Fabricação de tridimensionalmente microestruturadas nanocompósitos através Microfluidic Infiltração

Resumo

Tridimensionais (3D) vigas mistas microstructured são fabricados através da infiltração dirigida e localizada de nanocompósitos em redes porosas microfluídicos 3D. A flexibilidade deste método de fabrico permite a utilização de diferentes materiais termo-endurecíveis e nanopartículas, a fim de alcançar uma variedade de 3D funcional reforçados nanocompósito produtos macroscópicos.

Resumo

Vigas mistas microestruturada reforçados com complexo tridimensional (3D) microfilamentos nanocompósitos estampados são fabricados através de nanocompósito infiltração de 3D interligados redes microfluídicos. A fabricação das vigas reforçadas começa com o fabrico de redes de microfluidos, que envolve a deposição de camada-a-camada de filamentos de tinta fugitivas usando um robô de distribuição, enchendo o espaço vazio entre os filamentos utilizando uma resina de baixa viscosidade, a cura da resina e finalmente removendo o tinta. Estruturas 3D auto-suportado com outras geometrias e muitas camadas (por exemplo, algumas centenas de camadas) poderia ser construída usando este método. As redes resultantes microfluídicos tubulares são então infiltrada com suspensões termofixo nanocompósitos contendo nanopartículas (por exemplo, os nanotubos de carbono de parede única) e, posteriormente, curado. A infiltração é realizada pela aplicação de um gradiente de pressão entre as duas extremidades do vazio nEDE (quer através da aplicação de um vácuo ou microinjecção assistida por vácuo). Antes da infiltração, as suspensões de nanocompósitos são preparadas pela dispersão de nanopartículas em matrizes poliméricas utilizando ultra-sons e três rolos de mistura métodos. Os nanocompósitos (materiais) infiltradas são então solidificou sob exposição à luz UV cura / calor, resultando numa estrutura 3D compósito reforçado. A técnica aqui apresentada permite a concepção de nanocompósitos produtos macroscópicos funcionais para aplicações microengineering tais como actuadores e sensores.

Introdução

Nanocompósitos poliméricos utilizando nanomateriais, especialmente os nanotubos de carbono (CNT) incorporados em matrizes poliméricas apresentam propriedades multifuncionais ¹ para aplicações potenciais, tais como materiais compósitos estruturais, ^{2, 3} sistemas microeletromecânicos (por exemplo microssensores) e polímeros inteligentes ^4. Vários passos de processamento, incluindo o tratamento e CNT nanocompósito misturando métodos podem ser obrigados a desejavelmente dispersar os nanotubos de carbono para dentro da matriz. Desde proporção dos nanotubos de carbono, seu estado e tratamento de superfície dispersão influenciam principalmente o desempenho elétrico e mecânico, o procedimento de processamento de nanocompósito pode variar de acordo com as propriedades desejadas para uma aplicação alvo ^5. Além disso, as condições de carga específicas, alinhando os nanotubos de carbono ao longo de uma direcção desejada e também o posicionamento dos reforços nos locais desejados permitir melhorar ainda mais as propriedades mecânicas e / ou eléctricas destes ndnocomposites.

Algumas técnicas, tais como o fluxo de cisalhamento ^{de 6-7} e os campos electromagnéticos ⁸ foram utilizados para alinhar os nanotubos de carbono ao longo de uma direcção desejada numa matriz de polímero. Além disso, a orientação CNT induzida por limitadora dimensional, especificamente em unidimensional (1D) e de duas dimensões (2D), foi observada durante o processamento / formação de materiais nanocompósitos ^9-11. No entanto, novos avanços nos processos de fabricação ainda são necessários para permitir o controle suficiente da orientação tridimensional (3D) e / ou posicionamento do reforço de nanotubos durante a fabricação de um produto para as condições ideais.

