יציקת פרוטוקולים לייצור תא הפתוח קצף אלומיניום על ידי טכניקת השכפול והשפעת על נקבוביות
11 בדצמבר 2014
שכפול היא אחת מטכניקות העיבוד המשמשות לייצור ספוגי מתכת נקבוביים. במאמר זה מוצג בפירוט יישום אחד של השיטה לייצור אלומיניום נקבובי פתוח.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לייצר קצף מתכת בשיטת ההסתננות. זה מושג תחילה על ידי העמסת תבנית עם נתרן כלורי עדין בתחתית, הסתננות, נתרן כלורי באמצע ומוט אלומיניום למעלה. ואז הנחת המכסה על החדר.
השלב השני הוא לחבר את התבנית למערכת שסתומים ולהניח אותה בתנור שחומם מראש להמסת האלומיניום. לאחר מכן מופעל לחץ גז ארגון על האלומיניום המותך, ומכריח אותו לתוך החללים הפנויים בין גרגרי הנתרן הכלורי המסתננים. השלבים האחרונים הם הוצאת התבנית מהתנור ואחזור דגימת הקצף.
לאחר מכן חותכים את הדגימה לגודל ומסירים את הנתרן הכלורי באמבט מים. בסופו של דבר, המשקל והנפח של הדגימה יצביעו על צפיפותו ויודיעו על שינויים בפרוטוקול להשגת קצף בעל מאפיינים שונים. בדרך כלל, אנשים חדשים בשיטה זו יתקשו מכיוון שלשינויים קלים בהליך יש השפעה רבה על התוצאה.
כצעד ראשון, הגדר את התנור לעלייה של 20 מעלות צלזיוס לדקה לטמפרטורה סופית של 740 מעלות צלזיוס כשהוא מגיע לטמפרטורה הסופית שלו, התחל בהכנת הפרפורם, הפרפורם יונח בתבנית. התבנית בניסוי זה גלילית בגובה 150 מילימטרים ובעלת קוטר פנימי של 51 מילימטרים. לפני ניסוי זה נוצק מטיל אלומיניום מסחרי בטוהר לשימוש בתבנית.
האלומיניום נוצר למוט גלילי בקוטר 50 מילימטר. המוט נחתך לארבעה חלקים שווים המספיקים לארבעה ניסויים. לאחר מכן, התחל לאסוף את הנתרן הכלורי שישמש לחדירה.
בחר מסננת עם פתחים בגודל הקוטר הקטן ביותר המקובל, ואחרת עם פתחים בגודל קוטר הנקבוביות הגדול ביותר. הניחו מיכל לתפיסת נתרן כלורי מסונן על הספסל. נוסף על כך, הניחו את המסננת עם הפתח הקטן ביותר.
הניחו את המסננת עם הפתחים הגדולים יותר מעליה, מוכנה, בטוהר גבוה או נתרן כלורי בסופרמרקט. הכניסו כ -500 גרם נתרן כלורי למיכל ושפכו אותו למסננות המוערמות. ואז מערבבים את המסננות למשך דקה לאחר התסיסה, השליכו את תכולת המסננת העליונה.
השליכו גם את הנתרן הכלורי מהמיכל התחתון. הנתרן הכלורי במסננת האמצעית ישמש לחדירה לאחר שקילתו. הניסוי בסרטון זה משתמש גם בהסתננות, נתרן כלורי וגם נתרן כלורי עדין.
השתמש בטכניקת המסננת פעם אחת כדי לאסוף 150 גרם הסתננות, נתרן כלורי, ובפעם השנייה כדי לאסוף 100 גרם נתרן כלורי עדין. לאחר איסוף הנתרן הכלורי, המשך בעבודה עם תבנית ההסתננות. זה צריך להיות נקי וללא זיהומים משימוש קודם.
השתמש בתרסיס תרסיס בורון ניטריד כדי ליצור ציפוי דק בתוך הגליל. לאחר שהתייבש הגליל, השתמש בנייר זכוכית עדין כדי להסיר שאריות בורון ניטריד מקצות הגליל כשהתבנית מוכנה. עבדו עם בסיס התבנית.
