Rysowanie i modelowanie hydrofobowości Długie włókna silikonowe z polidimetylosiloksanu

Polidimetylosiloksan to wszechstronny materiał, którego do tej pory nie można było formować w długie włókna. Chociaż filamenty silikonowe mogą mieć zastosowanie w tkactnictwie lub produkcji addytywnej, jesteśmy szczególnie zainteresowani nimi jako modelowym składakiem. Skalowalna produkcja jest możliwa dzięki ciągnięciu już utwardzonego silikonu przez piec rurowy.

Demonstrujemy również sposób modyfikacji powierzchni włókien silikonowych za pomocą sterowanego komputerowo wyładowarki koronowej. Czas w tej procedurze ma kluczowe znaczenie, ponieważ polimer utwardza się w sposób ciągły. Trzymaj minutnik w pobliżu i przygotuj się na następny krok z wyprzedzeniem.

Bez wizualnej demonstracji dynamiczny proces wytwarzania włókien nie byłby łatwy do odtworzenia. Proces ten składa się z kilku etapów, w których liczy się czas, które wymagają dostosowania się do zmieniających się warunków. Aby rozpocząć, podłącz wysokotemperaturową rurkę silikonową o średnicy wewnętrznej 1/8 cala do sprężonego powietrza przez zawór dozujący.

Podłącz drugi koniec rurki do mosiężnego adaptera do wytłaczania z otworem o średnicy 2.15 milimetra. Następnie zamocuj cylindryczny ceramiczny piec rurowy pionowo w okapie wyciągowym, dwie stopy nad podłogą okapu. Połóż folię aluminiową pod piecem, aby złapać nadmiar PDMS podczas wytłaczania.

Zamontuj adapter do wytłaczania nad piecem rurowym z otworem wyśrodkowanym na otworze pieca. Upewnij się, że piec nie jest ustawiony pod kątem, aby wytłaczane włókna nie stykały się z piecem. Następnie przymocuj matrycę z okrągłym nacięciem do ekstrudera i za pomocą opaski zaciskowej połącz rurkę z gumy silikonowej o wysokiej temperaturze z wiertłem ekstrudera.

Podłącz drugi koniec rurki do adaptera do wytłaczania. Skieruj termometr na podczerwień w stronę pieca, a następnie podgrzej piec, aż temperatura wewnętrzna wyniesie około 250 stopni Celsjusza. Następnie wyjmij piec spod adaptera do wytłaczania, aby adapter nie nagrzał się przed rozpoczęciem produkcji filamentu.

Następnie rozpocznij podgrzewanie jednorazowej probówki z próbką do 65 stopni Celsjusza w lepkościomierzu, który może mierzyć od 200 do 10 tysięcy milipaskali sekund. Sprawdź równowagę, ustaw prędkość wirowania na pięć obrotów na minutę i ustaw częstotliwość pomiaru na raz na minutę. Podczas podgrzewania probówki z próbką wymieszaj 18 gramów zasady PDMS z 1,8 grama utwardzacza w łódce do ważenia.

Mieszaninę PDMS należy odgazować w eksykatorze próżniowym o temperaturze pokojowej przez 15 minut lub do momentu, gdy w mieszaninie nie pozostaną pęcherzyki. Okresowo odpowietrzaj eksykator, aby pęcherzyki pękały blisko powierzchni. Następnie wyjmij podgrzaną probówkę z próbką z lepkościomierza.

Wlej do niego odgazowaną mieszaninę PDMS i włóż rurkę z powrotem do lepkościomierza. Natychmiast rozpocznij sekwencję pomiaru. Gdy lepkość dynamiczna PDMS osiągnie cztery tysiące milipaskalów sekund, zanotuj czas, a następnie użyj szczypiec, aby wyjąć rurkę z próbką z lepkościomierza.

