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방법 논문

오목 다공성 PDMS 비즈의 마이크로 버블 제작

8K 조회수

DOI:

10.3791/53440

2015년 12월 15일

이 논문에서

요약

미세 구조의 오목한 다공성 폴리디메틸실록산 비드를 생성하는 데 사용되는 절차가 제시됩니다. 수성 단계 내에서의 전해질 농도 및 동일성의 영향이 특히 강조됩니다.

초록

Microbubble 제조(미세 에멀젼 사용)는 고분자 재료의 표면적-부피(SAV) 비율을 증가시키는 수단을 제공하며, 이는 분리 응용 분야에 특히 유용합니다. 다공성 폴리디메틸실록산(PDMS) 비드는 이러한 에멀젼을 열처리하여 생산할 수 있으며, 이를 통해 수성상과 지방족상 사이의 계면이 고분자의 형태를 성형할 수 있습니다. 여기에 설명된 절차에서는 폴리머와 가교제(트리에톡시실란)가 모두 냉욕 초음파 처리기에서 함께 초음파 처리됩니다. 일정 기간의 가교 후, 에멀젼을 뜨거운 계면 활성제 용액에 적가하여 에멀젼의 수성상이 분리되고 다공성 폴리머 비드를 형성하도록합니다. 우리는 이 방법이 에멀젼에서 수성상의 전해질 함량을 조정함으로써 조정되고 SAV 비율이 최적화될 수 있음을 보여줍니다. 이러한 방식으로 생산된 비드는 주사 전자 현미경으로 이미지화하고 대표적인 SAV 비율은 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 분석을 사용하여 측정합니다. 전해질 동일성에 대한 상당한 변동성이 관찰되지만 일반적인 경향은 일관됩니다 : 특정 농도에서 얻어진 SAV의 최대치가 있으며 그 후 다공성이 현저히 감소합니다.

서론

폴리디메틸실록산(PDMS)은 가장 널리 사용되는 실리콘 화합물 중 하나입니다. 생체 적합성은 임플란트 및 기타 생체 의학 공학 구조에 널리 사용되도록 이끌었습니다1,2. 오르가노실릴 화합물(예: 트리에톡시실란)을 사용하여 탄성 구조로 간단하게 가교 결합되며, 이는 약간의 유연성이 필요한 주조 폴리머 응용 분야에 유용하게 사용되는 간단하고 신뢰할 수 있는 절차입니다3. 일단 가교결합되면 PDMS는 특히 생물학적 조건에서 대체로 불활성이므로 다양한 식품 및 의료 응용 분야에 유용합니다4,5. 주조의 용이성, 화학적 불활성 및 소수성으로 인해 미세 유체 장치6,7에 대한 자연스러운 선택이 되었습니다. 비할로겐화, 비극성 유기 화합물에 대한 친화력으로 인해 분리 화학8-10에서 인기 있는 고정상으로 만들어졌습니다.

최근에, microbubble 제작은 촉매 구조상 기질로 또는 화학 별거11,12에서 사용을 위한 다공성 구슬을 생성하기 위하여 이용되었다. 두 응용 분야 모두에서 이상적인 재료는 최상의 효율성을 위해 최대화된 표면적-부피(SAV) 비율을 갖습니다. microbubble 제작 과정에서는, 물자의 microstructuring는 전형적으로 수성 연속적인 단계에 있는 유화에 의해 지방족 "microbubbles"에 있는 중합체를 고립시킴으로써 달성됩니다. 미세 다공성 PDMS 비드에 대한 초기 보고서는 2상(지방족 및 수성)의 기계적 유화에 의해 생성되었습니다13. 원액 PDMS 액체(및 이의 가교제)는 지방족상으로 용해되며, 이는 (연속) 수성 상 내에서 캐비테이트하도록 강제되어 미세한 비드로 구조화됩니다. 유화는 비이온성 계면활성제의 첨가에 의해 안정화됩니다. 에멀젼을 가열된 수조에 적방울로 첨가하면 마이크로버블의 응집에 의해 가교 PDMS의 작은 구체 클러스터로 고체 비드가 형성됩니다. 이 프로토콜의 목표는 이 절차를 수정하여 재료의 SAV 비율을 개선하기 위해 역 다공성을 가진 비드를 개발하는 것입니다.

