안정적이고 기능적인 잉크의 제형은 적층 제조의 응용 분야를 확장하는 데 매우 중요합니다. 차례대로, 효과적인 잉크 배합을 위해서는 분산제/입자 결합 메커니즘에 대한 지식이 필요합니다. DRIFTS(Diffuse Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy)는 이러한 메커니즘에 대한 통찰력을 얻을 수 있는 간단하고 저렴한 방법으로 제공됩니다.
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안정적이고 기능적인 잉크의 제형은 적층 제조의 응용 분야를 확장하는 데 매우 중요합니다. 차례대로, 효과적인 잉크 배합을 위해서는 분산제/입자 결합 메커니즘에 대한 지식이 필요합니다. DRIFTS(Diffuse Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy)는 이러한 메커니즘에 대한 통찰력을 얻을 수 있는 간단하고 저렴한 방법으로 제공됩니다.
적층 제조 또는 3D 프린팅에서는 미크론에서 거시적 레이어까지 재료를 한 방울 씩 증착합니다. 일반적인 잉크젯 잉크는 용제, 인쇄된 층을 구성하는 나노에서 미크론 크기의 입자, 입자를 안정화하기 위한 고분자 분산제, 층 강도, 표면 장력 및 점도를 조정하기 위한 폴리머를 포함하여 약 10개의 구성 요소를 포함하는 콜로이드 분산액입니다. 이러한 잉크를 합리적이고 효율적으로 공식화하려면 구성 요소가 어떻게 상호 작용하는지 아는 것이 중요합니다. 구체적으로 말하자면, 어떤 폴리머가 입자 표면에 결합하고 어떻게 부착됩니까? 이 질문에 답하기 위해서는 입자에 흡착된 고분자와 자유 고분자를 구별하는 실험적 절차가 필요합니다. 또한, 이 방법은 고분자의 작용기가 입자와 어떻게 상호 작용하는지에 대한 세부 정보를 제공해야 합니다. 이 프로토콜에서는 원심분리를 사용하여 흡착된 폴리머가 있는 입자를 잉크의 나머지 부분에서 분리하고, 분광 측정을 위해 분리된 샘플을 준비하고, 분산제/입자 결합 메커니즘의 정확한 측정을 위해 DRIFTS(Diffuse Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy)를 사용하는 방법을 보여줍니다. 이 방법론의 중요한 장점은 간단하고 일반적으로 사용 가능한 실험실 장비만 사용하여 높은 수준의 기계론적 세부 정보를 제공한다는 것입니다. 이를 통해 거의 모든 배합 실험실에서 중요한 데이터를 사용할 수 있습니다. 이 방법은 100nm 이상의 금속, 세라믹 및 금속 산화물 입자로 구성된 잉크에 가장 유용합니다. 이러한 잉크의 밀도와 입자 크기 때문에 원심분리로 쉽게 분리할 수 있습니다. 또한, 이러한 입자의 분광 서명은 흡수된 고분자와 쉽게 구별할 수 있습니다. 이 기술의 주요 한계는 분광법이 분산된 입자와 반대로 분리되고 건조된 입자에 대해 현장에서 수행된다는 것입니다. 그러나 습식 분리 입자의 감쇠된 총 반사 스펙트럼의 결과는 DRIFTS 측정의 유효성에 대한 증거를 제공합니다.
첨가제 제조는 최근 의료 기기 1 반도체에 도자기에 이르기까지의 제조를위한 유망 기술로 떠오르고있다. 첨가제의 제조 응용 인쇄 세라믹, 금속 산화물 및 금속 부품으로 확장됨에 따라, 특수 기능 잉크를 배합 할 필요가 발생한다. 필요한 기능 잉크를 공식화하는 방법의 문제는 표면 및 콜로이드 과학에 근본적인 문제에 관한 : 집합에 대해 안정화 콜로이드 분산 입자하는 메커니즘은 무엇인가? 대체로, 안정화는 입자 (따라서 응집)의 근접 접근 중합체 얽힘 (입체적 안정화)의 엔트로피 패널티 의해 쿨롱 반발력 (정전 안정화)에 의해 어느 것이 방지되어, 또는 쿨롱의 조합에 의해 입자 표면의 변형을 필요 그리고 엔트로피 힘 (electrosteric 안정화) 2. 위해서는 이러한 메커니즘 중 하나를 달성안정화는 또한 중합체 또는 짧은 사슬 관능기의 부착을 통해 입자 표면 화학을 수정하는 것이 일반적으로 필요하다. 따라서, 안정된 잉크의 기능적 합리적 제제는 우리가 특정 화학 첨가제가 어떤 화학 그룹 입자 표면에 부착되어 입자 표면에 부착되어 있는지 여부를 알 것을 요구.
