マイクロ流体浸透を通じて立体的微細構造ナノ複合材料の製造

本手法の全体的な目的は、3D多孔質マイクロ流体ネットワークへのナノ複合材料の指向性および局所的な浸透を通じて、3D微細構造複合ビームを作製することです。マイクロ流体ネットワークは、液体インクを層状に堆積させることで作製されます。その後、フィラメント間の空隙を低粘度樹脂で充填し、封止用のエポキシ樹脂を硬化させます。

次に、インクを液化させることで構造体からfugitive inkを除去し、続いて温水とヘプタンでチャネル内を洗浄します。次に、得られた管状のマイクロ流体ネットワークにナノフィラーを含む熱硬化性ナノ複合材料懸濁液を浸透させ、その後硬化させます。最終ステップとして、作製したビームを硬化させ、余剰部分を目的の寸法に切断します。

最終的に、さまざまな形態学的および機械的特性評価手法を用いて、機能性ナノ複合材料によるマクロスケール製品の設計における製造技術の能力を実証します。私たちは数年間にわたり、高度な材料、特に熱可塑性樹脂およびサーモセルベースのナノ複合材料の開発に取り組んできました。現在は、新しい材料系の検討および複雑な3D部品を製造する新しい手法を模索することで、本手法の限界を押し広げようとしています。

射出成形などの既存の手法に対する本手法の主な利点は、PRI法を用いることで、製品製造時にナノチューブ補強材の三次元的な配向と位置を十分に制御し、最適な条件を実現できる点にあります。この柔軟な製造技術は、他の熱硬化性材料やナノフィラーへの応用も可能です。用途としては、構造ヘルスモニタリング、振動吸収製品、マイクロエレクトロニクスなどが挙げられます。fugitive inkを溶解させるため、マイクロクリスタリンワックスとペトロラタムをホットプレート磁気撹拌機を用いて80 °Cで加熱し、溶解および混合後、インクを3 ccのシリンジバレルに充填します。

150 µmのディスペンシングノズルをシリンジに取り付け、シリンジをディスペンシングロボットのシリンジホルダーに装着します。Excelプログラムを用いて、作製したい3Dスキャフォールド構造のためのディスペンシングロボットの移動経路を設計します。この情報には、構造体の寸法、フィラメントの間隔、積層数、および作製中の各位置におけるディスペンシングのオン・オフ状態を含める必要があります。

このケースでは、寸法は長さ60 millimeters、幅7.5 millimeters、厚さ1.7 millimetersとし、各フィラメント間の水平間隔を0.25 millimeterに設定することで、フィラメント径を約150 micrometersにします。圧力レギュレーターで堆積圧力を1.9 megapascalsに設定し、ロボットの吐出速度を4.7 millimeters per secondに設定します。次に、エポキシ基板上へのインクベースフィラメントの堆積を開始します。

これにより2Dパターンが形成され、これがマイクロスキャフォールドの第1層となります。吐出ノズルのZ位置をフィラメントの直径分ずつ順次上げていくことで、マイクロスキャフォールドの追加層を堆積させ続けます。各層の形成には約4〜5分かかり、この方法で数百層に及ぶ自立構造体を構築することが可能です。

次のステップは、封止に使用するエポキシ樹脂を準備することです。まず樹脂と硬化剤を混合し、その後、エポキシ混合物を真空下で30分間脱泡します。脱泡後、液体ディスペンサーを用いて負圧をかけ、エポキシを3 ccのシリンジバレルに充填します。

次に、内径 0.51 millimeters のノズルをシリンジバレルに装着します。樹脂の流れを促すため、インクスキャフォールドを傾斜させた状態で配置します。その後、同じ流体ディスペンサーと装着済みノズルを使用して、傾斜させたスキャフォールド構造の上端にエポキシを滴下します。

その後、エポキシ樹脂は重力と毛細管力によってフィラメント間の空隙に流れ込みます。スキャフォールドのフィラメント間の空隙が完全に充填されるまで、エポキシ樹脂を滴下し続けます。封止用のエポキシ樹脂を室温で24時間予備硬化させた後、構造物をオーブンに入れ、60 °Cで2時間後硬化させます。

硬化後、精密のこぎりを使用してエポキシの余剰部分を切り出します。次に、構造体の両端に直径約1 mmの穴を開けます。インクスキャフォールドに到達させるため、それぞれの穴にプラスチックチューブを挿入します。

次のステップは、構造体から揮発性インクを除去することです。まず、サンプルを90 °Cのオーブンに30分間入れ、インクを液状化させます。オーブンからサンプルを取り出した後、プラスチックチューブを通して熱い蒸留水を5分間吸引し、チャネルネットワークを洗浄します。