Natychmiast wlej mieszaninę PDMS do ekstrudera o temperaturze pokojowej. Upewnij się, że piec ma temperaturę 250 stopni Celsjusza i poczekaj, aż PDMS wyjdzie z lepkościomierza przez około cztery minuty. Następnie przesuń piec pod adapter do wytłaczania i wyrównaj wewnętrzną igłę adaptera z piecem rurowym.

Przekręć ekstrudera o pół obrotu i zacznij zbierać filament na drewniany patyczek. Co trzy do pięciu sekund przekręcaj wytłaczarkę o kolejne pół obrotu, aby utrzymać stały strumień PDMS. Okno lepkości do rysowania filamentów jest bardzo wąskie.

Jeśli lepkość jest zbyt niska, odczekaj 30 sekund i spróbuj ponownie. PDMS będzie kontynuował sieciowanie w temperaturze pokojowej. Połóż narysowane włókna na drewnianych stojakach, aby utwardzili.

Po zakończeniu pozwól filamentom utwardzić się w temperaturze pokojowej przez 12 godzin. Aby rozpocząć proces tworzenia wzoru, ustaw zespół wzoru w dygestorium i wyślij żądany wzór do mikroprocesora. Następnie umyj utwardzony filament PDMS 1% dodecylosiarczanem sodu.

I dokładnie spłucz go ultra czystą wodą. Usuń widoczne krople wody za pomocą sprężonego powietrza i pozwól filamentowi dokończyć suszenie w otaczającym powietrzu. Następnie przywiąż nieprzewodzącą żyłkę wędkarską do okrągłego wycięcia z nieprzewodzącej tacki na filament

Połóż suchy filament PDMS na środkowym wycięciu z tacki i zabezpiecz go na miejscu taśmą dwustronną. Włóż tacę do wentylowanej skrzynki wyładowczej koronowej i upewnij się, że jest wypoziomowana. Umieść metalową płytę pod tacką na filament tak, aby filament był wyrównany wzdłuż krawędzi płyty.

Zamontuj elektrodę wyładowczą koronową około trzech milimetrów nad żarnikiem i podłącz wyładowanie koronowe do mikrokontrolera. Przymocuj wolny koniec przewodu nieprzewodzącego do wrzeciona zamontowanego na silniku krokowym, upewniając się, że przewód jest napięty. Uruchom program mikrokontrolera, aby nadać modelowi filament z sekcjami hydrofilowymi.

Filamenty PDMS wytworzone tą metodą miały około 200 mikrometrów średnicy i do 0,5 metra długości. Usunięcie PDMS z ciepła, zanim jego lepkość była wystarczająco wysoka do rysowania włókien, i pozostawienie go do sieciowania w temperaturze pokojowej przez cztery i pół minuty, wydłużyło okno czasowe, w którym włókna mogą być przędzone, do około czterech minut. Sukces modelowania korony został potwierdzony za pomocą pomiarów kąta zwilżania kropel.

Woda tworzyła symetryczne, beczkowate kropelki na hydrofilowym PDMS poddanym obróbce koronowej i asymetryczne, skorupowe kropelki na nieobrobionym hydrofobowym PDMS. Kluczem do tej procedury jest to, że manipulujesz lepkością PDMS za pomocą czasu i temperatury. Lepkość wzrasta z czasem, ponieważ sieciuje się, a utwardzanie przyspiesza w wyższych temperaturach.

Podejście polegające na częściowym utwardzeniu polimeru i przepuszczeniu go przez piec rurowy można zastosować do innych polimerów utwardzanych w temperaturze. Włókna te są wystarczająco elastyczne, aby dostosować się do wielu konformacji, a obszary hydrofobowe afektywnie przylegają do siebie w wodzie. Badamy, w jaki sposób wzór hydrofobowości włókien wpływa na ich ścieżki fałdowania.

PDMS może kapać na piec i wytwarzać mały płomień. Ostrożnie wyrównaj wytłaczarkę z piecem i szybko usuń wszelkie zanieczyszczenia z pieca za pomocą drewnianego kołka.