이 프로토콜에서 제시된 방법의 목적은 기능성 잉크의 입자 표면에 흡착 된 화학 종의 신속한 특성화를 입증하는 것이다. 이 목표는 크게 과학자 및 인쇄 세라믹, 금속 산화물, 금속 장치에 관심이 엔지니어의 범위에 의해 실행 활동에 표면 및 콜로이드 과학자에 대한 전문 작업에서 기능성 잉크 배합 전환으로 특히 중요하다. 이 목표를 달성하기 위해서는 불투명, 높은 고체 부하 분산을 특성화의 도전을 극복하는 실험을 설계해야합니다. 또한 채널 사이의 차별이 필요합니다분산에 존재하지만 실제로 흡착되는 것과 입자에 흡착되지 않습니다 emical 종. 그것은 또한 화학적으로 약하게 physisorbed되는 것과 입자에 흡착되어 그 종의 구별이 필요합니다. 이 실험 프로토콜에서, 우리는 기능성 잉크의 분산제 첨부 파일의 특성에 대한 확산 반사율 적외선 분광기의 사용을 제시한다. 확산 반사율 적외 분광 측정은 분산 단지 본 것과 흡착 종을 구별 할 필요가 미리 분석 시료 전처리 기술을 따른다.
다양한 방법은 현재의 화학 잉크 성분 및 콜로이드 분산 된 입자 사이의 상호 작용의 특성에 대한 통찰력을 얻기 위해 사용된다. 이러한 방법 중 일부는 속성이 표면 기능화와 상관 관계 추정된다 측정하는 간접적 인 프로브입니다. 예를 들어, 슬러리 또는 레올 침강 R의 변화ATES는 표면 개질제 3의 흡착과 상관 관계 것으로 추정된다. 입도 분포는 동적 광산란 (DLS) 및 제타 전위를 특징으로, 전기 영동 이동도를 특징으로, 표면 전하를 가진 중합체 또는 4,5- 종의 흡착에 대한 통찰력을 제공한다. 유사하게, 열 중량 분석 (TGA)에 의해 프로브로서 질량 손실을 샘플링 탈리 종의 존재 및 흡착 및 입자 (6) 사이의 상호 작용의 강도에 관한 것이다. 상술 한 간접 프로브로부터의 정보는 표면 화학 변화를 제시하지만, 그들은 흡착 종의 신원 또는 흡착기구에 직접 통찰력을 제공하지 않는다. 다이렉트 통찰력은 다수의 부품이 분산액에 존재하는 기능성 잉크에 특히 중요하다. 상세한 분자 레벨 정보, X 선 광전자 분광법 (XPS) 7 C 13 핵 자기를 제공한다공명 (NMR) 4, 6, 적외선 분광법 8-12 탐구하고있다. 이 세 가지 옵션 중 적외선 분광법은 특히 유망하다. 13 C NMR에 비해, 적외선 분광법은 잉크 (13)의 측정시 간섭을 방지하기 위해 분석적으로 순수한 용매로 제제화 될 것을 요구하지 않는다. X 선 광전자 분광법에 비해, 표준 적외선 스펙트럼을 측정시의 초고 진공 상태에 대한 필요성을 피하기 위해, 주위 압력에서 수행 될 수있다.
