Vorbereitung und Hochtemperatur-Anti-Adhäsion Verhalten einer rutschigen Oberfläche Edelstahl

Das übergeordnete Ziel dieses Versuchs ist es, zu beschreiben, wie rutschige Oberflächen mit hoher Temperaturbeständigkeit hergestellt werden können und die Antihaftwirkung der vorbereiteten Oberflächen bei hohen Temperaturen zu untersuchen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der Biomedizin zu beantworten. Wie zum Beispiel das Problem der Weichteiladhäsion an den elektrochirurgischen Instrumenten.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die vorbereiteten Gleitoberflächen bei hohen Temperaturen eine hervorragende Haftung erzielen können. Das Verfahren wird von Liu Guang, einem Doktoranden aus meinem Labor, vorgeführt. Um mit diesem Verfahren zu beginnen, entwerfen und fertigen Sie die Fotomaske, wie im Textprotokoll beschrieben.

Waschen Sie anschließend die Edelstahlplatte 15 Minuten lang in alkalischen Lösungen bei Raumtemperatur. Reinigen Sie die Platte mit einer Ultraschallreinigungsmaschine bei einer Arbeitsfrequenz von 40 Kilohertz und einer Ultraschallleistung von 500 Watt gründlich. Spülen Sie es dann nacheinander mit entionisiertem Wasser und Hexan, Aceton und Ethanol für jeweils 10 Minuten.

Stellen Sie die gewaschene Platte auf eine auf 150 Grad Celsius eingestellte Kochplatte. Decken Sie den Edelstahl mit einem Blatt Alufolie ab und lassen Sie ihn 30 Minuten auf der Herdplatte trocknen. Übertragen Sie danach den Stahl in einen Schleuderschneider und platzieren Sie ihn in der Mitte.

Tragen Sie mit einer Pipette etwa 1 Milliliter positiven Fotolack auf die Platte auf, beginnend in der Mitte und zum Rand hin, bis die gesamte Platte bedeckt ist. Starten Sie als Nächstes den Schleuderschneider sechs Sekunden lang bei 700 U/min und erhöhen Sie ihn dann 15 Sekunden lang auf 1500 U/min, um den Fotolack gleichmäßig zu verteilen. Lassen Sie dann das Vakuumventil los.

Entferne mit einer Pinzette den beschichteten Stahl vom Schleuder. Den Stahl auf einer Herdplatte zwei Minuten lang bei 120 Grad Celsius erhitzen, um den Fotolack zu backen. Übertragen Sie anschließend den Edelstahl in das Vakuumventil des Fotomatographiegeräts.

Stellen Sie die Belichtungszeit auf 25 Sekunden ein und schalten Sie das Fotomatografiegerät ein. Entfernen Sie danach den Stahl. Tauchen Sie es eine Minute lang in die Entwicklerlösung, um den Fotolack zu entfernen, ohne ihn UV-Licht auszusetzen.

Nehmen Sie dann die Platte aus der Entwicklerlösung und waschen Sie sie mit entionisiertem Wasser. Trocknen Sie die gewaschene Platte unter Stickstoffgas. Legen Sie dann den getrockneten Stahl auf eine Herdplatte.

Backe es bei 120 Grad Celsius für zwei Minuten. Prüfen Sie mit einem aufrechten Mikroskop mit einer 100-fachen Vergrößerung die erhaltene Fotolacktextur auf dem Edelstahl. Bereiten Sie zunächst 200 Milliliter chemische Ätzlösung in einem 500-Milliliter-Becherglas vor.

Dann den Edelstahl hinzufügen. Lassen Sie die Platte 10 Minuten in der Lösung. Entfernen Sie mit einer Pinzette den chemisch geätzten Stahl.

Eine Minute lang mit entionisiertem Wasser waschen. Trocknen Sie mit Stickstoffgas. Reinigen Sie den Stahl mit einer Ultraschallreinigungsmaschine fünf Minuten lang mit Aceton, um die Fotolacktextur zu entfernen.

Trocknen Sie anschließend die geätzte Platte mit dem Stickstoffgas. Verwenden Sie einen stetigen Strahl deionisiertes Wasser, um den chemisch geätzten Edelstahl zu reinigen. Mit Stickstoffgas trocknen.

Erhitzen Sie den Stahl mit einer Heizplatte 30 Minuten lang auf 100 Grad Celsius, um die Oberfläche vollständig zu trocknen. Übertragen Sie anschließend den Stahl auf eine HF-Plasmamaschine. Verwenden Sie eine HF-Leistung von 100 Watt, einen Systemdruck von 100 Millibar und eine Durchflussrate von 20 SSCM, um den Stahl 10 Minuten lang mit einer O2-Plasmabehandlung zu hydroxylieren.

Bereiten Sie danach einen Milliliter OTS-Lösung in wasserfreiem Toluol vor. Übertragen Sie den geätzten Stahl in die OTS-Lösung. Den Becher verschließen und vier Stunden bei Zimmertemperatur ruhen lassen.

