Mikrofluidische Vorbereitung der flüssigen kristallenen Elastomer Aktoren

Das übergeordnete Ziel dieser mikrofluidischen Synthese ist es, einen kapillarbasierten Gleichstrom-Mikrofluidikreaktor aufzubauen, der die reproduzierbare Herstellung einer großen Anzahl von flüssigkristallinen Elastomer-Mikropartikeln mit hervorragenden thermischen Aktuatoreigenschaften ermöglicht. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der LCE-Mikroaktuatorenproduktion zu beantworten, z. B. wie flüssigkristalline Monomere über mikrofluidische Reaktoren zu thermisch aktuierenden Mikropartikeln verarbeitet werden können. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass eine schnelle Partikelproduktion sowie verschiedene Partikelformen, -größen und -betätigungsmuster durch Feinabstimmung des mikrofluidischen Grundaufbaus möglich sind.

Statten Sie zunächst eine Wasserbadeschale aus Glas mit zwei Septen aus. Durchstechen Sie dann mit einer Ahle mit Septen, um ein Loch zu schaffen, um ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 1/16 Zoll zu positionieren. Befestigen Sie dann eine Armatur und eine entsprechende Aderendhülse für den Schlauch mit einem Außendurchmesser von 1/16 Zoll am Ende eines PTFE-Schlauchs.

Stecken Sie dann die Spitze einer mit Polyamid beschichteten Siliziumdioxid-Kapillare hinein. Schrauben Sie als Nächstes den PTFE-Schlauch an einen der gegenüberliegenden Arme einer Polyetheretherketon-T-Verbindung für das Rohr mit einem Außendurchmesser von 1/16 Zoll, das auf einem kleinen Metalltisch montiert ist. Befestigen Sie anschließend eine Armatur und eine entsprechende Aderendhülse am Ende eines zweiten PTFE-Schlauchs.

Schrauben Sie dann das Rohr an den seitlichen Arm der T-Kreuzung. Führen Sie anschließend den dritten PTFE-Schlauch durch eine der Septen. Schneiden Sie den dritten PTFE-Schlauch ab, um eine zweite Spritzenpumpe außerhalb des Wasserbads und das Ende des Schlauchs 1.1 im Wasserbad zu erreichen.

Befestigen Sie dann zwei weibliche Luer-Locks für den Schlauch mit einem Außendurchmesser von 1/16 Zoll. Führen Sie dann den Schlauch durch das zweite Septum ein. Montieren Sie dann den vierten PTFE-Schlauch mit einer Armatur und einer Aderendhülse.

Nach dem Zusammenbau des PTFE-Schlauches wird der Schlauch 1.4 mit dem verbleibenden Arm des T-Übergangs verbunden, indem er vorsichtig über die Kapillare geschoben wird. Übertragen Sie anschließend das Wasserbad auf eine heiße Platte. Befestigen Sie dann das Rohr 1.4 mit Klebeband auf der Präzisionsheizplatte.

Befestigen Sie außerdem ein 5-ml-Glasfläschchen am Ende des Röhrchens. Nun wird das Ende der Schläuche 1.2 und 1.3 an Spritzen angeschlossen, die mit Dauerphasen- und Hydrauliköl gefüllt sind, die beide von Spritzenpumpen betrieben werden. Installieren Sie als Nächstes das Stereomikroskop und montieren Sie eine UV-Lichtquelle.

200 mg flüssigkristallines Acrylat und zwei weitere Reagenzien werden in einen Kolben gegeben. Lösen Sie dann die Mischung in 1 ml Dicholoromethan auf. Anschließend wird das Lösungsmittel mit dem Vakuum bei 40 Grad Celsius vollständig entfernt und der restliche Feststoff bei 110 Grad Celsius in einem Ölbad geschmolzen.

