ייצור של Nanocomposites microstructured תלת ממדי באמצעות Microfluidic הסתננות

המטרה הכללית של פרוצדורה זו היא לייצר קורות מרוכבות בעלות מיקרו-מבנה תלת-ממדי באמצעות חלחול מכוון ומקומי של ננו-composite לתוך רשתות מיקרו-פלואידיות נקבוביות תלת-ממדיות. הרשתות המיקרו-פלואידיות מיוצרות על ידי שיקוע של דיו נוזלי שכבה אחר שכבה. לאחר מכן, החללים הריקים בין הסיבים ממולאים באמצעות שרף בעל צמיגות נמוכה, והאפוקסי המעטף מעובד (cured).

לאחר מכן מסירים את הדיו הנדיף מהמבנה על ידי הנפכת הדיו לנוזל, ולאחר מכן שוטפים את התעלות במים חמים ובהפטן. בשלב הבא, מחדירים לרשתות המיקרופלואידיות הצינוריות שהתקבלו תוחלי ננו-קומפוזיט תרמו-סטיים המכילים ננו-ממלאים, ולאחר מכן מקשחים אותם. השלב הסופי הוא הקשחה של הקורה שיוצרה וחיתוך החלקים העודפים לממדים הרצויים.

בסופו של דבר, נעשה שימוש בטכניקות שונות לאפיון מורפולוגי ומכני כדי להדגים את יכולתה של טכניקת הייצור לתכנון של מוצרי מקרו פונקציונליים מננו-קומפוזיט. אנו עובדים כבר מספר שנים על פיתוח חומרים מתקדמים, ובפרט ננו-קומפוזיטים מבוססי תרמופלסטים ותאי תרמו (thermo cell). כעת אנו מנסים להרחיב את גבולות השיטה שלנו על ידי בחינת מערכת חומרים חדשה וכן דרכים חדשות לייצור חלקים תלת-ממדיים מורכבים.

היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון הזרקה, הוא שטכניקת ה-PRIs מאפשרת שליטה מספקת באוריינטציה ובמיקום התלת-ממדי של חיזוק הננו-צינורות במהלך ייצור המוצר לתנאים אופטימליים. טכניקת ייצור גמישה זו ניתנת להרחבה לשימוש בחומרים תרמו-סטיים ובננו-ממלאים אחרים. מספר יישומים כוללים ניטור בריאות מבנית, מוצרים לבלימת רעידות ומיקרו-אלקטרוניקה. כדי להמיס את הדיו הנעלם, יש להמיס שעווה מיקרו-קריסטלית ווזלין על מעבב מגנטי עם פלטה חמה ב-80 °C; לאחר ההמסה והערבוב, טען את הדיו לתוך גוף מזרק של 3 cc.

התקינו פיית הפצה של 150 micrometer על המזרק והצמידו את המזרק למחזיק המזרקים של רובוט ההפצה. השתמשו בתוכנת Excel כדי לתכנן את נתיב התנועה של רובוט ההפצה עבור ייצור מבנה הפיגום התלת-ממדי הרצוי. מידע זה צריך לכלול את ממדי המבנה, את המרווח בין הסיבים, את מספר השכבות ואת מצב ההפעלה/כיבוי (on-off) של ההפצה בכל מיקום במהלך הייצור.

במקרה זה, הממדים הם 60 millimeters באורך, 7.5 millimeters ברוחב ו-1.7 millimeters בעובי, עם מרווח אופקי של 0.25 millimeter בין כל סיב עבור קוטר סיב של כ-150 micrometers. הגדרו את לחץ ההשקעה ל-1.9 megapascals בווסת הלחץ והגדירו את מהירות ההגשה של הרובוט ל-4.7 millimeters לשנייה. לאחר מכן, הפעילו את השקעת הסיבים מבוססי הדיו על מצע אפוקסי.

הדבר מביא ליצירת תבנית דו-ממדית, המהווה את השכבה הראשונה של מיקרו-פיגום. המשך להשקיע שכבות נוספות של מיקרו-פיגום על ידי הגדלה רציפה של מיקום ציר Z של פיית ההזרקה בערך השווה לקוטר הסיב. יצירת כל שכבה אורכת כארבע עד חמש דקות; באמצעות שיטה זו ניתן לבנות מבנים תומכים עצמיתים בני כמה מאות שכבות.