Entfernen Sie dann den Stahl aus der Lösung und reinigen Sie ihn mit wasserfreiem Toluol. Reinigen Sie die Platte mit einer Ultraschallreinigungsmaschine 10 Minuten lang. Trocknen Sie es mit Stickstoffgas.

Verwenden Sie zunächst eine Pipette, um ca. 10 Milliliter Silikonöl auf den OTS-beschichteten, chemisch geätzten Edelstahl aufzutragen. Verwenden Sie anschließend ein optisches Stereomikroskop, um den Benetzungsprozess des Silikons auf der Stahloberfläche zu beobachten. Stellen Sie die Stahlplatte eine Stunde lang in eine vertikale Position, um überschüssiges Öl zu entfernen.

Geben Sie dann ein vier Mikroliter großes Tröpfchen Wasser auf die rutschige Silikonoberfläche. Legen Sie den Stahl in ein optisches Mikroskop und kippen Sie es um etwa zwei Grad. Beobachten Sie bei geringer Vergrößerung den Wassertropfen, um zu bestätigen, dass er sich leicht auf der rutschigen Oberfläche bewegen kann.

Den Stahl mit einer Pinzette auf eine Herdplatte geben. Stellen Sie die Temperatur ein, um das Anti-Benetzungsverhalten bei verschiedenen hohen Temperaturen zu analysieren, wie im Textprotokoll beschrieben. Befestigen Sie eine Hochgeschwindigkeitskamera auf einem Stativ und richten Sie sie auf den Stahl.

Nachdem Sie den Fokus eingestellt haben, geben Sie mit einer Mikrospritze 10 Mikroliter Wasser auf die rutschige Oberfläche und zeichnen Sie die Bewegung des Wassertropfens mit einer Bildrate von 500 Hertz auf. Stoppen Sie die Aufnahme, wenn das Tröpfchen von der rutschigen Stahloberfläche gleitet. Analysieren Sie dann die Antiadhäsionswirkung der rutschigen Oberfläche auf das Weichgewebe, wie im Testprotokoll beschrieben.

In dieser Studie wird eine rutschige Oberfläche durch Zugabe von Silikonöl zu OTS-beschichtetem, chemisch geätztem Edelstahl hergestellt. Nach Abschluss des Benetzungsprozesses kann eine sichtbare Ölschicht von der trockenen Oberfläche unterschieden werden. Anschließend wird die rutschige Eigenschaft untersucht, indem ein Wassertropfen auf der vorbereiteten Oberfläche abgelagert wird, wenn diese in einem Winkel von zwei Grad ausgerichtet wird.

Die gelbe gestrichelte Linie markiert den Kontaktpunkt und man sieht, wie das Wassertröpfchen an der Oberfläche entlang schwimmt und gleitet. Anschließend wird das Anti-Benetzungsverhalten bei verschiedenen hohen Temperaturen untersucht. Bei 200 Grad Celsius sieht man zunächst, dass der Wassertropfen fest mit der Oberfläche in Kontakt kommt, aber dieser Kontakt nimmt mit der Zeit ab.

Bei 6200 Millisekunden beginnt das Tröpfchen von der Oberfläche zu gleiten. Bei 250 Grad Celsius ist die erste Kontaktfläche des Tröpfchens deutlich kleiner. Bei dieser Temperatur beginnt das Tröpfchen bereits nach 800 Millisekunden von der Oberfläche zu gleiten.

Bei 300 Grad Celsius ist das Tröpfchen bei Kontakt jedoch sofort instabil und gleitet nach nur 250 Millisekunden schnell von der Oberfläche ab. Dann wird die Anti-Adhäsionswirkung der rutschigen Oberfläche auf Weichgewebe bewertet, indem die Adhäsionskraft gemessen wird. Die Haftkraft wird mit 0,80 plus oder minus 0,18 Newton auf dem glatten Edelstahl und 0,04 plus oder minus 0,02 Newton auf dem rutschigen Untergrund angesehen.

Es gab also einen Größenordnungsunterschied in der Haftkraft zwischen der rutschigen Oberfläche und der glatten Edelstahloberfläche. Einmal gemeistert, kann diese Technik in 12 Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Diese Methode kann Einblicke in die Konstruktion und Herstellung von elektrochirurgischen Instrumenten mit rutschigen Oberflächen für einen effektiven Adhäsionseffekt geben.

Es kann auch auf andere Systeme angewendet werden, z. B. auf die Schmierung von Steuerungen und die Haftung von Mitteln. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, die Kochplatte nicht zu berühren, wenn sie bei hohen Temperaturen ist. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik Forschern auf dem Gebiet der Biomedizintechnik den Weg, um Probleme mit der Adhäsion von Weichgewebe in elektrochirurgischen Instrumenten zu lösen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man eine rutschige Oberfläche mit hoher Temperaturbeständigkeit herstellt.