatix高性能材料打印机打印4中制备的油墨。印刷10次控制导电层厚度，以调整导电层电阻。之后进行裁切，加热试纸长宽设计为1cm，面积为1cm2。
7、通电恒温试纸的使用：所制备试纸对角线两端电阻为982Ω，选用直流电压12v，对试纸对角线两端进行通电，最终恒定温度为41.1℃，升至恒定温度所需时间为85s。
实施例二：
1、CNC的制备：采用定性滤纸作为原料，裁切成1×2cm大小。10g裁切好的滤纸浸渍与100mL 3％NaOH溶液作预处理，在50℃下恒温2h。随后用1G3砂芯漏斗抽滤洗涤。疏解浆料并再次抽滤后，将浆料放入100mL 64-65％硫酸溶液，在45℃条件下恒温水解，水解过程中，用磁力搅拌器搅拌，速度控制在5000-1000rpm。2h后加入900mL水终止反应。加入10％NaOH溶液，调整pH到7，随后透析。透析膜截留分子量为12000-14000，透析时间24-72h，并且每12h换水。完成后即得1％CNC溶液。
2、ToCN的制备：配制100mL质量浓度为1％的棉浆悬浮液，加入0.1g溴化钠和0.02gtempo(2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基)试剂，搅拌均匀后再加入5mL、浓度为0.15mol/L的次氯酸钠溶液，混匀后，利用浓度为0.1mol/L的稀盐酸溶液调节混合液的pH值为10，获得混合反应液；然后将所述混合反应液置于冰水浴中搅拌反应6h，搅拌过程中不断滴加浓度为0.1mol/L的NaOH溶液维持混合反应液的pH值为10。反应结束后，即可获得1％的ToCN溶液。
3、CNTs改性性：将蒽醌二磺酸溶于水，控制蒽醌二磺酸浓度在30g/L。将碳纳米管加入到蒽醌二磺酸溶液，控制CNTs浓度在30g/L常温下用超声细胞粉碎机，250W的功率超声分散30min，随后用磁力搅拌器在500rpm的速度下搅拌40min，得到非共价键改性的碳纳米管。之后用孔径为0.45μm的透析膜分离多余的蒽醌二磺酸，透析24h，每6h换水一次。蒽醌二磺酸通过π-π键吸附于碳纳米管，使表面带磺酸基，因为纤维素纳米微晶表面带有磺酸基、多层氧化石墨烯表面带有羧基，使得导电油墨中各成分具有较好的分散性。
4、GO/CNTs/CNC油墨的制备：先将单层或少层(1-5层)GO粉末加入于CNC溶液，浓度控制在40g/L。随后将GO/ToCN溶液与2中制备的CNTs溶液以体积比1：3混合。混合后的溶液用机械搅拌机以1500rpm的速度均匀混合20min，之后用超声波细胞粉碎机以1000W的功率分散15min。之后抽真空去除油墨中的气泡。油墨粘度控制为9.5mPa·s。
5、导电加热层的制备：以普通滤纸为基材，先对滤纸进行压光，压光压力为0.8MPa。随后对滤纸进行ToCN涂布，采用实验室棒式涂布机涂布将2中制备的ToCN溶液涂于滤纸上，涂布速度控制在0.4m/min，涂布后自然风干。处理后的滤纸平整度高，利于后面制备高精度、高稳定度的导电层。随后在滤纸用Dimatix高性能材料打印机打印4中制备的油墨。印刷10次控制导电层厚度，以调整导电层电阻。之后进行裁切，加热试纸长宽设计为1×2cm，面积为2cm2。
6、通电恒温试纸的使用：所制备试纸对角线两端电阻为538Ω，选用直流电压12v，对试纸对角线两端进行通电，最终恒定温度为40.9℃，升至恒定温度所需时间为93s。
实施例三：
1、CNC的制备：采用定性滤纸作为原料，裁切成1×2cm大小。10g裁切好的滤纸浸渍与100mL 3％NaOH溶液作预处理，在50℃下恒温2h。随后用1G3砂芯漏斗抽滤洗涤。疏解浆料并再次抽滤后，将浆料放入100mL 64-65％硫酸溶液，在45℃条件下恒温水解，水解过程中，用磁力搅拌器搅拌，速度控制在5000-1000rpm。2h后加入900mL水终止反应。加入10％NaOH溶液，调整pH到7，随后透析。透析膜截留分子量为12000-14000，透析时间24-72h，并且每12h换水。完成后即得1％CNC溶液。
2、ToCN的制备：配制100mL质量浓度为1％的棉浆悬浮液，加入0.1g溴化钠和0.02gtempo(2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基)试剂，搅拌均匀后再加入5mL、浓度为0.15mol/L的次氯酸钠溶液，混匀后，利用浓度为0.1mol/L的稀盐酸溶液调节混合液的pH值为10，获得混合反应液；然后将所述混合反应液置于冰水浴中搅拌反应6h，搅拌过程中不断滴加浓度为0.1mol/L的NaOH溶液维持混合反应液的pH值为10。反应结束后，即可获得1％的ToCN溶液。
3、CNTs改性性：将蒽醌二磺酸溶于水，控制蒽醌二磺酸浓度在40g/L。将碳纳米管加入到蒽醌二磺酸溶液，控制CNTs浓度在40g/L常温下用超声细胞粉碎机，250W的功率超声分散40min，随后用磁力搅拌器在600rpm的速度下搅拌40min，得到非共价键改性的碳纳米管。之后用孔径为0.45μm的透析膜分离多余的蒽醌二磺酸，透析30h，每6h换水一次。蒽醌二磺酸通过π-π键吸附于碳纳米管，使表面带磺酸基，因为纤维素纳米微晶表面带有磺酸基、多层氧化石墨烯表面带有羧基，使得导电油墨中各成分具有较好的分散性。
