Productie van drie-dimensionaal Microgestructureerde Nanocomposieten door Microfluidic Infiltratie

Samenvatting

Driedimensionale (3D) microstructured samengestelde liggers zijn gefabriceerd door middel van de gerichte en lokale infiltratie van nanocomposieten in 3D poreuze microfluïdische netwerken. De flexibiliteit van deze produktiemethode maakt het gebruik van verschillende thermohardende materialen en vulstof teneinde verschillende functionele 3D versterkte nanocomposiet macroscopische producten te verbeteren.

Samenvatting

Microgestructureerde samengestelde balken versterkt met complexe driedimensionaal (3D) gevormde nanocomposiet microfilamenten vervaardigd via nanocomposiet infiltratie van 3D verbonden microfluïdische netwerk. De vervaardiging van de versterkte bundels begint met de vervaardiging van microfluïdische netwerk, welke laag-voor-laag afzetting van vluchtige inkt filamenten omvat met een afgifte robot, het vullen van de lege ruimte tussen de draden met een lage viscositeit hars uitharden van de hars en tenslotte verwijderen van de inkt. Zelf ondersteunde 3D-structuren met andere geometrieën en vele lagen (bijvoorbeeld enkele honderden lagen) kunnen worden gebouwd met deze methode. De resulterende buisvormige microfluïdische netwerken worden vervolgens geïnfiltreerd met thermohardende nanocomposiet suspensies die vulstof (bijv. single-walled carbon nanotubes), en vervolgens uitgehard. De infiltratie wordt uitgevoerd door een drukgradiënt tussen twee uiteinden van de lege netwerk (hetzij door het aanbrengen van een vacuüm-of vacuüm-assisted micro-injectie). Vóór de infiltratie, worden de suspensies nanocomposiet bereid door het dispergeren vulstof in polymeermatrices met ultrasone trillingen en drie schermen mengwerkwijzen. De nanocomposieten (dwz materiaal geïnfiltreerd) worden vervolgens gestold onder UV-belichting / hitte behandeling, resulteert in een 3D-versterkte samengestelde structuur. De hier gepresenteerde techniek maakt de ontwikkeling functionele nanocomposiet macroscopische producten microengineering toepassingen zoals actuatoren en sensoren.

Inleiding

Nanocomposieten met behulp van nanomaterialen, vooral koolstof nanobuisjes (CNT) opgenomen in polymeermatrices voorzien van multifunctionele eigenschappen ¹ voor potentiële toepassingen zoals composieten, ^2, micro-elektromechanische systemen ³ (bijv. microsensors), en slimme polymeren ^4. Verscheidene bewerkingsstappen zoals CNT behandeling en nanocomposiet mengwerkwijzen kan worden verzocht voorkeur dispergeren CNTs in de matrix. Aangezien de beeldverhouding van het CNT ', hun dispersietoestand en oppervlaktebehandeling beïnvloeden vooral de elektrische en mechanische prestaties, kan de nanocomposiet veredeling variëren afhankelijk van de gewenste eigenschappen voor een gerichte toepassing ^5. Bovendien specifieke belastingstoestanden, uitlijnen CNTs langs een willekeurige richting en ook het positioneren van de versterkingen op gewenste plaatsen mogelijk verdere verbetering van de mechanische en / of elektrische eigenschappen van deze nanocomposites.

Enkele technieken zoals schuifstroom ^6-7 en elektromagnetische velden ⁸ zijn gebruikt om de CNTs lijnen langs een gewenste richting in een polymere matrix. Bovendien CNT oriëntatie veroorzaakt door dimensionale beperkende, in het bijzonder in een dimensie (1D) en twee-dimensionale (2D), is waargenomen bij de verwerking / vorming van nanocomposietmaterialen ^9-11. Er zijn echter nieuwe ontwikkelingen op de productieprocessen nog steeds nodig om voldoende controle van de drie-dimensionale (3D) oriëntatie en / of plaatsing van de nanobuis wapening tijdens het productieproces van een product voor optimale omstandigheden het toelaten.