Neste artigo, apresentamos um protocolo para a fabricação de vigas mistas reforçado com 3D via dirigido e localizada a infiltração de uma rede microfluídicos 3D com suspensões de nanocompósitos de polímeros (Figura 1). Em primeiro lugar, o fabrico de um 3D interligados microfluídicorede é demonstrado, que envolve a fabricação de escrita directa dos filamentos de tinta fugitivas ^12-13 em substratos de epóxi (Figuras 2a e 2b), seguido de encapsulamento de epóxi (Figura 2c) e a remoção da tinta do sacrifício (Figura 2d). O método de gravação directa consiste de um robot controlado por computador, que se move de um distribuidor de fluido ao longo de x, y, e z eixos (Figura 3). Esta técnica fornece uma maneira rápida e flexível para fabricar microdispositivos 3D para fotônicos, MEMS e aplicações biotecnológicas (Figura 4). Em seguida, a preparação de nanocompósito é demonstrada, juntamente com a sua infiltração (ou injecção) para a rede porosa sob diferentes pressões controladas e constantes para a fabricação de materiais compósitos reforçados com multiscale 3D (figuras 2E e 2F). Finalmente, alguns resultados representativos, juntamente com suas potenciais aplicações são mostradas.

Protocolo

1. Fabricação de 3D microfluídicos Networks

1. Derreta a tinta fugitivo a 80 ° C e carregá-lo em uma seringa de 3 ml.
   Nota: A tinta fugitivo é uma mistura binária de uma cera microcristalina e uma geleia de petróleo com uma proporção de peso de 40:60.
2. Escolha de um bocal de deposição de acordo com o diâmetro do filamento desejado (por exemplo, de diâmetro interno (ID) = 150 um).
3. Instalar o bocal no corpo da seringa que contém o material de tinta e montá-la no suporte da seringa do robô distribuição.
4. Utilizar um programa Excel para a concepção do percurso de movimento do robô distribuição para a fabricação da estrutura de andaime 3D desejado.
   Nota: As dimensões globais da estrutura 3D de tinta e espaçamento 'filamentos em uma dada camada pode ser facilmente programado, neste caso, as dimensões são de 60 mm de comprimento, 7,5 mm de largura, e 1,7 mm de espessura a 0,25 mm de espaçamento horizontal entre cada um dos filamentos.
5. Ajustar a pressão de deposição sobre o regulador de pressão ea velocidade do robô de distribuição.
   Nota: O diâmetro do filamento de tinta fugitivo varia dependendo do diâmetro do bico, pressão de deposição, da viscosidade da tinta e a velocidade de distribuição. Aqui, o diâmetro do filamento é de ~ 150 mm para uma velocidade de deposição de 4,7 mm / s, a uma pressão de extrusão de 1,9 MPa.
6. Iniciar o fabrico do microscaffold com a deposição de filamentos à base de tinta sobre um substrato de resina epoxy, que conduz a um padrão de 2D (Figura 2a).
7. Depositar as camadas subsequentes, incrementando sucessivamente a posição z do bocal de distribuição de uma quantidade igual ao diâmetro dos filamentos (Figura 2b).
   Nota: estruturas 3D auto-suportado com outras geometrias e muitas camadas (por exemplo, algumas centenas de camadas) poderiam ser construídos.
8. Misturar as duas partes de epoxi (isto é, a resina e o endurecedor) utilizados para o encapsulamento e desgaseificar a epoxi mistura sob vácuo durante um tempo definido (aqui, 0,15 bar, durante 30 min) para remover as bolhas de ar durante a mistura dos componentes epoxi.
   Nota: O tempo de desgaseificação pode variar com o tempo de gelificação da mistura de epóxi. Para um sistema epóxi diferente, o tempo de desgaseificação necessário pode ser mais curto ou mais longo.
9. Carregar a resina epoxi em um tambor de seringa de 3 ml utilizando um dispensador de fluido através da aplicação de uma pressão negativa e, em seguida, montar um bocal fino (por exemplo, ID = 0,51 mm) para dentro do tambor da seringa.
10. Coloque gotas de epoxi sobre a estrutura de andaime inclinada na sua extremidade superior, utilizando o mesmo distribuidor de fluido e montado bico para minimizar o risco de aprisionamento de bolhas durante o encapsulamento de epóxi.
    Nota: O epóxi, então, flui para os espaços vazios entre os filamentos, impulsionado pela gravidade e forças capilares.
11. Continue colocando gotas de epóxi sobre o andaime até o espaço vazio entre os filamentos de andaime estiver completamente cheio.
12. Deixe o epo encapsularprecure xy em temperatura ambiente por 24 horas e em seguida, colocar a estrutura em um forno de pós-cura a 60 ° C (Figura 2c).
    Nota: A programação de cura diferente pode ser aplicado para um sistema epóxi diferente.
13. Corte as peças de excesso de epóxi usando uma serra de precisão após a cura completa.
14. Faça dois furos em duas extremidades da estrutura e inserir dois tubos de plástico.
15. Retire a tinta fugitivo da estrutura da seguinte forma:
    1. Coloque as amostras num forno a 90 ° C durante 30 min para a liquefacção de tinta (Figura 2d).
    2. Pouco tempo depois de tomar as amostras do forno, lava-se a rede de canais com a aspiração de água destilada quente, através dos tubos ligados aos canais abertos durante 5 min, seguido de hexano durante mais 5 min.
       Nota: A remoção de tinta produz uma rede interligada de microfluidos 3D (Figura 5). Pós-limpeza das redes usando hexano é realizada a fim de remover a possivestígios residuais ble da tinta a partir das paredes do canal.

