Productie van drie-dimensionaal Microgestructureerde Nanocomposieten door Microfluidic Infiltratie
12 maart 2014
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.
Het algemene doel van deze procedure is om 3D micro gestructureerde composietbalken te produceren door de gerichte en gelokaliseerde infiltratie van nanocomposiet in 3D poreuze microfluïdische netwerken. De microfluïdische netwerken worden gefabriceerd door vloeibare inkt laag voor laag te deponeren. Vervolgens worden de lege ruimtes tussen de filamenten gevuld met een hars met lage viscositeit en wordt het inkapselende epoxy uitgehard.
De vluchtige inkt wordt vervolgens uit de structuur verwijderd door de inkt te vervloeien, gevolgd door een wassing van de kanalen met heet water en heane. Vervolgens worden de resulterende tubulaire microfluïdische netwerken geïnfiltreerd met thermohardende nanocomposiet suspensies bevattende nanovullers en vervolgens uitgehard. De laatste stap is het uitharden van de geproduceerde balk en het snijden van de overtollige delen tot de gewenste afmetingen.
Uiteindelijk worden verschillende morfologische en mechanische karakteriseringstechnieken gebruikt om de capaciteit van de fabricagetechniek voor het ontwerp van functionele nanocomposiete macroscopische producten te laten zien. We hebben al enkele jaren gewerkt aan de ontwikkeling van geavanceerde materialen, met name thermoplastische en thermocel gebaseerde nanocomposiet. We proberen nu de grenzen van onze methode te verleggen door naar een nieuw materiaalsysteem en ook nieuwe manieren te kijken om complexe 3D-onderdelen te produceren.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden zoals spuitgieten, is dat de PRIs-techniek voldoende controle mogelijk maakt over de driedimensionale oriëntatie en positionering van de nanobuisversterking tijdens de fabricage van een product voor optimale omstandigheden. Deze flexibele fabricagetechniek kan worden uitgebreid naar de toepassing van andere thermohardende materialen en nanovullers. Enkele toepassingen omvatten structureel gezondheidsbewaking, trillingsabsorptieproducten en micro-elektronica. Om de vluchtige inkt te laten smelten, smelt en meng microkristallijne was en vaseline op een heet plaat magnetische mixer op 80 graden Celsius wanneer gesmolten en laad de inkt in een drie cc-spuitvat.
Installeer een 150 micrometer dispositie-naald op de spuit en monteer de spuit op de spuithouder van de doseerrobot. Gebruik een Excel-programma om het bewegingspatroon van de doseerrobot te ontwerpen voor de fabricage van de gewenste 3D-scaffoldstructuur. Deze informatie moet de afmetingen, de filamentafstand, het aantal lagen en de aan/uit-status van het doseren op elke locatie tijdens de fabricage omvatten.
In dit geval zijn de afmetingen 60 millimeter in lengte, 7,5 millimeter in breedte en 1,7 millimeter in dikte met 0,25 millimeter horizontale afstand tussen elk filament voor een filamentdiameter van ongeveer 150 micrometer. Stel de depositiedruk in op 1,9 megapascal op de drukregelaar en stel de robotsnelheid in op 4,7 millimeter per seconde. Activeer vervolgens de depositie van de inktvlakken op een epoxy substraat.
Dit resulteert in een 2D-patroon, wat de eerste laag van de micro-scaffold is. Ga door met het deponeren van extra lagen van de micro-scaffold door de Z-positie van de doseeruitloop succesvol te verhogen met een hoeveelheid gelijk aan de diameter van het filament. Elke laag duurt ongeveer vier tot vijf minuten om zelfdragende structuren te maken die een paar honderd lagen op deze manier kunnen worden gebouwd.
De volgende stap is het bereiden van de epoxy die zal worden gebruikt voor inkapseling. Begin met het mengen van de hars en verharder en degas vervolgens de epoxymix onder vacuüm gedurende 30 minuten. Na het degasseren, laad de epoxy in een drie cc-spuitvat door negatieve druk toe te passen met behulp van een vloeistofdispenser.
Plaats vervolgens een naald met een ID van 0,51 millimeter in het spuitvat. Plaats de inktvlakken op een helling om de stroom van de hars te helpen. Gebruik vervolgens dezelfde vloeistofdispenser en gemonteerde naald om druppels epoxy op het bovenste uiteinde van de hellende scaffoldstructuur te plaatsen.
De epoxy stroomt vervolgens in de lege ruimtes tussen de filamenten, aangedreven door zwaartekracht en capillaire krachten. Ga door met het plaatsen van druppels epoxy over de scaffold totdat de lege ruimte tussen de scaffoldfilamenten volledig is gevuld. Laat de inkapselende epoxy 24 uur op kamertemperatuur voorcureren en plaats de structuur vervolgens in een oven om twee uur postcureren bij 60 graden Celsius.
Na het uitharden, gebruik een precisiezaag om de overtollige delen van de epoxy te snijden. Boor vervolgens een gat van ongeveer een millimeter in diameter aan elk uiteinde van de structuur. Om de inktvlakken te bereiken, steekt u een plastic buis in elk van de gaten.
De volgende stap is om de vluchtige inkt uit de structuur te verwijderen. Begin door de monsters 30 minuten in een oven bij 90 graden Celsius te plaatsen om de inkt te vervloeien. Nadat de monsters uit de oven zijn verwijderd, spoelt u het kanaalnetwerk door gedurende vijf minuten heet gedestilleerd water door de plastic buizen te zuigen.