In dit artikel presenteren we een protocol voor het vervaardigen van 3D-versterkte composiet balken via gerichte en lokale infiltratie van een 3D microfluïdische netwerk met polymeer nanocomposiet suspensies (figuur 1). Ten eerste, de fabricage van een 3D verbonden microfluidicnetwerk wordt aangetoond dat de directe-write fabricage van de diffuse inkt filamenten ^12-13 van epoxy substraten (figuren 2a en 2b), gevolgd door epoxy omhulsel (Figuur 2c) en het offer inkt verwijderen (figuur 2d) omvat. De directe-schrijfmethode bestaat uit een computergestuurde robot die een vloeistofhouder langs de x, y en z-assen (fig. 3) beweegt. Deze techniek biedt een snelle en flexibele manier om 3D microdevices voor fotonische, MEMS en biotechnologische toepassingen (figuur 4) fabriceren. Vervolgens wordt de nanocomposiet bereiding gedemonstreerd, samen met de infiltratie (of injectie) in het poreuze netwerk onder verschillende gecontroleerde en constante druk om 3D-versterkte composieten meerschalige produceren (figuren 2e en 2f). Tenslotte enkele representatieve resultaten met hun potentiële toepassingen weergegeven.

Protocol

1. Fabricage van 3D Microfluidic Networks

1. Smelt de voortvluchtige inkt bij 80 ° C en plaats hem in een 3 ml spuit vat.
   Opmerking: De voortvluchtige inkt is een binair mengsel van een microkristallijne was en een vaseline met een gewichtsverhouding van 40:60.
2. Kies een afzetting spuitmond afhankelijk van de gewenste draaddiameter (bijv. binnendiameter (ID) = 150 pm).
3. Installeer de nozzle op de spuit met de inkt materiaal en bevestig deze aan de spuit houder van verstrekking robot.
4. Gebruik een Excel programma om de bewegende baan van de afgifte robot voor de vervaardiging van de gewenste 3D draagstructuur ontwerpen.
   Opmerking: De afmetingen van de 3D structuur en inkt afstand filamenten in een bepaalde laag kan gemakkelijk worden geprogrammeerd, in dit geval, de afmetingen zijn 60 mm lang, 7,5 mm breed en 1,7 mm dik met 0,25 mm horizontale afstand tussen elke vezel.
5. Stel de depositie druk op de drukregelaar en de robot doseren snelheid.
   Opmerking: de diffuse inkt filamentdiameter afhankelijk van de spuitmond diameter depositie druk inkt viscositeit en afgeven snelheid. Hier is de diameter filament ~ 150 urn voor depositie snelheid van 4,7 mm / sec bij een extrusie druk van 1,9 MPa.
6. Start de fabricage van de microscaffold met de afzetting van het inkt gebaseerde filamenten een epoxy substraat, wat leidt tot een 2D patroon (Figuur 2a).
7. Deponeer de volgende lagen achtereenvolgens verhogen van de z-positie van de afgifte-spuitmond met een bedrag gelijk aan de diameter van de filamenten (figuur 2b).
   Let op: voor zelfstandigen 3D-structuren met andere geometrieën en vele lagen (bijvoorbeeld een paar honderd lagen) kunnen worden gebouwd.
8. Meng beide delen epoxy (de hars en de verharder) voor de inkapseling en ontgas de epoxy mengsel onder vacuüm gedurende een bepaalde tijd (hier, 0,15 bar gedurende 30 min) om de bellen worden gevangen gedurende het mengen van de epoxy componenten te verwijderen.
   Opmerking: De ontgassing kan variëren met de geltijd van het epoxy mengsel. Voor een andere epoxy systeem, kunnen de vereiste ontgassing korter of langer zijn.
9. Laad de epoxyhars in een 3 ml spuit vat met een vloeistof dispenser door het toepassen van een negatieve druk en monteer een fijne sproeier (bijv. ID = 0,51 mm) in de spuit.
10. Plaats druppels epoxy via hellende draagstructuur aan zijn boveneinde met dezelfde vloeistofhouder en gemonteerd mondstuk om het risico bel opsluiten in de epoxy inkapseling minimaliseren.
    Opmerking: De epoxy stroomt vervolgens in de lege ruimtes tussen filamenten, gedreven door de zwaartekracht en de capillaire krachten.
11. Doorgaan plaatsen druppels epoxy over de steiger tot de lege ruimte tussen de steiger filamenten volledig gevuld is.
12. Laat het inkapselen van epoxy precure bij kamertemperatuur gedurende 24 uur en vervolgens de structuur in een oven na uitharding bij 60 ° C (figuur 2c).
    Opmerking: Een andere remedie schema kan worden toegepast voor een ander epoxy systeem.
13. Snijd het overtollige delen van epoxy met een precisie zaag na volledige uitharding.
14. Boor twee gaten aan twee uiteinden van de structuur en plaats twee plastic buizen.
15. Verwijder de voortvluchtige inkt uit de structuur als volgt:
    1. Plaats de monsters in een oven bij 90 ° C gedurende 30 min voor de inkt vloeibaar (figuur 2d).
    2. Kort na het nemen van de monsters uit de oven, was het kanaal netwerk met de zuig warm gedestilleerd water door de buizen bevestigd aan de geopende kanalen voor 5 min, gevolgd door hexaan nog eens 5 minuten.
       Opmerking: De inkt verwijderen levert een onderling 3D microfluïdische netwerk (Figuur 5). Na de reiniging van de netten met hexaan wordt uitgevoerd om de mogelijkheid te verwijderenbare sporen van de inkt van de kanaalwanden.