השלב הבא הוא הכנת האפוקסי שישמש לכליאה (encapsulation). התחילו בערבוב הסרט (resin) והמקשה (hardener), ולאחר מכן בצעו ניתון גזים (degassing) לתערובת האפוקסי תחת ואקום למשך 30 דקות. לאחר ניתון הגזים, העבירו את האפוקסי לגוף מזרק של 3 cc באמצעות הפעלת לחץ שלילי בעזרת מפזר נוזלים (fluid dispenser).

לאחר מכן, הכניסו לנפח המזרק פיה בעלת קוטר פנימי (ID) של 0.51 מילימטרים. מקמו את פיגום הדיו בשיפוע כדי לסייע לזרימת השרף. לאחר מכן, באמצעות אותו מפזר נוזלים והפיה המותקנת, הניחו טיפות של אפוקסי בקצה העליון של מבנה הפיגום המשופע.

לאחר מכן, האפוקסי זורם לחללים הריקים שבין הסיבים, בהנחיית כוחות הכבידה והנימיות. המשך להניח טיפות של אפוקסי על הפיגום עד שהחלל הריק בין סיבי הפיגום יתמלא לחלוטין. הנח לאפוקסי המעטף לעבור פולימריזציה ראשונית בטמפרטורת החדר למשך 24 שעות, ולאחר מכן הכנס את המבנה לתנור לפולימריזציה סופית ב-60 °C למשך שעתיים.

לאחר הפולימריזציה, השתמש במסור מדויק כדי לחתוך את חלקי האפוקסי העודפים. לאחר מכן, קדח חור בקוטר של כ-1 מילימטר בכל קצה של המבנה. כדי להגיע לפיגום הדיו, הכנס צינור פלסטיק לכל אחד מהחורים.

השלב הבא הוא הסרת הדיו הנדיף מהמבנה. התחל בהנחת הדגימות בתנור בטמפרטורה של 90 °C למשך 30 דקות כדי להמיס את הדיו. לאחר הוצאת הדגימות מהתנור, שטוף את רשת התעלות על ידי שאיבת מים מזוקקים חמים דרך צינורות הפלסטיק למשך חמש דקות.

לאחר מכן, שאבו hexane דרך הצינורות למשך חמש דקות נוספות כדי להסיר שאריות של הדיו מדפנות התעלה לאחר הסרת הדיו. התוצאה היא רשת מיקרופלואידית תלת-ממדית מקושרת, אותה ניתן לאחסן בטמפרטורת החדר עד למועד השימוש. להכנת הננו-קומפוזיטים, הוסיפו 150 milligrams של ננו-שפופיות פחמן לתמיסה של 0.1 millimolar של zinc Proto porphyrin nine surfactant באצטון או ב-di chloro methane, לקבלת ריכוז סופי של ננו-שפופיות של 0.5 weight percent.

בשלב הבא, בצעו סוניקציה לתמיחה בתוך אמבט אולטרסוני למשך 30 דקות, כדי לפרק את צבירי הננו-צינורות. ערבבו את שרף האפוקסי או האוריתן עם תמיחת הננו-צינורות על גבי פלטה מחממת עם בוחש מגנטי, בטמפרטורה הנמוכה במעט מטמפרטורת הממס.

לאחר הרתחה במשך ארבע שעות, העבירו את תערובת הננו-composite למסבן אולטרסוני (ultrasonication bath) ובצעו סוניקציה תוך חימום ל-40 עד 50 °C למשך שעה אחת. לאחר מכן, חממו את הננו-composite ב-30 °C למשך 12 שעות, ולאחר מכן חממו אותו תחת ואקום ב-50 °C למשך 24 שעות כדי לאדות את שאריות הממס. למחרת.

הפרידו חלק מהננו-קומפוזיט בטמפרטורת החדר לשימוש כבסיס להשוואה לצורך פירוק של אגרגטים גדולים של ננו-שפופיות. הגדירו את המהירות של גליל ההזנה (apron roll) של מערבל תלת-גלילים ל-250 RPMs, והעבירו את שארית תערובת הננו-קומפוזיט דרך הגלילים חמש פעמים, כאשר המרווח ההתחלתי בין הגלילים הוא 25 micrometers. לאחר מכן, כווננו את המרווח בין הגלילים ל-10 micrometers ובצעו חמש מעברים נוספים. לאחר צמצום סופי של המרווח ל-5 micrometers, בצעו 10 מעברים נוספים. הננו-קומפוזיטים לפני ואחרי ההעברה דרך הגלילים מוצגים כאן.