이전에 보고된 바와 같이, 비드의 제어는 에멀젼의 지방족:수성 비율에 의해 어느 정도 지시될 수 있습니다. 그러나, 우리는 최근에 백금(IV) 염화물(PtCl4)을 첨가하면 다공성이 역전된다는 보고를 받았다: PDMS가 오목한 공극14로 가득 찬 물질이 형성된다. 이것은 수성층이 지방족 층(aliphatic layer) 내부에서 공동화됨을 나타내는데, 원작13에 발표된 것과 유사한 지방족:수성 비율을 가지고 있음에도 불구하고 말이다. 이 방법의 주요 장점은 이러한 오목한 다공성으로 인해 자연스럽게 SAV 비율이 증가하여 분석 화학 응용 분야의 효율성이 향상된다는 것입니다. 우리는 백금 화합물의 첨가의 구체적인 효과를 계속 탐구하고 있지만, 여기서는 아마도 감소된 정도일지라도 수용성 이온 화합물을 사용하여 동일한 효과를 달성할 수 있음을 보여줍니다. 우리의 기술은 이전에 보고된 것과 몇 가지 주요 측면이 다르기 때문에 다른 사람들이 우리의 방법을 확장하도록 장려하기 위해 여기에 프로토콜을 비디오로 제시합니다. 가장 주목할만한 것은, 우리는 마이크로 버블 제조에 자주 사용되는 (상당히 비싼) 프로브 초음파 발생기 대신 유리 제품 또는 기타 장비를 청소하는 데 사용되는 유형의 일반적인 수조 초음파 발생기를 사용합니다. microbubble 제작 절차에 이 조정한 접근은 대량 물자의 생산을 위해 또한 잠재적으로 확장될 수 있어, 생물 의학 장치, 항공 우주 및 자동차 산업, 또는 화학 촉매 작용을 위한 기질에는 응용이 있을 수 있는 다공성 장 또는 석판을 창조하. 이러한 분석을 위해 다른 유사한 폴리머를 사용하여 높은 SARV 비율의 미세 구조 재료를 생성하려는 사용자는 당사의 프로토콜이 마이크로버블 에멀젼 기술을 적용할 수 있는 모든 폴리머로 확장될 수 있음을 알 수 있습니다.