2. Nanocomposiet Voorbereiding

Opmerking: De nanocomposieten worden bereid door een dual cure (ultraviolet / warmte uithardbare) thermohardende hars, of een epoxyhars of een urethaan hars en vulstof (hier enkelwandige koolstofnanobuizen) bij verschillende beladingen.

1. Voeg de gewenste hoeveelheid nanobuisjes aan een oplossing van 0,1 mM van een oppervlakte (zinkprotoporfyrine IX) hetzij in aceton en dichloormethaan ¹⁴ (figuur 6).
   Opmerking: Hier, 150 mg CNTs werd aan de oplossing (~ 50 ml) om een ​​nanocomposiet te bereiden met een uiteindelijke concentratie van nanobuis 0,5% gew. Ook moet worden vermeld dat het gebruik van hoge kookpunt oplosmiddelen zoals DMF worden vermeden door eventuele warmte-uitharding van de UV-epoxy gebruikt in deze studie bij temperaturen boven 60 ° C in het oplosmiddel verdampen.
2. Ultrasone trillingen het suspension in een ultrasoon bad gedurende 30 minuten aan de nanobuis aggregaten (figuur 6) debundle.
   Let op: Extra inspanningen zoals filtratie of ultracentrifugatie van de nanobuis oplossing moet worden gedaan om de resterende grote clusters te verwijderen alvorens te mengen met de hars.
3. Meng het hars (of epoxy of urethaan) met de nanobuis suspensie op een hete plaat onder magnetisch roeren bij een temperatuur iets onder de kooktemperatuur oplosmiddel (bijv. 50 ° C aceton oplossing) gedurende 4 uur.
4. Plaats het mengsel in de nanocomposiet ultrasone bad en tegelijk de sonicatie en verwarmen (40-50 ° C) gedurende 1 uur (figuur 6) van toepassing.
5. Laat het restant oplosmiddel verdampt door verwarming van de nanocomposiet bij 30 ° C gedurende 12 uur en vervolgens bij 50 ° C gedurende 24 uur onder vacuüm (-0,1 bar).
6. Shear meng de nanocomposietmaterialen door ze door een kleine opening tussen de rollen in een drie-roll molen mixer in de Order tot grote nanobuis aggregaten breken (Figuur 6). Houd een deel van nanocomposiet voorafgaand aan de drie-roll mengen voor baseline vergelijking.
7. Zet de drie-roll mixing parameters (dwz lacunes en draaisnelheid).
   Opmerking: Hier wordt een constante snelheid van 250 rpm voor het platform roll. 5 doorgangen 25 urn, 5 gaat naar 10 urn en 10 passen bij 5 um, respectievelijk echter de ruimte tussen rollen als volgt verlaagd in drie stappen verwerking.
8. Ontgas het uiteindelijke mengsel onder vacuüm van -0,1 bar gedurende 24 uur met behulp van een exsiccator de luchtbelletjes tijdens het mengen te verwijderen.