Bereiten Sie als Nächstes eine Spritze mit einem Widerhaken auf eine Luer-Lock-Buchse für einen Schlauch mit einem Innendurchmesser von 3/32 Zoll vor. Befestigen Sie die Spritze und den fünften PTFE-Schlauch durch einen Verbindungsschlauch. Verwenden Sie die Spritze, um das Monomergemisch in der Tube aufzufangen.

Verwenden Sie zwei männliche Luer-Locks für einen Schlauch mit einem Außendurchmesser von 1/8 Zoll und befestigen Sie beide Schlösser an den Enden des Schlauchs 1,5, der das Monomergemisch enthält. Später werden die beiden Enden des Schlauches 1.5 mit den weiblichen Luer-Locken an den Enden der Schläuche 1.1 und 1.3 befestigt. Füllen Sie dann das Wasserbad und stellen Sie die Temperatur auf 90 Grad Celsius und die Temperatur der Präzisionsheizplatte auf 65 Grad Celsius ein.

Sobald das Monomergemisch geschmolzen ist, stellen Sie die Durchflussrate der kontinuierlichen Phase auf einen Wert zwischen 1,5 und 2,0 Millilitern pro Stunde ein. Und die Flussrate der Monomerphase auf einen vernünftigen Wert. Zentrieren Sie dann die Kapillare im Inneren des Röhrchens und schalten Sie das UV-Licht ein, wenn sich Tröpfchen ähnlicher Größe zu bilden beginnen.

Die Fraktionen der polymerisierten Partikel werden in dem 5-ml-Glasfläschchen gesammelt, das am Ende des Röhrchens 1.4 angebracht ist. Achten Sie auf eine Veränderung der Farbe und der Bildung der Partikel unter dem UV-Licht. Um das Janus-Setup zu montieren, bestücken Sie dann eine Wasserbadeschale aus Glas mit einem Durchmesser von 190 Millimetern mit zwei Septen.

Durchstechen Sie die Septen mit einer Ahle, um ein Loch zu schaffen, um ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 1/16 Zoll zu positionieren. Führen Sie als Nächstes zwei mit Parallela ausgekleidete Quarzglaskapillaren in die Schlauchhülse ein. Verwenden Sie Sekundenkleber, um die Hülle zu versiegeln.

Lassen Sie die kurze Kapillare etwa drei Millimeter aus einer Seite der Hülse herausragen. Befestigen Sie dann eine Armatur und eine Aderendhülse an beiden Enden der Schlauchtülle. Schrauben Sie dann die Hülse an einen der gegenüberliegenden Arme jeder T-Kreuzung, um die beiden T-Kreuzungen zu verbinden.

Montieren Sie beide T-Übergänge auf einem kleinen Metalltisch. Stecken Sie einen PTFE-Schlauch durch das Wasserbadseptum. Rüsten Sie es mit einer Armatur und einer Aderendhülse aus und verbinden Sie es mit der Kapillare und dem übrig gebliebenen gegenüberliegenden Arm der T-Kreuzung eins.

Verbinden Sie ein weiteres Rohr mit einer Aderendhülse und einer Armatur, die an einem Ende befestigt sind, mit dem befreiten Seitenarm der ersten T-Kreuzung. Befestigen Sie neben dem Schlauch 2.1 einen weiteren PTFE-Schlauch durch das zweite Loch im Septum. Fügen Sie als Nächstes zwei weibliche Luer-Locken für Schläuche mit einem Außendurchmesser von 1/16 Zoll an den freien Enden der Schläuche 2.2 und 2.3 im Wasserbad an.

Verbinden Sie einen vierten PTFE-Schlauch mit einer Armatur und einer Aderendhülse mit dem seitlichen Arm der T-Kreuzung zwei. Schieben Sie das Rohr 2.5, das mit einer Armatur und einer Aderendhülse auf beiden Seiten ausgestattet ist, vorsichtig über die Kapillaren und verbinden Sie es mit dem restlichen Arm der T-Kreuzung zwei. Führen Sie dann den sechsten PTFE-Schlauch durch das andere Septum und befestigen Sie eine Armatur und eine Aderendhülse am Ende im Wasserbad.