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프로토콜

에멀젼 1. 준비

  1. 에멀젼 내용
    1. 질량 소금 적당량 0.03 M 용액 10 ㎖를 제조한다. 백금 (IV) 클로라이드 측정 0.101 g, 아연 (II) 클로라이드 (ZnCl 2) 측정 값 0.032 g 및 염화나트륨 0.018 g위한 계수.
    2. 각각의 시험관에, DI 물 10 ㎖로 각각의 염을 용해. 나중에 사용하기 위해 따로 설정합니다.
    3. 이 절차를 통해 내용에 대한 20 ml의 밀봉 유리 병을 사용합니다. 유리 병에 균형을 용기.
    4. 천천히 교반로드 이상과 제로화 규모에 휴식 유리 병으로 그것을 부어 비닐 말단 폴리 디메틸 실록산의 무게. (1.080 ml의에 해당) 1.02 g을 달아.
      참고 :이 폴리머의 높은 점도 피펫 비현실적 있습니다.
    5. 피펫 유리 병에 n- 헵탄 1.02 ml의. 유리 병에 비 이온 계면 활성제 (소르 비탄 모노 올레 에이트) 2 방울을 추가합니다. 피펫 염 용액 0.3 ㎖의 유리 병에 DI-물 0.45 ml의.
    6. 단단히에서 뚜껑을 돌려서 유리 병을 밀봉합니다. 초음파 처리를 시작하기 전에 유제를 개시하기 위해 60 초 동안 격렬하게 흔들어.
  2. 물 목욕 초음파 처리 장치의 건설
    1. 최소 적재 선에 물 위로 초음파기를 입력합니다. 400 mL의 비커에 수돗물의 250 ML을 추가합니다. 수위가 단지 림이되도록 얼음과 400 mL의 비커를 입력합니다.
    2. 물 목욕 초음파 처리기 내부에이 비커를 놓습니다. 초음파기에 필 온라인, 필요한 경우 조정을 확인합니다. 링이 물에 목욕 초음파기 바로 옆에 서 놓습니다.
    3. 팔이 밖으로 확장 될 수 있도록 두 개의 링, 클램프 스탠드를 배치하여, 링에 수직 스탠드하고 얼음 물이 가득 비커에 아래쪽을 가리 키도록 다른 하나는 물 목욕으로 확장됩니다. 온도가 초음파 통하여 모니터 할 수 있도록 또 다른 클램프 링 다운 400 ㎖의 비이커에 온도계를 부착 스탠드.
  3. Emulsif확인해 주시죠 절차
    1. 완전히 비커에 아래로 돌출 클램프로 고정하여 400 mL의 비커에 빠져​​들도록 에멀젼 함유 병을 놓습니다.
    2. PDMS를 함유하는 혼합물을 유리 바이알은 마찰로 인한 열을 제거하기 위해 비이커의 측면을 건드리지되지 않는다는 것을 보장한다.
    3. 초음파기를 켜고 7 분간 초음파 시간을 설정합니다. 에멀젼은 매우 열 민감하기 때문에, 비커 내의 온도가 0 ° C에서 5 사이에 걸쳐 초음파인지 확인. 비커 내의 온도가 바람직하다 일단 초음파를 시작한다.
    4. 초음파의 7 분 후, 에멀젼에 형성 수있는 덩어리를 제거하기 위해 유리 병의 상단을 잡고, 1 분 / 소용돌이를 흔들 부드럽게 병을 제거하고.
    5. 비커의 내용을 폐기하십시오. 물 250 ㎖로 채우고 내에서 1cm로 채우기에 비커의 상단을 얼음을 추가합니다.
    6. 다시 클램프의 병을 놓습니다. resum하기 위해 얼음 물 아래 잠수함7 분 동안 전자 초음파.
    7. 반복 여덟, 7 분간 초음파 처리 기간의 총 1.3.6 1.3.3하는 단계, 또는 초음파 균질 것으로 나타나고 더 덩어리가 존재하지 않을 때까지. 실온에서 보관하십시오.
      주 : 유화 며칠 동안 안정해야하지만 균일 나타날 때까지 7 분 간격으로 상기와 같이 초음파에 의해 회수 될 수있다. 실온에서 보관하십시오.