3. Nanocomposiet Infiltratie (Injection)

1. Laad de nanocomposieten, bereid in paragraaf 2, in een 3 ml spuit vat met de vloeistof dispenser door het toepassen van een negatieve druk.
2. Plaats een fijne sproeier (bijv. ID = 0,51 mm) dat past in de kunststof buizen aan de geopende kanalen (zelfde buizen dievoor de inkt te verwijderen) en monteer het in de spuit met de nanocomposietmaterialen.
3. De gewenste druk (bijvoorbeeld positieve druk) van de druk dispenser.
   Opmerking: Hier wordt de nanocomposiet injectiedruk ingesteld op 400 kPa.
   Opmerking: Een vacuüm (dat wil zeggen negatieve druk) worden toegepast op het andere einde (dwz uitlaatzijde) het netwerk vulling staan. Zodra de druk wordt toegepast, de microfluïdische netwerk, gebouwd in protocol 1, wordt gevuld door nanocomposiet suspensie, het netwerk via plastic buizen komt.
4. Kort na de injectie, de bloot-nanocomposiet gevulde composiet balken UV belichting een UV-lamp gedurende 30 min bij precuring.
   Opmerking: Deze precuring bewerking wordt gedacht dat het effect van Brownse beweging op de CNTs mogelijke oriëntatie beperken. Het vermindert ook de warmte-geïnduceerde krimp (figuur 7)
5. Na harden de vervaardigde balken in de ovenbij, bij UV-epoxy, 80 ° C gedurende 1 uur gevolgd door 130 ° C gedurende nog 1 uur (Figuur 7).
6. Snijd het overtollige epoxy onderdelen met behulp van een zaag en dan polijsten de balken om de gewenste afmetingen (hier, ~ 60 mm in lengte, ~ 6.8 mm in de breedte, en ~ 1.6 mm dikte van de balken werden vervaardigd voor het gemak van mechanische karakterisering).

Resultaten

Figuren 8a en 8b een representatief beeld van de vervaardigde balken en een optisch beeld van de doorsnede, bestaande uit negen lagen van de nanocomposiet filamenten tonen.

Figuren 8c en 8d tonen typische SEM beelden van een gefabriceerde balken breukvlak en een hogere vergroting beeld van gevulde kanalen (dwz ingebed nanocomposiet microvezels), respectievelijk. Omdat er geen lijm loskomt wordt gezien bij de rails, het is eerlijk om te zeggen dat de omliggende epoxy en het geïnfiltreerde materialen goed in acht worden genomen als gevolg van een goede reiniging van de kanalen met hexaan na de inkt te verwijderen.

Figuur 9 toont een representatieve optische afbeelding van een bundel gebroken gedurende de mechanische testen waarin hexaan niet wordt gebruikt tijdens de inkt te verwijderen. Fiber lijm loskomt, als gevolg van een slechte mechanische interface is waargenomen, die mogelijk het gevolg zijnvoortvluchtige inkt sporen bleef na een netwerk reiniging.

Figuur 10 toont de opslagmodulus, E ', van de gevormde massa epoxy monsters (zo ijkpunten) en de 3D-Liggers. De resultaten tonen unieke trends voor de vervaardigde lichtbundels die de combinatie van zijn embedded en omringende epoxy materialen met superieure eigenschappen met de aanwezigheid van slechts ~ 0.18 gew. % CNTs.