콜로이드 분산 세라믹, 금속 산화물 및 금속 나노 입자 사이의 상호 작용을 조사하는 적외 분광법의 사용에 대한 문헌의 전례가있다. 이 작품은 감쇠 총 반사율 적외선 (ATR-IR) (9)를 사용하여 현장에서 계면 화학을 측정하는 시도로 분리하고, 고체 시료 채취 (8)를 사용하여 계면 화학 EX의 현장 측정을 시도 할 수 있습니다. While은 현장 측정에서, 스펙트럼 조작의 필요성으로 인해 발생하는 불확실성이 용매 및 여러 중합체 성분이되는 다 성분 잉크하는 방법을 어렵게 장점이있다. 따라서,이 프로토콜은 고체 샘플링 및 전 현장 측정에 초점을 맞추고있다. 고체 샘플링 방법은 모두 고체 입자를 용매로부터 분리하여 수득되는 전처리 단계, 및 적외선 측정은 고체 입자에서 수행되는 분석 단계를 수반한다. 방법 간의 차이는 시료의 전처리의 선택 및 고체의 적외선 분석에 사용되는 실험 기법의 선택에 발생한다. 역사적으로, 고체를 분석하는 적외선 분광법을 사용하는 기존의 방법은 소량의 칼륨 브로마이드 (KBr) 분말과 고체 시료 (<1 %)를 분쇄 한 다음 고압 소결 혼합물 대상이었다. 결과는 투명을 KBr 펠렛이다. 이 홍보ocedure 코발트 나노 입자 7 지방산 단층과 폴리에틸렌 아민 (10)와 작용 화 지르코니아 나노 입자의 수성 현탁액으로부터 유도 분말 성공적 시도 및 Fe 3 O 4 나노 입자 (14)에 카테 콜 유래 분산제와 함께왔다. 분산제의 흡착 검출을 KBr 펠렛 화 기술의 적용이 성공적 불구 확산 반사율 적외선 분광법은 여러 장점을 제공한다. 하나의 장점은 시료 준비를 간소화한다. 을 KBr 펠렛 달리, 확산 반사율의 고체 시료는 단순히 손으로 분쇄 할 수있다. 자체 샘플 컵에 적재되고 확산 산란 외광을 측정에는 분말로서 소결 단계가 없다. 을 KBr 펠렛 위에 확산 반사율의 다른 장점은 표면 (15)의 감도 증가된다. 표면 민감성의 증가는 본원에 특히 유용하다 CRI에서광 케이블 (optical) 질문은 나노 입자 표면에 존재와 흡착의 특성이다.
콜로이드 분산 된 시료에 화학 종의 흡착을 프로빙 확산 반사율 샘플링 기법을 사용한 작업 중, 주요 차이는 액체 매질에서 나노 입자를 분리하는 방법에서 발생한다. 분리없이, 단순히 액체 매질에 용해 된 분산제 분산제 흡착 특별히 구별하는 것은 불가능하다 때문에이 공정은 매우 중요하다. 몇몇 예에서, 분리 방법은 실험 프로토콜 12,16,17에서 명확하지 않다. 지정된 경우, 가장 빈번히 실시 방법은 중력 분리를 수반한다. 이론적 근거는 세라믹, 금속 산화물 및 금속 나노 입자가보다 조밀 한 모든 주변 매체보다된다는 것이다. 들이 정착되면, 그들은 단지 구체적 흡착 종 그들 아래로 드래그한다. 화학 종은 부분과 상호 작용하지icles 용액에 남아 있습니다. 분산 쉽게 정상적인 중력 (18)에서 해결 수 있지만, 안정적인 잉크젯 잉크는 observably 년 미만의 기간을 통해 해결하지 않아야합니다. 이와 같이, 사전 분석에 대한 원심 분리를 이용하는 방법이 바람직하다. 이것은 유리 입자 (19, 20), 알루미나 8 분산제 바인더 흡착, CuO 등 (11)의 음이온 성 분산제의 작용에 분산제의 흡착의 여러 연구에서 증명되었다. 가장 최근에, 우리는 고체 산화물 연료 전지 (21)의 잉크젯 층 및 에어로졸 젯 인쇄에 사용되는 비 수계 NiO를 분산액 지방산 결합 메커니즘을 평가하는 데 사용 하였다.