次に、インク除去後、チャンネル壁に残ったインクの残留物を除去するため、さらに5分間ヘキサンをチューブ経由で吸引します。これにより、相互接続された3Dマイクロ流体ネットワークが形成され、使用時まで室温で保存することが可能です。ナノ複合材料を調製するには、アセトンまたはジクロロメタンに溶解した0.1 mMの亜鉛プロトポルフィリン9界面活性剤溶液に、カーボンナノチューブ150 mgを加え、最終的なナノチューブ濃度を0.5 wt%にします。

次に、超音波バスを用いて懸濁液を30分間超音波処理します。これにより、ナノチューブ凝集体を分散させます。エポキシ樹脂またはウレタン樹脂を、溶媒の沸点よりわずかに低い温度に設定したマグネチックスターラー付きホットプレート上で、ナノチューブ懸濁液と混合します。

4時間沸騰させた後、ナノ複合材料混合物を超音波洗浄槽に入れ、40～50 °Cで加熱しながら1時間超音波処理を行います。次に、ナノ複合材料を30 °Cで12時間加熱し、その後、残留溶媒を蒸発させるために50 °Cの真空条件下で24時間加熱します。翌日、

ナノコンポジットの一部を室温で取り分けておき、大きなナノチューブ凝集体を破壊する前のベースライン比較用として使用します。3本ロールミルの中間ロールの回転速度を250 RPMに設定し、ロール間の隙間を25 µmとして、残りのナノコンポジット混合物を5回通過させます。次に、ロール間の隙間を10 µmに調整し、さらに5回通過させます。最後に隙間を5 µmまで縮小し、さらに10回通過させます。ローラー通過前後のナノコンポジットをここに示します。

次に、混合中に混入した気泡を除去するため、デシケーターを用いて真空ポンプで最終混合液を24時間脱気します。次のステップは、ナノ複合材料をマイクロ流体デバイスに注入することです。流体ディスペンサーにナノ複合材料を入れた後、ディスペンサーに負圧をかけることで、ナノ複合材料を3 ccシリンジバレルに充填します。

シリンジバレルに細いノズルを取り付け、そのノズルをマイクロ流体デバイスのチューブに挿入します。次に、ネットワークへの充填を促進するために、必要に応じて流体ディスペンサーの圧力を400 kilo pascalsに設定します。別の流体ディスペンサーを使用して、マイクロ流体ネットワークの出口側に負圧をかけます。

圧力を加えると、ナノ複合材料サスペンションがプラスチックチューブを通ってマイクロ流路ネットワーク内に充填されます。注入後まもなく、ナノ複合材料で満たされた複合ビームにUV照射を30分間行い、予備硬化させます。その後、製造したビームをオーブンに入れ、80 °Cで1時間、続いて130 °Cでさらに1時間後硬化させます。

のこぎりで余分なエポキシ部分を切り除き、ビームを目的の寸法に研磨した後、作製した3D強化ビームの等角投影図をここに示します。この断面図には、ナノ複合フィラメントの9層が示されています。この図は、作製したビームの破断面のSEM像と、ナノ複合マイクロファイバーが埋め込まれたチャネルの1つの高倍率像を示しています。

チャネル壁に剥離が見られないことから、周囲のエポキシ樹脂と浸透材は十分に密着していると考えられ、これはインク除去後にヘキサンでチャネルを適切に洗浄した結果であると推測されます。対照的に、ここに示しているのは、インク除去時にヘキサンを使用しなかった機械的試験中の破断ビームです。機械的な界面の不良による繊維の剥離が観察されており、これはネットワーク洗浄後にインクの痕跡が残留していたためである可能性があります。

ベンチマークとして使用した成形済みバルクエポキシ試料と、3D強化ビームの貯蔵弾性率をここに示します。埋め込みエポキシ材料と周囲のエポキシ材料を組み合わせた作製ビームは、わずか約0.18重量%のカーボンナノチューブの存在のみで、優れた温度依存特性を示しています。3点曲げ試験の結果、カーボンナノチューブの配置により、3D強化ビームの曲げ弾性率は純粋なエポキシを浸透させたビームと比較して34%増加したことが示されました。

成形されたバルクエポキシ試料を参考として示します。このパターニング手法は、フレキシブルマイクロエレクトロニクスから3D非複合マクロ構造に至るまで、幅広いアプリケーションに応用可能です。MEMS向けに。

私たちは、新しい材料系を検討することや、熱硬化性および熱可塑性ベースのナノ複合材料を用いた3Dフリーフォームプリンティングなどの新しい3D構築方法を調査することで、この技術の限界を押し広げる取り組みを行っています。ありがとうございました。