הניחו אטם גרפיט על חריץ הבסיס. לאחר מכן הנח את החלק התחתון של גליל התבנית לתוך החריץ על גבי האטם בעזרת פטיש, הקש על החלק העליון של הצילינדר כדי לאבטח אותו בבסיס לפני שתמשיך. עכשיו קחו את 100 גרם נתרן כלוריד הגפן ושפכו אותו לגליל התבנית.
הניחו מוט אלומיניום לא חתוך בחלקו העליון והקישו עליו קלות בעזרת פטיש כדי להגדיל את צפיפות האריזה ולהפוך את פני הנתרן הכלורי לשטוחים. הסר את המוט הלא חתוך והמשך על ידי יציקת הנתרן הכלורי שיוחדר לתבנית. החזק את החלק העליון של הגליל במקומו והרם את הבסיס כדי לנער מעט את המכלול עד שהנתרן הכלורי יוצר משטח ישר בחלקו העליון.
לאחר מכן, הניחו את מוט האלומיניום המוכן על גבי תבנית הנתרן הכלורי. הנח את מכסה התבנית עם אטם על גבי גליל התבנית ואבטח אותו. העבר את התבנית למקום בו היא תחובר לאספקת גז ומשאבת ואקום.
שרוך את התבנית מתחת לצינור למערכת השסתומים. לאחר מכן חבר כראוי את הצינור לחלק העליון של המכסה. השסתומים מיד מעל התבנית שולטים בבידוד זרימת גז ארגון התבנית ובגישה למשאבת הוואקום.
בתחילה, יש לסגור את כל השסתומים. כדי לבדוק את אטם התבנית, פתח את השסתומים לתבנית ולמשאבת הוואקום. יש לשאוב ללחץ הנמוך ביותר האפשרי לפני עצירה ובדיקת קצב ההפסד.
לאחר בדיקת אטם התבנית, החזר את המערכת ללחץ הסביבה באמצעות שסתום ההקלה של המשאבה. המשך בסגירת השסתום, המוביל למשאבת הוואקום. כשהתבנית עדיין מחוברת למערכת השסתומים, העבירו את התבנית לתנור שחומם מראש.
תן לו להישאר שם במשך שעה. לאחר שעה, התחל את תהליך ההסתננות על ידי סגירת השסתום לתבנית, יש לסגור את כל השסתומים במערכת. לאחר מכן, פתח את השסתומים לבלון הגז ארגון.
כדי לספק את לחץ ההסתננות, התכוננו לפתיחת שסתום התבנית. פתח במהירות את שסתום התבנית והמתן דקה אחת. מוציאים את התבנית מהתנור ומניחים אותה על משטח קירור כאן, גוש נחושת.
במשך חמש הדקות הבאות, עקוב אחר הלחץ על ווסת ארגון והתאם את ארגון כדי לשמור על לחץ ההסתננות. כאשר התבנית קרירה מספיק, נקוט בצעדים מתאימים כדי לנתק אותה ממערכת השסתומים. כאשר זה נעשה, העבירו את התבנית לשולחן עבודה שבו ניתן לחלץ את הדגימה.
בשולחן עבודה המצויד בסגן, אבטח את בסיס התבנית באחיזת הסגן ושחרר את החומרה המחזיקה את המכסה לחלק העליון של הגליל. כדי להסיר את החלק העליון כשהחלק העליון מוסר, השתמש בפטיש כדי להקיש קלות על גליל התבנית בניצב לאחיזת הסגן על מנת לשחרר את גליל התבנית מחריץ הבסיס. לאחר מכן, שחרר את אחיזת הסגן כדי להסיר את בסיס התבנית.
לאחר ההסרה, הניחו את בסיס התבנית בצד והתכוננו להניח את גליל התבנית בסגן. אבטח את גליל התבנית באחיזת הסגן כך שהאלומיניום שנותר בחלק העליון של הדגימה יהיה נגיש עם הפטיש. הקש על האלומיניום הנותר בחלק העליון של הדגימה כדי לדחוף אותו החוצה מגליל התבנית.