Figuur 11 toont de driepuntsbuigsterkte testresultaten van de vervaardigde samengestelde liggers met behulp van een DMA. Door CNTs positionering, de buigmodulus van de 3D Liggers gestegen met 34% in vergelijking met de zuivere epoxy geïnfiltreerd (geheel epoxy) bomen.

Figuur 1. Schematische weergave van een 3D-reinforced nanocomposiet vervaardigd door de microinfiltration aanpak. Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 2. Schematische weergave van de vervaardiging van 3D-Liggers. (A) Inkt filament directe depositie met een afgifte robot, (b) Depositie van meerdere lagen over elkaar op het nummer afgiftemondstuk in z-richting, (c ) vullen van de poriën tussen de vezels met een lage viscositeit hars, (d) nemen de inkt uit het netwerk zijn vloeibaar, waardoor de vervaardiging van microfluïdische kanalen. (E) Het vullen van de lege netwerk metde nanocomposiet schorsing gevolgd door uitharding, en (f) Het snijden van de overtollige epoxy delen. Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 3. Een foto van de robot afzetting fase bestaat uit een computergestuurde robot, een afgifteapparaat, en een live camera. Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 4. Enkele beelden van microstructuren vervaardigd door de direct-write Assembly. Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 5. Een beeld van een SEM isometrisch aanzicht en de 3D-aangesloten microfluïdische lege netwerk. Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 6. Nanocomposiet mengen strategieën, waaronder nanobuis noncovalent functionalisering, ultrasone trillingen en / of drie tweewalsmolen mengen die leiden tot dispersies met verschillende kwaliteiten (optische beelden van nanocomposiet films nanobuis). Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 7. Nanocomposiet uitharden onder UV-belichting van een UV-lamp, gevolgd door naharding in de oven. Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 8. (A) Ik sometric beeld van een 3D-versterkte balk, (b) Typische doorsnede van een-nanocomposiet geïnjecteerd balk, (c) Een image straal oppervlak breuk SEM, en ( g> d) Een close-up bekijken van (c). Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 9. Oppervlak Fracture beeld van een polyurethaan-nanocomposiet geïnfiltreerd balk. Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 10. Temperatuurafhankelijke mechanische eigenschappen (opslag modulus) van de bulk epoxy en de vervaardigde balken met behulp van een dynamische mechanische analyzer./ Www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig10highres.jpg "target =" _blank "> Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 11. Quasi-statische mechanische eigenschappen (buiging) van de bulk epoxy en de vervaardigde balken (driepuntsbuigsterkte test). Klik hier voor grotere afbeelding.

Discussie

De experimentele procedure hier gepresenteerde is een nieuwe en flexibele methode vervaardigen om mechanische prestaties van polymeren gebaseerde materialen op maat voor ontwerp van het materiaal doeleinden. Met deze methode kan gewenste eigenschappen worden bereikt op basis van de juiste keuze van componenten (bijvoorbeeld geïnfiltreerd materiaal en voornaamste matrix) en engineering de composietstructuren. Eerst wordt de techniek maakt de bereiding van een materiaal samengesteld uit verschillende thermohardende polymeren, die een unieke temperatuurafhankelijke eigenschap die anders is dan die van de componenten bulks ^15. Een ander voordeel van deze techniek boven andere nanocomposiet fabricage technieken waarmee de vulstof uniform verdeeld door heel matrix de mogelijkheid ruimtelijk plaatsen versterkingen op gewenste plaatsen in deze 3D-versterkte composiet balken. Door deze positionering vermogen, een lagere hoeveelheid van mogelijk dure nanovulstoffen nodig is om een bepaalde mechanische eigenschappen ¹³ te verkrijgen. Aangezien de versterking patroon gehoorzaamt de originele direct-schrijven van de inkt steiger, wordt afstand de filamenten 'in een bepaalde laag beperkt tot ongeveer tien keer de inkt filamenten diameter als gevolg van de visco-elastische eigenschappen van de voortvluchtige inkt. Anderzijds kan een kleine tussenruimte vloeistofstroom epoxy beperken tijdens het epoxy omhulsel stap. Bovendien moet de diameter van de inkt filament groot genoeg zijn (bijv. boven 50 urn) voor een gemakkelijke fabricage (bijv. extrusie van hoog viskeuze inkt) en daaropvolgende productiestappen zoals nanocomposiet infiltratie in de microfluïdische netwerk.