בשלב הבא, בצעו דגזינג (Degas) לתערובת הסופית בתוך ואקום למשך 24 שעות תוך שימוש בחומר מייבש כדי להסיר את בועות האוויר שנלכדו במהלך הערבוב. השלב הבא הוא הזרקת הננו- composite אל תוך המכשיר המיקרופלואידי. לאחר הנחת הננו- composites אל תוך מפזר הנוזלים, הפעילו לחץ שלילי על מפזר הנוזלים, פעולה הגורמת לטעינת הננו- composites לתוך גליל מזרק של 3 cc.

חברו פיה דקה לגוף המזרק והחדירו את הפיה לתוך הצינורות במכשיר המיקרופלואידי. לאחר מכן, הגדירו את הלחץ במפיץ הנוזלים ל-400 kilo pascals במידת הצורך, כדי לסייע במילוי הרשת. החילו לחץ שלילי בצד היציאה של רשת המיקרופלואידיקה באמצעות מפיץ נוזלים נוסף.

לאחר הפעלת הלחץ, הרשת המיקרופלואידית מתמלאת בתמיחת הננו-קומפוזיט, הנכנסת לרשת דרך הצינור הפלסטי. זמן קצר לאחר ההזרקה, קרני הקומפוזיט הממולאות בננו-קומפוזיט נחשפו לקרינת UV למשך 30 דקות לצורך פולימריזציה ראשונית (pre curing). לאחר מכן, ביצעו פולימריזציה סופית (post cure) לקרניים המיוצרות בתנור בטמפרטורה של 80 °C למשך שעה, ולאחריה בטמפרטורה של 130 °C למשך שעה נוספת.

לאחר חיתוך חלקי האפוקסי העודפים באמצעות מסור וליטוש הקורות לממדים הרצויים, מוצגת כאן תמונה איזומטרית של קורה מחוזקת תלת-ממדית שיוצרה. חתך רוחב זה מראה תשעה שכבות של סיבי ננו-composite. איור זה מציג תמונת SEM של פני השבירה של קורה שיוצרה, ותמונת הגדלה של אחד התעלים המוטמעים במיקרו-סיבי ננו-composite.

מאחר שלא נצפתה התנתקות (de bonding) מדופן התעלה, נראה כי האפוקסי שמסביב והחומרים שחדרו אליה נצמדו היטב, ככל הנראה כתוצאה מניקוי נאות של התעלות באמצעות hexane לאחר הסרת הדיו. בניגוד לכך, מוצגות כאן קורות שנשברו במהלך הבדיקה המכנית שבה לא נעשה שימוש ב-hexane במהלך הסרת הדיו. נצפית התנתקות של סיבים כתוצאה מממשק מכני לקוי, מה שעשוי לנבוע משאריות דיו שנותרו לאחר ניקוי הרשת.

מודול האחסון של דגימות אפוקסי בסיסיות מעוצבות ששימשו כנקודות ייחוס, ושל הקורות המחוזקות בתלת-ממד מוצגים כאן. הקורות המיוצרות, המהוות שילוב של חומרי האפוקסי המוטמעים והסובבים, מראות תכונות תלויות-טמפרטורה עדיפות עם נוכחות של כ-0.18 אחוזי משקל בלבד של ננו-צינוריות פחמן. בדיקת כפיפה תלת-נקודתית מראה כי כתוצאה ממיקום ננו-צינוריות הפחמן, מודול הכפיפה של הקורות המחוזקות בתלת-ממד הראה עלייה של 34% בהשוואה לקורות שהוחדרו באפוקסי טהור.

דגימות אפוקסי בנפח מעוצב מוצגות לצורך ייחוס. גישה זו של תבניות יכולה לשמש למגוון רחב של יישומים, החל ממיקרו-אלקטרוניקה גמישה ועד למבני מאקרו תלת-ממדיים שאינם קומפוזיטיים. עבור MEMS.

אנו פועלים להרחבת גבולות הטכניקה הזו על ידי בחינת מערכות חומרים חדשות, וכן חקר דרכים חדשות לבנייה בתלת-ממד, כגון הדפסה תלת-ממדית בצורה חופשית (freeform printing) באמצעות ננו-קומפוזיטים מבוססי תרמוסטים (thermoset) ותרמופלסטים (thermoplastic). תודה.