לחומר המשוחזר תהיה דגימת קצף, ניתן לחתוך עודפי דגימות אלומיניום בגובה הרצוי באמצעות מסור פס. לאחר דגימות בגובה הרצוי לחיתוך, יש להסיר את הנתרן כלורי מהפורם. לשם כך, יש מלאה במספיק מים כדי לכסות את הקצף ומוט ערבוב מגנטי על פלטה חמה מערבבת.
מתחילים לערבב ומוסיפים את הקצף. הגדר את הטמפרטורה ל 60 מעלות צלזיוס והיה מוכן להחליף את המים כל 10 דקות עד שלא נשאר נתרן כלורי בקצף. הפרוטוקול בוצע שלוש פעמים עבור גרגרי נתרן כלורי בגדלים שונים.
גדלי נקבוביות הקצף נעים בין מילימטר אחד לכ -1.2 מילימטרים, 1.4 מילימטרים עד 1.7 מילימטרים, ושני מילימטרים עד כ -2.4 מילימטרים. הנקבוביות הממוצעת של הדגימות היא 70%כל דגימה עשויה מ-99.95% אלומיניום וגודלה 51 מילימטרים קוטר וכ-25 מילימטרים גובה
.צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מפרט שיטה לייצור ספוגי מתכת נקבוביים, תוך התמקדות בטכניקת הסינון (infiltration) המשמשת ליצירת קצפי אלומיניום בעלי תאים פתוחים. התהליך כולל מילוי של תבנית בנתרן כלורי ובאלומיניום, ולאחר מכן התכה והפעלת לחץ ליצירת הקצף.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדע החומרים
- מטלורגיה
- טכניקות ייצור
רקע
- לספוגי מתכת נקבוביים יש יישומים שונים בהנדסה ובמדע החומרים.
- שיטת החלחול היא טכניקה נפוצה לייצור קצפי מתכת.
- הבנת תהליך הייצור היא קריטית לאופטימיזציה של תכונות הקצף.
- מחקר זה מתמקד באלומיניום בשל מאפייניו המועדפים.
מטרת המחקר
- להדגמה של יישום ספציפי של שיטת ההספיגה.
- להפקה של קצף אלומיניום בעל תאים פתוחים עבור יישומים פוטנציאליים.
- למתן סקירה פרוצדורלית מפורטת עבור חוקרים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- מילוי תבנית בנתרן כלורי ובאלומיניום.
- התכת אלומיניום בתנור שחומם מראש.
- הפעלת לחץ גז ארגון כדי להחדיר את הנתרן הכלורי.
- הוצאת התבנית כדי לשלוף את דגימת הקצף הסופית.
תוצאות עיקריות
- התהליך הניב בהצלחה קצף אלומיניום נקבובי.
- שיטת החלחול הייתה יעילה במילוי החללים באלומיניום.
- מאפייני הקצף הוערכו לאחר הייצור.
- ניתן לשכפל את השיטה לצורך מחקרים נוספים.
מסקנות
- שיטת החלחול היא טכניקה יעילה לייצור קצפי מתכת.
- מחקר נוסף יכול להוביל לאופטימיזציה של תכונות הקצף עבור יישומים ספציפיים.
- מחקר זה מספק הבנה בסיסית עבור חקירות עתידיות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית מרכזית
בקרה מדויקת על נקבוביות ומבנה של קצף אלומיניום בעל תאים פתוחים מאפשרת פיתוח של חומרים מתקדמים ליישומים בעלי שטח פנים גבוה במחקר ופיתוח ביו-פרמצבטיים&D, כגון סינון, קטליזה ותכנון אלקטרודות. פרוטוקול יציקת השחזור המתואר מספק נתיב הדיר שניתן לשחזור להתאמה של מאפייני הקצף, ובכך תומך בביטחון חיזוי בביצועי החומר. יכולת זו היא קריטית לשילוב חומרים חדשניים בתהליכי גילוי ובמסלולי עבודה פרה-קליניים, שבהם עקביות ותכונות ניתנות לכיוונון הן חיוניות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח של ביו-פארמה&ד'
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר חקירה סיסטמטית של קשרי מבנה-תכונה בחומרים נקבוביים הרלוונטיים לביו-עיבוד (bioprocessing) ולפיתוח מכשירים.