2. Nanocomposite Preparação

Nota: Os nanocompósitos são preparadas por mistura de uma resina de cura dupla (ultravioleta / calor curável) termoendurecível, ou uma resina epoxi ou uma resina à base de uretano e nanopartículas (aqui, nanotubos de carbono com paredes) a diferentes cargas.

1. Adicionar a quantidade desejada de nanotubos de uma solução de 0,1 mM de um agente tensioactivo (protoporfirina IX de zinco) ou em acetona ou diclorometano ¹⁴ (Figura 6).
   Nota: Aqui, 150 mg de nanotubos de carbono foi adicionado à solução de (~ 50 ml) a fim de preparar um nanocompósito com uma concentração final de nanotubo de 0,5% em peso. Deve ser também mencionado que o uso de solventes de ponto de ebulição de temperatura elevada, como DMF devem ser evitados devido à possível de calor de cura de UV-epoxi utilizadas neste estudo, a temperaturas superiores a 60 ° C durante a evaporação do solvente.
2. Sonicar a suspension num banho de ultra-sons durante 30 min de desmontar os nanotubos agregados (Figura 6).
   Nota: Devem ser feitos esforços adicionais, tais como filtração ou ultracentrifugação da solução de nanotubos para remover os restantes grandes agrupamentos antes de misturar com a resina.
3. Misturar a resina (ou epoxi ou uretano), com a suspensão de nanotubos sobre uma placa de agitação magnética quente, a uma temperatura ligeiramente inferior à temperatura de ebulição do solvente (por exemplo, 50 ° C para a solução de acetona) durante 4 horas.
4. Coloque a mistura nanocompósito no banho a ultra-sons e simultaneamente aplicar a sonicação e aquecimento (40-50 ° C) durante 1 hora (Figura 6).
5. Deixe a evaporar o solvente residual mediante aquecimento do nanocompósito, a 30 ° C durante 12 horas e depois a 50 ° C durante 24 horas sob vácuo (~ 0,1 bar).
6. Cisalhamento misturar os materiais nanocompósitos, passando-os através de uma pequena folga entre os rolos, num misturador moinho de três cilindros em order para quebrar grandes agregados de nanotubos (Figura 6). Manter uma porção de nanocompósito, antes da mistura de linha de base para a comparação de três cilindros.
7. Defina os parâmetros de mistura de três rolos (ou seja, lacunas e velocidade de rotação).
   Nota: aqui, a uma velocidade constante de 250 rpm, é usado para o rolo avental. No entanto, os intervalos entre os rolos são reduzidas no processamento de três passos como se segue: cinco passagens a 25 mM, 5 passagens a 10 um, e 10 passagens a 5 mM, respectivamente.
8. Desgaseificar a mistura final sob vácuo de -0,1 bar, durante 24 horas utilizando um secador para remover as bolhas de ar retidas durante a mistura.