Zuig vervolgens vijf minuten lang hexaan door de buizen om de resterende sporen van de inkt van de kanaalwanden te verwijderen na inktverwijdering. Wat overblijft, is een onderling verbonden 3D-microfluïdisch netwerk, dat bij kamertemperatuur kan worden bewaard totdat het nodig is. Om de nanocomposiet voor te bereiden, voegt u 150 milligram koolstofnanobuizen toe aan een 0,1 millimolair oplossing van zink Proto porfyrine negen oppervlakteactieve stof in aceton of di chloor methaan voor een uiteindelijke nanobuisconcentratie van 0,5 gewichtspercent.
Soniceer vervolgens de suspensie in een ultrasoonbad gedurende 30 minuten. Om de nanobuisaggregaten te bundelen. Meng de epoxy of urethaanhars met de nanobuissuspensie op een magnetische roerplaat bij een temperatuur iets onder de oplosmiddeltemperatuur.
40 tot 50 graden Celsius gedurende één uur. Vervolgens verwarmen we het nanocomposiet gedurende 12 uur bij 30 graden Celsius en vervolgens gedurende 24 uur onder vacuüm bij 50 graden Celsius om het resterende oplosmiddel te laten verdampen. De volgende dag.
Stel een deel van het
Overzicht
Deze studie presenteert een methode voor het fabriceren van driedimensionale (3D) gemicrostructureerde composietbalken door gerichte infiltratie van nanocomposites in 3D poreuze microfluïdische netwerken. De techniek maakt het mogelijk om verschillende thermohardende materialen en nanovulstoffen te gebruiken, waardoor het mogelijk wordt om functionele macroscopische producten te creëren.
Belangrijke onderdelen van het onderzoek
Wetenschapsgebied
- Materiaalkunde
- Nanotechnologie
- Microfabricage
Achtergrond
- 3D gemicrostructureerde composietbalken zijn essentieel voor geavanceerde materiaaltoepassingen.
- Microfluïdische netwerken vergemakkelijken de precieze infiltratie van nanocomposites.
- Bestaande fabricagemethoden hebben vaak gebrek aan controle over de materiaaloriëntatie.
- Deze studie onderzoekt nieuwe materiaalsystemen en fabricagetechnieken.
Doel van het onderzoek
- Om een flexibele fabricagetechniek voor 3D composietbalken te ontwikkelen.
- Om het gebruik van verschillende thermohardende materialen en nanovulstoffen te onderzoeken.
- Om de mechanische eigenschappen van de resulterende producten te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Lage-per-laag afzetting van vloeibare inkt om microfluïdische netwerken te creëren.
- Infiltratie van hars met lage viscositeit in de netwerken.
- Uitharden van de hars en verwijdering van de vluchtige inkt.
- Karakterisering van de mechanische eigenschappen van de uiteindelijke producten.
Belangrijkste resultaten
- De methode produceerde met succes 3D gemicrostructureerde composietbalken.
- Mechanische karakterisering toonde verbeterde eigenschappen van de composieten aan.
- De techniek maakt optimale positionering van nanovulstoffen mogelijk.
- Mogelijke toepassingen omvatten structureel gezondheidsbewaking en micro-elektronica.
Conclusies
- De ontwikkelde methode biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele fabricagetechnieken.
- Flexibiliteit in materiaalkeuze kan leiden tot innovatieve toepassingen.
- Toekomstig werk zal zich richten op het verfijnen van het proces en het verkennen van nieuwe materialen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Microfluidic infiltration enables precise fabrication of 3D microstructured nanocomposites, supporting advanced material innovation for biopharma device and sensor development. This method offers enhanced control over nanofiller orientation, directly impacting the predictive confidence and mechanical reliability of functional components. Its flexibility in material selection and architecture positions it as a strategic capability for translational R&D and next-generation microengineering workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables hypothesis-driven design of microstructured materials for functional testing in device prototyping.
- Supports mechanistic de-risking by allowing controlled integration of nanofillers for targeted property enhancement.
- Facilitates rapid iteration and validation of material architectures relevant to biosensor and actuator development.
Screening & Assay Development
- Provides reproducible fabrication of microstructured substrates for downstream assay integration.
- Delivers standardized, quantifiable mechanical and morphological outputs for comparative screening.
- Enables scalable production of test platforms for evaluating compound-material interactions.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with translational biomarker strategies by supporting the development of robust, miniaturized sensor platforms.
- Ensures continuity from material discovery to preclinical device validation through modular design.
- Reduces risk in advancing novel material-enabled devices toward regulated environments.
Pipeline & Workflow Integration
This microfluidic infiltration method bridges early discovery and preclinical device prototyping, enabling iterative optimization from material synthesis to functional testing.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of nanocomposite architectures for targeted mechanical and functional outcomes.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative readouts for material performance benchmarking.
- Analytics: Provides mechanical and morphological data to inform cross-condition comparisons and design decisions.
- Translational Research: Facilitates alignment of material properties with device performance requirements in preclinical models.
- Enterprise Reuse: Establishes a modular, adaptable platform for ongoing material and device innovation across programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material-device integration and functional performance.
- Operational Value: Standardizes fabrication and characterization workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions for material-enabled device candidates, reducing late-stage risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of innovative device and sensor platforms.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidics, nanocomposite formulation, and precision dispensing robotics.
- Demands access to controlled curing environments and advanced characterization instrumentation.
- Necessitates rigorous cross-team standardization for reproducible material and device outputs.
- Adaptable to a range of thermosetting matrices and nanofillers, supporting diverse application needs.
- Dependent on thorough channel cleaning to ensure optimal mechanical interface and device reliability.