- תומך בתיקוף פונקציונלי של ביצועי החומר עבור יישומים הדורשים נקבוביות ושטח פנים מבוקרים.
- מסייע בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי מתן אפשרות להתאמה איטרטיבית של פרמטרי הקצף ומדידה ישירה של התכונות שהתקבלו.
סריקה ופיתוח בדיקות
- מספק מצעי קצף סטנדרטיים וניתנים לשחזור לצורך סריקה של פעילות סינון, ספיחה או קטליזה בשלבים הבאים.
- מאפשר הערכה כמותית של משתנים תלויים כגון צפיפות וגודל נקבוביות, ובכך תומך בהשוואתיות בין בדיקות.
- תומך ביכולת הרחבה (scalability) ובשימוש חוזר בפלטפורמה על ידי מתן אפשרות לביצוע שינויים בפרוטוקול כדי להתאים את מאפייני הקצף לצרכי סריקה ספציפיים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאים את תכונות החומר לדרישות התרגומיות עבור בניית אבות-טיפוס של מכשירים או פיתוח מודלים in vitro.
- מבטיח רציפות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני על ידי מתן אפשרות לייצור הדיר של מנות חומרים הניתנות לבדיקה.
- מפחית סיכונים בקידום חומרים חדשניים באמצעות אספקת מדדי ייחוס כמותיים עבור נקבוביות ומבנה.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
פרוטוקול יציקה זה משתלב ברצף החדשנות של חומרים, ומגשר בין שלבי הגילוי המוקדמים, הסינון והמחקר התרגומי, על ידי מתן אפשרות לייצור הדיר של קצפים בעלי תאים פתוחים שניתן לכיוון.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבחינת השערות לגבי האופן שבו מבנה החומר משפיע על תפקוד ביולוגי או כימי.
- סריקה: מספק מצעי קצף כמותיים וניתנים לשחזור לצורך הערכה השוואית של ביצועי תהליך או בדיקה.
- אנליטיקה: מספק נתוני פלט מדידים, כגון צפיפות וגודל נקבוביות, לצורך קבלת החלטות בנושא בחירת חומרים ואופטימיזציה.
- מחקר תרגומי: מסייע בהתאמת תכונות החומר לדרישות של מכשיר או מודל פרה-קליניים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פרוטוקול סטנדרטי הניתן להתאמה למספר R&פרויקטים הדורשים מצעי מתכת נקבוביים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בביצועי החומר ותומך בתיקוף המטרות לצורך שילוב במכשיר או בבדיקה.
- ערך תפעולי: מספק ייצור הדיר וניתן להרחבה של קצפים בעלי מאפיינים הניתנים לכוונון.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מושכלת לגבי המשך קידום החומר (go/no-go) בהסתמך על נתונים כמותיים של מבנה-תכונה.
- השפעה על תיק הפיתוח: תומך בתיעדוף מותאם סיכונים של חומרים חדשניים לצורך פיתוח ויישום נוספים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בעיבוד חומרים והיכרות עם טכניקות יציקה וחלחול.
- דורש גישה לכבשנים מבוקרים, למערכות אספקת גז ולכלים אנליטיים למדידת צפיפות ונקבוביות.
- מחייב סטנדרטיזציה קפדנית בין הצוותים כדי להבטיח את השחזוריות של מאפייני הקצף.
- ניתן להתאמה למערכות מודל שונות על ידי שינוי הרכב התבנית (preform) ופרמטרי התהליך.
- רגישות התהליך לשינויים פרוצדורליים מחייבת היצמדות קפדנית לפרוטוקול ותיעוד מדויק.