4、GO/CNTs/CNC油墨的制备：先将单层或少层(1-5层)GO粉末加入于CNC溶液，浓度控制在40g/L。随后将GO/ToCN溶液与2中制备的CNTs溶液以体积比1：2混合。混合后的溶液用机械搅拌机以1500rpm的速度均匀混合30min，之后用超声波细胞粉碎机以1100W的功率分散15min。之后抽真空去除油墨中的气泡。油墨粘度控制为10.8mPa·s。
5、导电加热层的制备：以普通滤纸为基材，先对滤纸进行压光，压光压力为1.5MPa。随后对滤纸进行ToCN涂布，采用实验室棒式涂布机涂布将2中制备的ToCN溶液涂于滤纸上，涂布速度控制在0.3m/min，涂布后自然风干。处理后的滤纸平整度高，利于后面制备高精度、高稳定度的导电层。随后在滤纸用Dimatix高性能材料打印机打印4中制备的油墨。印刷13次控制导电层厚度，以调整导电层电阻。之后进行裁切，加热试纸长宽设计为1×3cm，面积为3cm2。
6、通电恒温试纸的使用：所制备试纸对角线两端电阻为369Ω，选用直流电压12v，对试纸对角线两端进行通电，最终恒定温度为39.7℃，升至恒定温度所需时间为97s。
附加说明：
1、导电加热升温的快慢与最终所能达到的最高温度主要受加热层电阻影响，电阻越小，升温越快，所能达到的最高温度越高。加热层厚度是影响加热层电阻的主要因素之一，厚度越大则电阻越小。本发明拟控制加热层厚度在10-30μm，厚度过小会使温度无法达到要求，过高则对柔软性与生产成本等产生影响。
2、6、9、12或24v直流电压电源或电池组都对加热层有升温作用，本发明配合12v恒定直流电源电压使用，可实现理想的升温性能，若使用其他电压，应采用其他模型曲线匹配。
3、石墨烯和碳纳米管是导电油墨的主要组成成分，两者比重的大小决定了导电加热层的电阻，进而影响加热层的升温性能；由于单纯石墨烯作为油墨与纸张之间的结合力不理想，本发明采用纤维素纳米纤维作为粘结剂，一方面使石墨烯在纸张上形成附着牢固的加热层，另一方面纤维素纳米微晶的比重多少可调节油墨的黏度，使油墨性能更易于调控；碳纳米管的作用是在片层状石墨烯之间构建更多的连接点，提升加热层整体通电性能，进而提升加热层的升温性能。
本发明的好处在于：
1、解决了碳纳米管分散性的问题：
本发明采用一种非共价键改性技术对碳纳米管进行改性处理，提升其在油墨及在加热层里的分散性，以改善油墨的稳定与加热层的导电性能。非共价键改性有工艺简单，成本较低的优点。
2、解决了导电加热试纸的升温性能的调控问题：
本发明主要通过对油墨组分、加热层厚度、加热层大小、供电电压等进行控制，开发可行的导电加热试纸升温性能的调控技术。建立一种系统的指导方案，可制备35-45℃范围内任意目标温度的恒温导电加热层，并兼具高效升温的性能，为纸基酶促反应提供良好的条件。
3、纸页本身具有良好的绝缘性，制备的导电油墨适合喷墨打印工艺，通过采用纳米纤维素涂布与高性能材料打印机，可制备精密度与稳定度好的通电恒温试纸，且对环境友好，具有可抛性。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高精度通电恒温试纸，其特征在于：包括定性滤纸和分散于所述定性滤纸上的涂料和油墨，所述涂料和油墨的组分比为1：1-5；所述涂料为纤维素纳米纤维，所述油墨由以下组分制成的：氧化石墨烯1-5份、纤维素纳米微晶1份、改性碳纳米管10-50份。
2.如权利要求1所述的一种高精度通电恒温试纸，其特征在于：所述改性碳纳米管经蒽醌二磺酸改性。
3.一种高精度通电恒温试纸的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：备料：采用定性滤纸作为原料，并对定性滤纸进行压光，压光压力为0.5-5MPa；
步骤二：制备纤维素纳米纤维：配制100mL质量浓度为1％的棉浆悬浮液，加入0.1g溴化钠和0.02g tempo(2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基)试剂，搅拌均匀后再加入5mL、浓度为0.15mol/L的次氯酸钠溶液，混匀后，利用浓度为0.1mol/L的稀盐酸溶液调节混合液的pH值为10，获得混合反应液；然后将所述混合反应液置于冰水浴中搅拌反应6h，搅拌过程中不断滴加浓度为0.1mol/L的NaOH溶液维持混合反应液的pH值为10；反应结束后，即可获得1％的纤维素纳米纤维溶液；
步骤三：完成涂布操作，并风干：将纤维素纳米纤维溶液涂于定性滤纸上，涂布速度控制在0.2-0.5m/min，涂布后自然风干；