Verbinden Sie den fünften und den sechsten PTFE-Schlauch mit einem Adapter. Anschließend wird das Röhrchen mit dem Monomergemisch zwischen die Enden der Röhrchen 2.2 und 2.3 geschraubt. Stellen Sie anschließend das Wasserbad mit einem Thermometer auf eine Kochplatte.

Stopfen Sie den Schlauch 2.1 in die Spritze, die die wässrige Phase enthält, den Schlauch 2.3 in die Spritze, die das Hydrauliköl enthält, und den Schlauch 2.4 in die kontinuierliche Phase. Befestigen Sie dann das sechste Rohr mit Klebeband auf einer Präzisionsheizplatte. Befestigen Sie als Nächstes ein 5-ml-Glasfläschchen am Ende des Röhrchens.

Als nächstes zentrieren Sie die Kapillaren im Inneren des Röhrchens und montieren eine UV-Lichtquelle über dem Polymerisationsröhrchen 2.6 auf der Präzisionsheizplatte. Für den Aufbau der Kernschale befestigen Sie zuerst eine Armatur und dann eine Aderendhülse an beiden Enden des florinierten Ethylen-Propylen-Schlauchs. Stecken Sie dann eine Quarzglaskapillare so durch die Hülse, dass sie etwa drei Millimeter aus einer Seite herausragt.

Verwende eine andere dünnere Kapillare und führe sie so durch die größere Kapillare, dass die dünnere einige Millimeter aus ihrer längeren Seite herausragt. Studien zeigen, dass Partikel mit einem Durchmesser zwischen 200 und 400 Mikrometern bei einer Durchflussrate von 1,50 bis 2,00 mL pro Stunde der kontinuierlichen Phase hergestellt werden, während das Durchflussverhältnis der kontinuierlichen zur Monomerphase zwischen 20 und 200 liegt. Diese optischen Mikroskopiebilder zeigen die Partikelmorphologie, bei der ein prolatförmiges Partikel seine Rotationsachse verlängert, wenn es in einem breiteren Polymerisationsrohr synthetisiert wird.

Diese stäbchenförmigen Partikel werden aufgrund der Dehnung bei höheren Schergeschwindigkeiten während der Polymerisation in einem dünneren Rohr mit einem Innendurchmesser von 0,5 Millimetern synthetisiert. Dieses Teilchen zieht sich während des Phasenübergangs entlang seiner Rotationsachse zusammen. Hier werden die Dehnung und Kontraktion von betätigenden Kernschalen- und stabförmigen Januspartikeln dargestellt.

Bei der Darstellung der Aktuatoreigenschaften einzelner LCE-Partikel zeigen die Heiz- und Kühlkurven der Partikel, dass die stärkste Betätigung der Partikel bei der höchsten Durchflussrate erfolgt, wobei beide Kurven eine Hystarese bilden. Interessanterweise gibt es auch über 10 Betätigungszyklen keine Abnahme der Betätigung der Partikel. Einmal gemeistert, kann dieser mikrofluidische Aufbau in einer Stunde vorbereitet werden und die Partikelsynthese dauert ein bis zwei Stunden, wenn sie richtig durchgeführt wird.

Nach seiner Entwicklung eröffnet dieser Ansatz Forschern auf dem Gebiet der Verarbeitung von flüssigkristallinen Elastomeren neue Möglichkeiten, um die Herstellung von unterschiedlich geformten Mikropartikeln mit unterschiedlichen Betätigungsmustern zu ermöglichen. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, daran zu denken, unter UV-freien Bedingungen zu arbeiten und saubere mikrofluidische Komponenten zu verwenden, um Verstopfungen während der mikrofluidischen Partikelproduktion zu vermeiden. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie flüssigkristalline Monomergemische in einem kapillarbasierten mikrofluidischen Reaktor verarbeitet werden, der verschiedene Temperaturzonen hat, um die verschiedenen flüssigkristallinen Zustände zu berücksichtigen.