2. 교차 결합

  1. 트리에 톡시 실란 / 계면 활성제 용액을 첨가 설치 프로그램
    1. 피펫 5.4 ml를 시험관에 톡시 실란. 나중에 사용하기 위해 후드 테스트 튜브 랙에 놓는다.
    2. 얼음 물 400 mL의 비커를 입력하고 후드 아래에 배치합니다. 다음 링이 부착 된 클램프 스탠드 400 mL의 비커 장소에, 비커의 입구에 직접 확장. 이 트리에 톡시 실란의 추가를위한 얼음 욕조됩니다.
    3. 링 스탠드의 반대편에 핫 플레이트를 놓습니다. 약 700 ml의 800 비이커를 채우수돗물. 핫 플레이트에 놓습니다.
    4. 핫 플레이트의 전원을 켜고 800 mL의 비커 내부에 85 ° C 75의 온도를 유지한다. 800 ㎖의 비이커 안에 물의 온도가 모니터링 될 수 있도록 링 스탠드에 온도계를 부착 클램프.
    5. 물 375 ㎖ (4.62 mM)을로 도데 실 황산나트륨 0.5 g을 용해시킴으로써 계면 활성제 용액을 생성한다. 깨끗하고 빈 시험관에 계면 활성제 용액의 약 10 ML을 추가합니다.
    6. 다른 링 클램프 활성제 시험관과 후드 아래 스탠드 부착은 액체 레벨이 800 ㎖의 비커 안에서 수면 아래가되도록 고정. 열 평형 10 분을 허용합니다.
    7. 여과지를 적시고 작은 깔때기의 상단에 배치. 250 ㎖의 삼각 플라스크 내부의 깔때기의 줄기를 놓고 후드 아래에 플라스크를 배치합니다.
  2. 트리에 톡시 실란의 추가
    1. 빙수 부리 위에 클램프 에멀젼 바이알을 놓고후드 안쪽 어. 바이알 내용물이 물의 표면 아래에 있도록 클램프 PDMS 혼합물을 위치. 트리에 톡시 실란의 첨가는 발열 반응을 초래하므로 에멀젼은 구조를 유지하기 위하여 저온 유지되어야한다.
    2. 가스 축적을 방지하는 데 유리 바이알에서 뚜껑을 제거한다.
    3. 천천히 약 10 초 (약 0.5 ㎖ / 초)에 걸쳐 연속적인 스트림으로 유리 바이알에 시험관 함유 트리에 톡시 실란을 붓는다.
      주의 : 트리에 톡시 실란의 첨가는 발열 반응과 부식성 염화수소 가스의 방출을 개시한다. 유리 병은 매우 뜨거워 질 것이고, 독성 가스 혼합물로부터 진화 할 것이다. 트리에 톡시 실란을 추가하는 동안 내용을 저어하지 마십시오.
    4. 열 보호 장갑을 착용 한 채 완전히 트리에 톡시 실란을 추가 한 후, 부드럽게 유리 교반 막대와 내용을 저어. 2 분 동안 또는 유리 병에서 진화 가스 멈출 때까지 기다립니다.
    5. FOLL가교 때문에, 시료에서 볼 상분리 없다. 덩어리가 존재하는 경우, 바이알을 밀봉하고 뚜껑으로 병 채 20 초 동안 흔들어 엄격.
  3. 구슬 생산
    1. 유리 병에서 가교 유화를 그릴 청소, 유리 파스퇴르 피펫을 사용합니다. 적가 시험관 방울 사이에 가능한 한 적은 시간이 소요로 (75 및 85 ° C 사이에서 유지되어야한다), 계면 활성제 용액에 가교 된 에멀젼을 추가한다.
    2. 30 초 에멀젼의 첨가 후 1 분 고체 시험관 내부에 형성되기 시작으로, 계면 활성제 용액을 천천히 가스를 포한한다.
    3. 열 보호 장갑을 착용하고있는 동안, 클램프에서 테스트 튜브를 타고 후드 아래 여과 장치에 전체 내용을 붓는다. 5 분 동안 필터. 필터에서 필터 용지를 제거합니다.
    4. H 하에서 O / N의 건조 시계 유리 비드 상에 분리 된 고체를 여과를 전송할짐 우드. 구슬의 청소는 무기한 연기 될 수있다. 상점은 필요할 때까지 밀폐 된 유리 병에 실온에서 구슬을 건조하고 깨끗한 즉시 사용하기 전에.
  4. 구슬 청소
    1. 후드 아래 다른 여과 장치를 만들고 필터 종이 위에 깔때기 내부의 건조 구슬을 배치합니다.
    2. 모든 구슬이 세척되어 있는지 확인하기 위해 주위에 약간을 이동, 부드럽게 구슬을 씻어 DI-물이 가득 플라스틱 세척 병을 사용합니다.
    3. 구슬은 후드 아래에 시계 접시에 그들을 배치하여 1 시간 동안 건조 시키십시오. 물 세척에 대해 동일한 방법을 사용하여 구슬을 씻어 헥산 가득 세척 병을 사용합니다.
    4. 시계 유리 구슬을 놓습니다. 시계 접시를 놓고 후드 아래 구슬은 건조.
    5. 구슬이 완전히 건조 된 후 나중에 사용하기 위해 실온에서 작은 밀폐 유리 병 및 저장에 배치합니다.
  5. SEM 분석 및 SEM 설정의 구슬을 장착
    1. DO의 스트립을 배치구슬이 장착 될에 그루터기 위에 uble 양면 탄소 전도성 테이프. 가위를 사용하여, 가장자리 아무런 테이프 중단 없도록 그루터기 주위 트림.
    2. 평평한 표면에 스텁에서 필터 종이를 놓습니다. 접착제 밑면이 노출되도록 테이프로부터 상부층을 제거한다.
    3. 조심스럽게 그루터기 위에 구슬을 붓는다. 일부 구슬 테이프에 충실하지만, 대부분은 필터 종이에 반사되어 토지 것입니다. 그들은 필터 종이에 머물 경우 유리 병에이 다시 부어. 필요한 경우 오염 될 (2.4.5 2.4.2에 따라) 어떤 구슬을 세척, 반복합니다.
    4. 구슬이 스텁에 안전하게 보장하기 위해, 전구 주사기를 사용하여 가볍게 스텁 표면에 매우 밀접하게 날려. 일부만 테이프에 부착하는 경우 스텁 위에 더 구슬 붓는다. 모든 구슬은 SEM 챔버에 그루터기를 배치하고 대피하기 전에 안전한지 확인합니다.
    5. 샘플이 제대로 장착되고 나면 그들은 지금 SEM의 항문을받을 준비가되어이 Analysis (15). 비드의 표면 형상의 분해능을 최적화하기 위해 15 keV의 VAC에서 LOW 모드에서 이미지를 수집한다.

