Method Article

마이크로엠보싱: 나노셀룰로오스 종이 기반 미세유체역학에서 마이크로채널을 제작하기 위한 편리한 공정

DOI:

10.3791/65965

⸱

October 6th, 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Advanced Technology, Xi’an Jiaotong - Liverpool University, 2Department of Electrical Engineering and Electronics, University of Liverpool, 3State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi'an Jiaotong University, 4School of Intelligent Manufacturing and Smart Transportation, Suzhou City University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 프로토콜은 간단한 마이크로 엠보싱 작업을 위해 편리한 플라스틱 마이크로 몰드를 사용하여 나노 피브릴화 셀룰로오스 종이에 마이크로 채널을 제작하여 최소 너비 200μm를 달성하는 간단한 프로세스를 설명합니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

나노피브릴화 셀룰로오스에서 추출한 나노페이퍼는 미세유체 응용 분야의 유망한 소재로 상당한 관심을 불러일으켰습니다. 그 매력은 매우 매끄러운 표면, 뛰어난 광학 투명성, 나노 스케일 다공성을 가진 균일한 나노섬유 매트릭스 및 맞춤형 화학적 특성을 포함한 다양한 우수한 품질에 있습니다. 나노 페이퍼 기반 미세 유체 공학의 급속한 성장에도 불구하고 실제 응용 분야에 중요한 3D 프린팅, 스프레이 코팅 또는 수동 절단 및 조립과 같이 나노 페이퍼에 마이크로 채널을 만드는 데 사용되는 현재 기술은 여전히 특정 한계, 특히 오염에 대한 민감성을 가지고 있습니다. 또한 이러한 방법은 밀리미터 크기의 채널 생산으로 제한됩니다. 이 연구는 간단한 마이크로 엠보싱 작업을 위해 편리한 플라스틱 마이크로 몰드를 사용하여 나노 종이에 마이크로 채널을 제작하여 최소 200μm의 너비를 달성하는 간단한 프로세스를 소개합니다. 개발된 마이크로채널은 기존 접근 방식을 능가하여 4배 개선을 달성했으며 45분 이내에 제작할 수 있습니다. 또한 제작 매개변수가 최적화되었으며 애플리케이션 개발자를 위한 편리한 빠른 참조 테이블이 제공됩니다. 표면 강화 라만 분광법을 사용하여 로다민 B 감지를 위해 설계된 층류 혼합기, 액적 발생기 및 기능성 나노페이퍼 기반 분석 장치(NanoPAD)에 대한 개념 증명이 시연되었습니다. 특히, NanoPAD는 향상된 검출 한계와 함께 탁월한 성능을 보여주었습니다. 이러한 뛰어난 결과는 나노페이퍼의 우수한 광학 특성과 최근에 개발된 정확한 마이크로 엠보싱 방법에 기인할 수 있으며, 이를 통해 NanoPAD의 통합 및 미세 조정이 가능합니다.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

최근 나노피브릴화 셀룰로오스(NFC) 종이(나노페이퍼)는 플렉시블 전자, 에너지 소자, 바이오메디컬 1,2,3,4 등 다양한 응용 분야에서 매우 유망한 기판 소재로 부상하고 있습니다. 천연 식물에서 추출한 나노페이퍼는 비용 효율적이고 생체 적합성이 있으며 생분해성이 있어 기존 셀룰로오스 종이 5,6에 대한 매력적인 대안입니다. 그 탁월한 특성에는 표면 거칠기가 25nm 미만인 매우 매끄러운 표면과 조밀한 셀룰로오스 매트릭스 구조가 포함되어 있어 고도로 구조화된 나노 구조를 생성할 수 있습니다7. 나노 페이퍼의 풍부한 수산기 그룹은 조밀하고 조밀하게 포장 된 나노 셀룰로오스 구조8에 기여합니다. 나노페이퍼는 우수한 광학 투명성과 최소한의 광학 헤이즈를 나타내므로 광학 센서에 매우 적합합니다. 또한 고유한 친수성은 두꺼운 구조에서도 펌프가 필요 없는 흐름을 가능하게 하여 자율적인 ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 나노 페이퍼에 마이크로 채널 패터닝을 위한 마이크로 엠보싱 공정

  1. 금형 준비
    알림: 금형 준비에 대한 자세한 내용은 Yuan et al.12 를 참조하십시오.
    1. 재료 표에 표시된대로 PTFE 필름을 준비하십시오.
    2. 준비된 PTFE 필름을 레이저로 절단하여 볼록한 마이크로 채널 금형을 만듭니다(그림 1A-I).
      알림: PTFE 금형의 치수는 선형 1차 함수 관계에서 마이크로채널 치수(그림 2E,F)를 결정합니다.
  2. 나노페이퍼 준비
    1. (2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-일)옥실(TEMPO)-산화된 NFC 겔( 재료표 참조) 4.0g을 증류수(최종 농도 0.1wt%)에 분산시킵니다.
    2. 셀룰로오스 플록이 보이지 않을 때까지 실온에서 120.8 x g 에서 30분 동안 현탁액을 심하게 저어줍니다.
    3. 투명 현탁액을 진공 여과하여 나노페이퍼 겔을 ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