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1. 사전 분석 샘플 준비
2. 확산 반사율 적외선 분광학 측정
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이 프로토콜에 설명 된 실험 절차는 고체 산화물 연료 전지의 양극을 인쇄하는데 사용 된 잉크에 NiO를 입자 안정화의 메카니즘에 대한 통찰력을 얻기 위해 적용되어왔다. 이 잉크는 2- 부탄올, α- 테르 피네 올, 및 분산제와 바인더 (22)의 범위에 NiO를 입자의 분산이다. 대표 결과는 올레산 분산제 2 부탄올에 NiO를 단순화 분산을 위해 여기에 표시됩니다. 그림 1A, 우리는 원시 확산 반사율 적외선 분광 데이터를 표시합니다. 이 데이터를 해석하기 위해, 분산액 (도 1b) 전에 NiO를 입자의 스펙트럼 분산액으로부터 얻어진 NiO를 입자의 스펙트럼을 비교하고 산뜻한 분산제, 올레산 (도 1C)의 스펙트럼이 필요하다. 우리는 그림 1의 데이터 중 어느 것도 기본 공제 또는 수학적 변환을 시행하지 않았다 점에 유의. 따라서, 전혀 문제가 없다데이터 처리에서 발생 rtifacts. 분...
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이 절차를 사용하여 고품질의 적외선 스펙트럼을 생성하기위한 두 가지 중요한 요소는 1) 수질 오염의 절대량과 샘플 및 기준 컵 사이의 수질 오염의 양의 차이를 최소화; 2) 균일 한 평면 레이어와 비슷한을 KBr 입자 크기와 샘플 및 참조 컵을 만드는. 이러한 요인은 모두 2.3 절에 설명 된 샘플 준비 절차에 특별한주의를 지불하여 달성된다.
순서 수질 오염의 전체적인 양을 최소화 기준 및 샘플에서 동일한 수질 오염을 유지하기 위해서는,이 흡습성을 KBr이 분위기의 수증기에 노출되는 시간의 양을 최소화하기 위해 상기 기준을 유지하는 것이 필요하며 KBr을 샘플 시간의 대략 같은 양의 대기에 노출. KBr을 샘플 혼합물 준비 중에 분위기에서 수증기에 노출되는 시간의 양을 최소화하도록KBr을 패킷이 개방 (또는 분말을 KBr 칭량) 전에 N, 잉크 입자 시료를 칭량한다. 또한, 적외선 샘플 구획은 깨끗하고 건조한 공기 (또는 질소 가스)의 연속 퍼지도록 물 흡착 측정시 발생에...
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저자가 공개하는 게 없다.
저자는 UES 하위 계약 # 1 S-932-19-MR002 아래에있는 공군 연구 실험실의 지원을 인정합니다. 저자는 또한 뉴욕 주 대학원 연구 및 교육 이니셔티브 (GRTI / GR15)에서 장비 지원을 인정합니다.
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| FTIR 벤치 | Shimadzu Scientific Instruments | IR_Prestige 21; 2013년에는 IR-Tracer 100 모델이 Prestige-21을 대체 | 퍼지 가능한 시료 구획이 있는 모든 연구 등급 FTIR이 허용됩니다 |
| . 시료 구획용 퍼지 가스 발생기 | Parker Balston | 74-5041NA 실험실 가스 발생기 | 1 미만의 공기를 제공합니다. ppm CO2 및 물; 또한 N2 탱크로 구획을 퍼지할 수 있습니다 |
| 확산 반사 적외선 액세서리 | Pike Technologies | 042-10XX | 샘플 준비 키트와 모르타르 및 유봉 포함(아래에 설명된 대로 별도로 구매 가능)확산 |
| 반사율 샘플 준비 키트 | Pike Technologies | 042-3040 | 샘플 홀더 컵, 주걱, 정렬 거울, 거울 브러시, 면도날 포함 |
| 마노 모르타르와 유봉 | Pike Technologies | 161-5035 | |
| 원심분리기 | ThermoScientific | Sorvall ST16 | ~5,000 rpm이 가능한 대부분의 벤치탑 원심분리기는 허용됩니다 |
| [header] | |||
| 소모품 | |||
| 원심분리기 튜브 | Evergreen Scientific | 222-2470-G8K | 호환 가능한 크기와 재질의 모든 원심분리기 튜브가 허용됩니다. |
| KBr 분말 패킷 | ThermoScientific | 50-465-317 | 대체 KBr 공급 업체를 사용할 수도 있습니다 |
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