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결과

다른 전해질 조건 에멀젼으로부터 발생 비드의 대표적인 SEM 이미지가도 1에 도시된다.도 1a는 DuFaud하여 얻은, 등. (13)과 유사한 비드를 도시 모든 전해질의 첨가없이, 우리의 방법을 사용하여 제조. 구슬은 각각의 금속 이온에 대해 서로 다른 형태 학적 결과, 그림 1B-D에 표시. 도시 된 모든 이미지에 대해, 0.03 - M 전해질 용액 300 μL 그 위상 0.012 M의 전해질 농도를 제공 성상위한 DI 물 300 μL 대신에 사용 하였다. 높은 해상도 이미지는 () 아니오 전해질과 ZnCl 2 생산 구슬의 그림 2에 표시됩니다.

브루 나 우어 - 에메 트 - 텔러 비드 (16, 17)는 다섯 가지 다른 압력에서 질소 등온선을 사용하여 수행 하였다 (BET) 분석. 도 1에

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토론

도 1의 다른 SEM 이미지로도 1a의 비교에 의해 볼 수 있듯이,이 프로토콜을 이용하여 (전해질 농도 및 아이덴티티를 조정함으로써) 생성 된 비드., 낮은 이온 강도 에멀젼 제조 것과는 근본적으로 다르다 당초 보고서 사용 상기 수성 지방족 인터페이스 14 중합 가교 결합 반응을 촉매 의도 PTCL 4. 이 보고서에서, 큰 오목 들여 쓰기는 볼 수 있었다. 해당 보고서 이후, 우리는 SAV 비율을 최적화하기 위해 절차를 세련했다. 구슬을 세척하지 않고, SEM 이미지 내 도메인의 원소 분석은 백금 비드 구조를 통해 발견되는 오목한 구멍 내에서 거의 독점적으로 발견 된 것을 나타냅니다. 이 백금 쉽게 물에 구슬을 교반에 의해 제거 되었기 때문에, 우리는 백금은 단순히 오히려 나는 것보다, PDMS 표면에 잔여 물 것을 우리의 원래의 보고서에서 결론중합체로 ncorporated. 이는 경화 공정에서 백금 촉매의 역할을 암시.

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공개 사항

저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

이 작품은 화학의 부서 및 연구의 사무실 (RCAP 13-8032)에서 내부 지원을 포함하여 과학 및 공학, 웨스턴 켄터키 대학의 오그 덴 대학에서 지원하고있다. WKU 현미경 시설에서 닥터 존 Andersland (SEM 이미지) 및 연소 공학 (BET 분석)에 대한 WKU 연구소의 부교수 연의 카오의 지원은이 작업을 수행의 중심이되고있다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
폴리(디메틸실록산), 비닐 종결시그마-알드리치68083-19-2
n-헵탄시그마-알드리치142-82-5가연성
트리에톡시실란시그마-알드리치998-30-1가연성, 독성이 있는
소르비탄 모노레이트(Span-80)플루커1338-43-8
백금(IV) 염화물시그마-알드리치13454-96-1독성
아연 (II) 염화Sigma-Aldrich7646-85-7
염화나트륨Sigma-Aldrich7647-14-5
2.8 L 수조 초음파 발생기VWR97043-964
이 강한 물

참고문헌

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