步骤四：将碳纳米管改性，获得改性碳纳米管溶液：将蒽醌二磺酸溶于水，控制蒽醌二磺酸浓度在10-50g/L；将碳纳米管加入到蒽醌二磺酸溶液，控制碳纳米管的浓度在10-50g/L，常温下用超声细胞粉碎机以150-300W的功率超声分散20-40min，随后用磁力搅拌器在300-600rpm的速度下搅拌30-60min，得到非共价键改性的碳纳米管；之后用孔径为0.45μm的透析膜分离多余的蒽醌二磺酸，透析12-36h，每6h换水一次；所述蒽醌二磺酸通过π-π键吸附于碳纳米管；
步骤五：将氧化石墨烯与纤维素纳米微晶的混合溶液加入改性碳纳米管溶液中，
获得油墨：先将单层或少层的氧化石墨烯粉末加入于纤维素纳米微晶溶液，浓度控制在10-50g/L；随后将氧化石墨烯与纤维素纳米微晶的混合溶液与改性碳纳米管溶液以体积比1：1-10混合；混合后的溶液用机械搅拌机以1000-2000rpm的速度均匀混合10-30min，之后用超声波细胞粉碎机以800-1200W的功率分散10-20min；之后抽真空去除油墨中的气泡，所述油墨粘度控制为8-12mPa·s；
步骤六：将步骤三后的滤纸平整，随后将滤纸用Dimatix高性能材料打印机打印步骤五中制备的油墨，印刷1-20次控制导电层厚度，获得试纸；
步骤七：将步骤六中的试纸进行裁切，获得通电恒温试纸，通电恒温试纸的长宽为1-5cm，通电恒温试纸的面积为1-25cm2。
4.如权利要求3所述的一种高精度通电恒温试纸基材的制备方法，其特征在于：所述
通电恒温试纸的使用方法为：采用6、9、12或24v直流电压电源或电池组，对导电加热层对角线两端通电加热；所述导电加热层的电阻为100Ω-1000Ω。
5.如权利要求3所述的一种高精度通电恒温试纸的制备方法，其特征在于：所述通电恒温试纸的加热性能调控模型为：t40＝0.0011RA–26.734,ΔT＝
1593000/RA-0.3744，其中R为电阻，A为加热层面积，t40为升温至40℃所需时间，ΔT为最高恒定温度与起始温度之差。
6.如权利要求3所述的一种高精度通电恒温试纸的制备方法，其特征在于：所
述步骤五中的纤维素纳米微晶的制备方法为：
步骤51：采用定性滤纸作为原料，裁切成1×2cm大小；
步骤52：10g裁切好的滤纸浸渍与100mL3％NaOH溶液作预处理，在50℃下恒温2h；
步骤53：用1G3砂芯漏斗抽滤洗涤；
步骤54：疏解浆料并再次抽滤后，将浆料放入100mL64-65％硫酸溶液，在45℃条件下恒温水解，水解过程中，用磁力搅拌器搅拌，速度控制在5000-1000rpm；
步骤55：2h后加入900mL水终止反应；
步骤56：加入10％NaOH溶液，调整pH到7，随后透析，所述透析膜截留分子量为12000-14000，透析时间24-72h，并且每12h换水，完成后即得1％CNC溶液。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910850853.7A CN110644282A (zh) | 2019-09-10 | 2019-09-10 | 一种高精度通电恒温试纸及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910850853.7A CN110644282A (zh) | 2019-09-10 | 2019-09-10 | 一种高精度通电恒温试纸及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110644282A true CN110644282A (zh) | 2020-01-03 |
Family
ID=68991831
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910850853.7A Pending CN110644282A (zh) | 2019-09-10 | 2019-09-10 | 一种高精度通电恒温试纸及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110644282A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101945959A (zh) * | 2008-02-13 | 2011-01-12 | 拜尔材料科学股份公司 | 用于制备导电涂层的可印刷组合物及其制备方法 |
| CN103073953A (zh) * | 2013-02-07 | 2013-05-01 | 苏州牛剑新材料有限公司 | 一种水性导电油墨及其制备方法 |
| CN103733271A (zh) * | 2011-08-22 | 2014-04-16 | 拜耳知识产权有限责任公司 | 包含碳纳米管和石墨烯片材的分散体 |
| CN109312539A (zh) * | 2016-05-16 | 2019-02-05 | 耶路撒冷希伯来大学伊森姆研究发展有限公司 | 改性纳米结晶纤维素材料以及由其制成的制剂和产品 |
-
2019