3. Nanocomposite infiltração (injeção)

1. Carregue os nanocompósitos, preparados na seção 2, em uma seringa de 3 ml usando o distribuidor de fluidos através da aplicação de uma pressão negativa.
2. Insira um bico fino (por exemplo, ID = 0,51 mm) que se encaixa dentro dos tubos de plástico conectados aos canais abertos (mesmos tubos usadospara a remoção de tinta) e montá-lo para dentro do tambor de seringa contendo o material nanocompósito.
3. Ajuste a pressão desejada (ou seja, pressão positiva) no distribuidor de pressão.
   Nota: Aqui, a pressão de injecção de nanocompósito é fixado em 400 kPa.
   Nota: Um vácuo (isto é, pressão negativa) pode ser aplicada para a outra extremidade (ou seja, do lado de saída) para auxiliar o enchimento da rede. Uma vez que a pressão é aplicada, a rede de microfluidos, construído no Protocolo 1, é cheio com a suspensão nanocompósito, que entra na rede, através dos tubos de plástico.
4. Pouco tempo após a injecção, expor as vigas mistas encheu-nanocompósitos de iluminação UV de uma lâmpada de UV, durante 30 minutos para pré-cura.
   Nota: Esta operação de pré-cura é pensado para reduzir o efeito do movimento browniano na orientação possível CNT. Ele também reduz a contracção induzida pelo calor (Figura 7)
5. Pós-curar as vigas fabricadas no fornoem, no caso da radiação UV-epoxi, 80 ° C durante 1 hora, seguido por 130 ° C durante mais 1 h (Figura 7).
6. Cortar as partes em excesso de epoxi utilizando uma serra e, em seguida, polir as vigas para as dimensões desejadas (aqui, ~ 60 mm de comprimento, ~ 6,8 milímetros de largura e aproximadamente 1,6 mm de espessura dos feixes foram fabricados para facilitar a caracterização mecânica).

Resultados

As Figuras 8a e 8b mostram uma imagem representativa de vigas fabricadas e uma imagem óptica de a sua secção transversal, que consiste em nove camadas de filamentos nanocompósito.

Figuras 8c e 8d mostram imagens típicas SEM de uma superfície de fratura fabricados vigas e uma imagem maior ampliação de canais cheios (ou seja, microfibras nanocompósitos embutidos), respectivamente. Uma vez que nenhum descolamento é visto na parede do canal, é justo dizer que o epoxi circundante e os materiais infiltradas são bem aderida como um resultado de limpeza adequada dos canais com hexano após a remoção da tinta.

A Figura 9 mostra uma imagem representativa de uma óptica feixe quebrado durante a realização de ensaios mecânicos, em que hexano não é usado durante a remoção da tinta. Fibra de descolagem, como resultado da fraca interface mecânica é observado que pode ser devido atraços de tinta fugitivos permaneceram após a limpeza da rede.

A Figura 10 mostra o módulo de armazenamento, E ', das amostras moldadas em massa epoxi (como padrões de referência) e as vigas reforçadas com 3D. Os resultados mostram tendências únicos para as vigas, que são fabricados a combinação do embutido e materiais epóxi circundantes com propriedades superiores, com a presença de apenas ~ 0,18 em peso. % CNT.

A Figura 11 mostra os resultados do ensaio de flexão de três pontos das vigas mistas fabricados usando um DMA. Como resultado do posicionamento de nanotubos de carbono, o módulo de flexão do 3D vigas mostrou um aumento de 34% em comparação com o infiltrou-epóxi puro (epóxi conjunto) vigas.

Representação Figura 1. Esquemático de um 3D-rnanocompósito einforced fabricado pela abordagem microinfiltração. Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 2 representação. Esquemática do fabrico de vigas reforçadas com 3D. (A) de filamentos de tinta deposição directa usando um robô de distribuição, (b) Deposição de várias camadas em cima uns dos outros por incrementação do bocal de distribuição na direcção-z, (c ) Preencher o espaço poroso entre os filamentos usando uma resina de baixa viscosidade, (d) Tendo a tinta para fora da rede pela sua liquefação, resultando na fabricação de canais microfluídicos. (E) Preencher o vazio com redea suspensão nanocompósito seguido de cura, e (f) Corte as peças de epóxi em excesso. Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 3. Uma foto da etapa de deposição robótica consiste em um robô controlado por computador, um dispositivo de distribuição, e uma câmera ao vivo. Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 4. Algumas imagens de microestruturas fabricadas pela assem-gravação diretaBly. Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 5. Uma uma imagem SEM vista isométrica ea rede vazia microfluídicos 3D-conectado. Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 6. Nanocomposite misturando estratégias, incluindo nanotubos de funcionalização não covalente, ultra-som, e / ou três roll moinho de mistura que levam a nanotubos dispersões com diferentes qualidades (imagens ópticas de filmes nanocompósitos). Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 7. Nanocomposite cura sob iluminação UV de uma lâmpada UV seguido de pós-cura no forno. Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 8. (A) eu sometric imagem de um feixe de 3D-reforçado, (b) secção transversal típica de um feixe de injecção de nanocompósito, (c) uma imagem SEM fractura de superfície do feixe, e ( g> d) Um close-up de (c). Clique aqui para ver imagem ampliada.

Imagem da superfície Figura 9. Fratura de um feixe infiltrou-nanocompósitos de poliuretano. Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 10 propriedades mecânicas. Dependentes de temperatura (módulo de armazenamento) de epóxis granel e as vigas fabricados utilizando um analisador mecânico dinâmico./ Www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig10highres.jpg "target =" _blank "> Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 11. Propriedades quase estáticas mecânicas (flexão) dos epóxis a granel e as vigas fabricadas (teste de flexão de três pontos). Clique aqui para ver imagem ampliada.

Discussão

O procedimento experimental aqui apresentado é um novo e flexível método de fabricação, a fim de adequar o desempenho mecânico de materiais à base de polímeros para fins de projeto de materiais. Usando este método, as propriedades desejadas pode ser conseguida com base na escolha adequada dos componentes (isto é, materiais infiltrados e matriz principal), bem como as estruturas compostas de engenharia. Em primeiro lugar, a técnica permite a produção de um único material, composto por diferentes polímeros termoendurecíveis, que representa uma característica dependente da temperatura original que é diferente do que as dos componentes bulks ^15. Outra vantagem da presente técnica em relação a outras técnicas de fabricação de nanocompósito, através da qual as nanopartículas são uniformemente distribuído através da matriz inteira é a capacidade de colocar espacialmente os reforços nos locais desejados nestas vigas de compósitos reforçados com 3D. Devido a esta capacidade de posicionamento, uma menor quantidade de nano possivelmente caroenchimentos é necessário para obter um desempenho mecânico ¹³ específico. Uma vez que o padrão de reforço obedece a-escrita directa original do andaime de tinta, o espaçamento dos filamentos de uma dada camada é limitado a cerca de dez vezes o diâmetro de filamentos de tinta devido às propriedades visco-elásticas da tinta fugitivo. Por outro lado, um pequeno espaçamento pode limitar o fluxo de epóxi líquida durante o passo de encapsulamento de epóxi. Além disso, o diâmetro do filamento de tinta deve ser suficientemente grande (por exemplo, acima de 50 mm) para a facilidade de fabrico (por exemplo, extrusão de tinta de alta viscosidade) e os passos de fabrico subsequentes, como nanocompósito infiltração nas redes de microfluidos.

Outro potencial do presente método pode ser a capacidade de alinhar os nanotubos individuais ou outras nanopartículas na direcção do fluxo sob fluxo de cisalhamento ^{de 16} por nanocompósito infiltração a altas velocidades / pressões, se as nanopartículas são bemDispersa durante o processo de mistura nanocompósito. No entanto, um elevado grau de alinhamento só poderia ser conseguido a pressões muito elevadas, devido à infiltração (diâmetro pequeno canal), que pode causar a retenção de ar na rede durante a infiltração.

Imagens ópticas representativas na Figura 6 mostram os nanocompósitos preparadas pelo procedimento apresentado no protocolo de mistura 2 (duas imagens na parte inferior da figura). As manchas escuras observadas são pensados ​​para ser agregados de nanotubos. Para o nanocompósito ultra-sons, os agregados de micron de tamanho, com um diâmetro de até ~ 7 mM estão presentes, enquanto uma alteração drástica do tamanho dos agregados (com uma média de ~ 1 mm) é observada para o nanocompósito cisalhamento-misturado. Uma vez que a dispersão nanopartícula afeta as propriedades mecânicas e elétricas dos raios nanocompósitos 3D fabricados, uma dispersão reforçada deve ser alcançado para tomar o máximo partido do posicionamento 3D de nanofillers utilizando a presente técnica de fabrico. Portanto, um estudo adicional é necessária para investigar sistematicamente os estados de dispersão de nanotubos e a utilização de outras nanopartículas, que podem ser mais facilmente dispersos no interior da matriz de epóxi.

A presente técnica de fabricação pode permitir a concepção de produtos funcionais nanocompósitos em 3D para aplicação microengenharia ^17. A técnica não se limita aos materiais utilizados neste estudo. Portanto, a aplicação desta técnica poderia ser estendido com a utilização de outros materiais termoestáveis ​​e nanopartículas. Entre as várias aplicações, monitoramento de integridade estrutural, produtos de absorção de vibrações e microeletrônica podem ser mencionados.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Robô de distribuição	I & J Fisnar	I & J2200-4
Software do robô	I & J Fisnar		JR-Point Seringa Dispensadora
Barril	Nordson EFD Inc.	7012072
Bico dispensador de	Nordson EFD Inc.	7018225	Ponta de Aço Inoxidável    (IDENTIFICAÇÃO: 0,51 mm)
Bico de distribuição	Nordson EFD Inc.	7018424	Ponta de Aço Inoxidável    (IDENTIFICAÇÃO: 0,15 mm)
Dispensador de Fluidos	Nordson EFD Inc.	Dispensador de fluido HP-7X
	Nordson EFD Inc.	800
Câmera ao vivo	MediaCybernetics	QI, Cool, Color	12 Bit, Qimaging
Live Camera Software	Image-Pro Plus		Versão 6
Serra de precisão	Buehler (IsoMet)	622-ISF-03604	Serra de baixa velocidade
Tubo de plástico flexível	Saint-Gobain PRL Corp.	Tygon 177936
Placa quente de agitação	Barnstead International	SP131825
Forno a vácuo	Cole-Parmer	EW-05053-10
Limpador ultrassônico	Cole-Parmer	EW-08891-11
Misturador de moinho de três rolos	Exakt Technologies	Exakt 80E
Analisador Mecânico Dinâmico	TA Instruments	DMA Q800
Lâmpada UV	Cole Parmer	RK-97600-00	Intensidade de 21 mW/cm²