Een ander potentieel van de onderhavige werkwijze kan het vermogen van aanpassing van de afzonderlijke CNTs of andere vulstof in de stroomrichting onder schuifkracht ¹⁶ door nanocomposiet infiltratie bij hogere snelheden / drukken, als de vulstof goedGedispergeerd tijdens het nanocomposiet mengproces. Echter, een hoge mate aangepast kan alleen bij zeer hoge drukken infiltratie (door kleine kanaaldiameter), die luchtinsluiting kan veroorzaken in het netwerk tijdens de infiltratie bereikt.

Representatieve optische beelden in fig. 6 tonen het door de mengprocedure die in protocol 2 (twee beelden onderaan de figuur) nanocomposieten. De waargenomen donkere vlekken wordt gedacht dat nanobuis aggregaten. Voor de ultrasonicated nanocomposiet, de micron-size aggregaten met een diameter tot ~ 7 urn aanwezig, terwijl een drastische verandering van de grootte van de aggregaten (een gemiddelde van ~ 1 micrometer) wordt waargenomen voor de afschuiving gemengd nanocomposiet. Aangezien de nanofiller dispersie beïnvloedt de mechanische en elektrische eigenschappen van de vervaardigde 3D nanocomposiet balken, dient een verbeterde dispersie worden bereikt om alle voordelen van 3D positionering van nan nemenofillers met behulp van de huidige productietechniek. Daarom is een verder onderzoek nodig is om systematisch onderzoek de dispersie toestanden van nanobuisjes en het gebruik van andere vulstof, die gemakkelijker in de epoxy matrix worden gedispergeerd.

De huidige productie-techniek kan het ontwerp van functionele 3D nanocomposiet producten voor microengineering toepassing ¹⁷ mogelijk te maken. De techniek is niet beperkt tot de in deze studie gebruikte materialen. Daarom kon de toepassing van deze techniek worden verlengd door het gebruik van andere thermohardende materialen en vulstof. Tussen verschillende toepassingen kunnen structurele bewaking gezondheid, trillingsdemping producten en micro-elektronica worden vermeld.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Dispensing Robot	I & J Fisnar	I & J2200-4
Robot software	I & J Fisnar		JR-Point Dispensing
Syringe Barrel	Nordson EFD Inc.	7012072	3 ml
Dispensing Nozzle	Nordson EFD Inc.	7018225	Roestvrijstalen Tip   (ID: 0,51 mm)
Dispensing Nozzle	Nordson EFD Inc.	7018424	Roestvrijstalen Tip   (ID: 0,15 mm)
Fluid Dispenser	Nordson EFD Inc.	HP-7X
Fluid Dispenser	Nordson EFD Inc.	800
Live camera	MediaCybernetics	QI, Cool, Color	12 Bit, Qimaging
Live Camera Software	Image-Pro Plus		Versie 6
Precision Saw	Buehler (IsoMet)	622-ISF-03604	Laagsnelheidszaag
Flexible plastic tube	Saint-Gobain PRL Corp.	Tygon 177936
Stirring hot plate	Barnstead International	SP131825
Vacuumed-oven	Cole-Parmer	EW-05053-10
Ultrasonic cleaner	Cole-Parmer	EW-08891-11
Three-roll mill mixer	Exakt Technologies	Exakt 80E
Dynamic Mechanical Analyzer	TA Instruments	DMA Q800
UV-lamp	Cole Parmer	RK-97600-00	Intensiteit van 21 mW/cm²