나노 페이퍼에 마이크로 채널 패턴을 만드는 독특한 방법은 편리한 마이크로 엠보싱 기술을 통해 실용적인 플라스틱 마이크로 몰드를 활용하여 고안되었습니다. 특히, 이 방법은 200μm의 작은 스케일에서 마이크로채널 패터닝을 달성하는데, 이는 기존 방법에 비해 4배 개선된 것이다(32,33,34). 패터닝 매개변수를 미세 조정한 후, 제공된 가이드라인은 제조 공정에서 우수한 반복성을 나타내며 표준 편차가 최소화되는 것이 특징입니다. 폭에서 관찰된 가장 높은 변화는 2.5%에 불과한 반면 깊이의 경우 9%입니다. 또한 그림 2E,F는 애플리케이션 개발을 위한 가이드 역할을 하기 위해 포함되었습니다.

개발된 SERS-NanoPAD의 실제 적.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구의 주요 초점은 나노 페이퍼에 마이크로 채널을 제조하는 간단한 방법을 개발하는 것입니다. 이 문제를 해결하기 위해 PTFE를 금형으로 사용하여 효율적인 엠보싱 기술이 고안되었습니다12. 온도와 엠보싱 압력을 최적화하여 NanoPAD에 대한 신뢰할 수 있는 제조 공정을 확립하기 위해 일련의 실험을 수행했습니다. 또한 다양한 분야에서 NanoPAD의 응용 분야를 조정하기 위해 빠른 참조 테이블을 사용하는 것이 입증되었습니다. 이 방법은 효율적이고 안정적이지만 몇 가지 문제가 발생했습니다. 처음에는 금속이 부드러워서 금형으로 사용되었지만, 접착성 나노페이퍼 겔에서 금속을 제거하는 데 어려움이 있었습니다. 궁극적으로 PTFE는 엠보싱 공정에서 달라붙지 않는 특성과 작동 용이성 때문에 선택되었습니다. 또 다른 과제는 중공 채널의 제작이었습니다. '겔 같은' 나노페이퍼(8 )의 강력한 수소 결합은 2개의 층의 자기 확산 및 접착을 허용하여 외력 없.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 공개할 것이 없습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 장쑤 고등 교육 자연 과학 재단 (22KJB460033) 및 장쑤 과학 기술 프로그램 - 젊은 학자 (BK20200251)의 프로그램의 재정적 지원을 인정합니다. 이 작업은 XJTLU AI 대학 연구 센터, XJTLU의 장쑤성 데이터 과학 및 인지 계산 공학 연구 센터 및 SIP AI 혁신 플랫폼(YZCXPT2022103)의 일부 지원도 받고 있습니다. 오픈 프로젝트(SKLMS2023019)를 통한 제조시스템공학을 위한 국가핵심연구소와 교육부 바이오닉스공학핵심연구소의 지원도 인정받고 있다.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AgNO<이하 >3 Hushi (Shanghai, China)7761-88-8>99%
EthanolHushi (Shanghai, China)64-17-5>99%
HexadecaneMacklin (Shanghai, China)544-76-3>99%
LabSpec softwareHoriba (Japan)LabSpec5
MelamineMacklin (Shanghai, China)108-78-1>99%
NaBH4Aladdin (중국 상하이)16940-66-2>99%
Origin lab softwareOriginLab (USA)
Polyethylene terephthalate (PET) Myers Industries (Akron, USA)
filmsShenzhen Huashenglong plastic material Co., Ltd. (Shenzhen, China)테프론 필름
PVDF 필터 멤브레인EMD Millipore Corporation (미국)VVLP04700기공 크기: 0.1 μ m
라만 분광계Horiba (일본)Xplo RA
Rhodamine BMacklin (상하이, 중국)81-88-9>95%
주사 전자 현미경 (SEM)FEI(미국)Scios 2 HiVac
실리콘 웨이퍼Horiba (일본)직경: 5mm
TEMPO 산화 NFC 슬러리Tianjin University of Science and Technology1.0 wt% 고체, 카르복실레이트 수준 2.0 mmol/g 고체, 평균 나노 섬유 직경: 10 nm
Polytetrafluoroethylene

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Zhu, H., Fang, Z., Preston, C., Li, Y., Hu, L. Transparent paper: fabrications, properties, and device applications. Energy & Environmental Science. 7 (1), 269-287 (2013).
  2. Nogi, M., Iwamoto, S., Nakagaito, A. N., Yano, H. Optically transparent nanofiber paper. Advanced Ma....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Nanocellulose PaperMicroembossing ProcessMicrofluidic DevicesMicrochannel FabricationNanopaper MicrofluidicsSurface Enhanced RamanMicrochannel PatterningPTFE MoldLaminar MixerDroplet Generator

Related Articles