- 2019-09-10 CN CN201910850853.7A patent/CN110644282A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101945959A (zh) * | 2008-02-13 | 2011-01-12 | 拜尔材料科学股份公司 | 用于制备导电涂层的可印刷组合物及其制备方法 |
| CN103733271A (zh) * | 2011-08-22 | 2014-04-16 | 拜耳知识产权有限责任公司 | 包含碳纳米管和石墨烯片材的分散体 |
| CN103073953A (zh) * | 2013-02-07 | 2013-05-01 | 苏州牛剑新材料有限公司 | 一种水性导电油墨及其制备方法 |
| CN109312539A (zh) * | 2016-05-16 | 2019-02-05 | 耶路撒冷希伯来大学伊森姆研究发展有限公司 | 改性纳米结晶纤维素材料以及由其制成的制剂和产品 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103015256B (zh) | 一种碳纳米纤维纸及其制备方法 | |
| CN102658371B (zh) | 一种超细铂纳米线的制备方法 | |
| CN108276615A (zh) | 一种高导热层状石墨烯复合材料及制备方法 | |
| CN102580549B (zh) | 一种带有阴离子基团碳纳米管改性双极膜的制备方法 | |
| CN106223013B (zh) | 一种基于碳纳米管的导电纤维制备方法 | |
| CN102557021B (zh) | 基于氧化石墨烯自催化的纳米复合材料的制备方法 | |
| Lu et al. | Preparation of sulfonated porous carbon nanotubes/activated carbon composite beads and their adsorption of low density lipoprotein | |
| CN104882298A (zh) | 一种微波法制备NiCo2O4/石墨烯超级电容材料的方法 | |
| CN106883818B (zh) | 核壳型碳球/碳纳米管复合吸波材料及制备方法 | |
| CN105688856A (zh) | 一种多孔碳微球季铵化的修饰方法 | |
| CN104841289A (zh) | 一种在有机中空纤维表面合成NaA型分子筛膜及其制备方法 | |
| CN106395908A (zh) | 一种竹节结构Mn2O3的制备方法 | |
| CN102240545A (zh) | 碳纳米管为载体的纳米Pt粒子催化剂制备方法 | |
| CN110644282A (zh) | 一种高精度通电恒温试纸及其制备方法 | |
| CN103332739A (zh) | 一种独特形貌的Bi2Sn2O7复合氧化物及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Sustainable production of cellulose nanocrystals with sulfuric acid recycling using diffusion dialysis and electrodialysis | |
| CN110644281A (zh) | 一种通电恒温试纸基材及其制备方法 | |
| CN108970421B (zh) | 一种利用碳纳米管-醋酸纤维素膜高效淡化海水的方法 | |
| CN108755243B (zh) | 一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法 | |
| CN102502884B (zh) | 一种钼酸钴纳米棒结构控制的方法 | |
| CN110846925A (zh) | 一种石墨烯-纳米纤维素导电纸及其制备方法 | |
| Ma et al. | Preparation and Characterization of Dopamine-Modified Carbon Fiber Paper Composites for Gas Diffusion Layers | |
| CN107790126A (zh) | 一种石墨烯钯碳催化剂 | |
| CN108752815A (zh) | 以pvdf/pvp/il为基底膜的通孔相转移型ipmc的制备方法及应用 | |
| CN108359016A (zh) | 一种环境友好型的纳米微晶纤维素制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200103 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |