Изготовление трехмерно микроструктурированный нанокомпозитов через микрофлюидных инфильтрации

Краткое содержание

Трехмерные (3D) микроструктурированные композитные балки изготавливаются путем направленного и локализованной инфильтрацией нанокомпозитов в 3D пористых микрофлюидных сетей. Гибкость этого способа изготовления позволяет использование различных термореактивных материалов и нанонаполнителей для достижения разнообразных функциональный 3D армированных нанокомпозитных макроскопических продуктов.

Аннотация

Микроструктурированный композитные балки, усиленные сложной трехмерно (3D) узорчатые нанокомпозитных микрофиламенты изготавливаются с помощью нанокомпозита инфильтрации 3D взаимосвязаны микрофлюидных сети. Изготовление армированных балок начинается с изготовления микрожидкостных сети, которая включает в себя слой за слоем отложение волокон летучих чернил с помощью раздаточного робота, заполнение пустого пространства между нитями с использованием смолы с низкой вязкостью, отверждением смолы и, наконец, удаление чернила. Самонесущих 3D структуры с других геометрий и многих слоев (например, несколько сотен слоев) может быть построен с помощью этого метода. Полученные трубчатые микрофлюидных сети затем проникли с термореактивной нанокомпозитных суспензий, содержащих нанонаполнителей (например, однослойные углеродные нанотрубки), и впоследствии вылечить. Проникновение осуществляется путем применения градиент давления между двумя концами пустой пetwork (либо с применением вакуума или вакуумный при содействии микроинъекции). До проникновения нанокомпозит суспензии готовят диспергированием нанонаполнителей в полимерных матрицах с помощью ультразвука и три-ролл смешивания методы. Нанокомпозиты (т.е. материалы проникли) затем затвердевает под ультрафиолетовое облучение / тепла лечения, в результате чего 3D-армированного композитной структуры. Техника, представленная здесь позволяет дизайн функциональных нанокомпозитных макроскопических продуктов для микроинженерии приложений, таких как механизмов и датчиков.

Введение

Полимерные нанокомпозиты с использованием наноматериалов, особенно углеродных нанотрубок (УНТ) включены в полимерных матрицах имеют многофункциональные свойства ¹ для потенциальных приложений, таких как структурных композитов ^2, микроэлектромеханических систем ³ (например, микросенсоров) и смарт-полимеров ^4. Может потребоваться несколько этапов обработки, включая лечение и CNT нанокомпозита смесительной методы для желательного разгона углеродных нанотрубок в матрице. С соотношением сторон УНТ », их дисперсия государство и обработка поверхности в основном влияют на электрических и механических характеристик, процедура обработки нанокомпозит может меняться в зависимости от желаемых свойств для целевого применения ^5. Кроме того, для конкретных условий нагружения, совместив УНТ вдоль нужном направлении, а также позиционирование подкрепление в требуемых местах позволит дальнейшее совершенствование механических и / или электрических свойств этих паnocomposites.

Несколько методов, таких как сдвиговом потоке ^6-7 и электромагнитных полей ⁸ были использованы для выравнивания нанотрубки вдоль желаемом направлении в полимерной матрице. Кроме того, УНТ ориентация индуцируется мерной сдерживающим, в частности, в одномерном (1D) и двумерных (2D), было отмечено во время обработки / формирование нанокомпозитных материалов ^9-11. Тем не менее, новые достижения на производственных процессах по-прежнему необходимы, чтобы обеспечить достаточное контроль трехмерного (3D) ориентации и / или позиционирования нанотрубок арматуры во время изготовления изделия для оптимальных условиях.

В этой статье мы приводим протокол для изготовления 3D армированных композитных балок через направленной и локализованной инфильтрации 3D микрофлюидных сети с полимерным нанокомпозитных суспензий (рис. 1). Во-первых, изготовление в 3D взаимосвязаны микрофлюидныхсеть продемонстрировала, которая включает в себя изготовление прямым записи из беглых нитей чернил ^12-13 на эпоксидных субстратов (2а и 2б), а затем эпоксидной инкапсуляции (рис. 2в) и жертвенный удаление чернил (рис. 2d). Метод прямого записи состоит из управляемого компьютером робота, который движется жидкости дозатор вдоль X, Y, и топоры Z (рис. 3). Этот метод обеспечивает быстрый и гибкий способ изготовить 3D микроустройств для фотонных, MEMS и применения биотехнологии (рис. 4). Затем препарат нанокомпозит продемонстрировали, наряду с его инфильтрации (или инъекции) в пористой сети при различных контролируемых и постоянном давлении на производство 3D-армированных многомасштабных композитов (рис. 2e и 2f). Наконец, некоторые показательные результаты вместе с их потенциальных применений показаны.

Протокол

1. Изготовление 3D микрофлюидных сетей

1. Растопить беглого чернила при 80 ° С и загрузить его в 3 мл шприца.
   Примечание: беглый чернила бинарной смеси микрокристаллического воска и вазелин с весовой пропорции 40:60.
2. Выбрать сопло осаждения в зависимости от желаемого диаметра нити (например, внутренний диаметр (ID) = 150 мкм).
3. Установите насадку на цилиндре шприца, содержащего материал с чернилами и смонтировать его на держатель шприца раздаточного робота.
4. С помощью программы Excel спроектировать перемещение пути дозирующего робота для изготовления желаемой структуры 3D лесов.
   Примечание: Габаритные размеры структуры чернил 3D и промежутках нитей "в данном слое можно легко запрограммировать, в этом случае, размеры 60 мм в длину, 7,5 мм в ширину, и 1,7 мм в толщину с 0,25 мм горизонтальным шагом между каждой нити.
Установить давление осаждения на регулятором давления и скорости робот выдачи.
Примечание: беглый диаметр чернила нить зависит от диаметра сопла, давление осаждения, вязкость чернил и дозирования скорости. Здесь, диаметр нити составляет ~ 150 мкм при скорости осаждения 4,7 мм / сек при давлении экструзии 1,9 МПа.
5. Запуск изготовлении microscaffold с отложением волокон чернилами на основе эпоксидной подложки, что приводит к 2D шаблона (рис. 2а).
6. Депозит последующих слоев путем последовательного приращения Z-положение раздаточного пистолета на величину, равную диаметру волокон (фиг. 2b).
   Примечание: для самонесущих 3D структур с другими геометрии и многих слоев (например, несколько сотен слоев) могут быть построены.
7. Смешайте две части эпоксидной смолы (т.е. смолы и отвердителя), используемые для инкапсуляции и Дега ЕПокси смесь в вакууме в течение определенного времени (здесь 0,15 бар в течение 30 мин), чтобы удалить пузырьки захваченных во время смешивания эпоксидных компонентов.
   Примечание: Время дегазации может изменяться со временем гель эпоксидной смеси. При другом эпоксидной системы, требуемое время дегазации может быть короче или длиннее.
8. Загрузить эпоксидную смолу в 3 мл шприца с помощью дозатора жидкости, применяя отрицательное давление и затем смонтировать тонкую сопло (например, ID = 0,51 мм) в цилиндр шприца.
9. Место капли эпоксидной смолы по наклонной конструкции строительных лесов на своем верхнем конце, используя тот же дозатор жидкости и установлены сопла, чтобы минимизировать риск захвата пузырьков во время эпоксидной инкапсуляции.
   Примечание: эпоксидная поступает затем в пустое пространство между нитями, движимый тяжести и капиллярных сил.
10. Продолжить размещения капель эпоксидной смолы на эшафот, пока пустое пространство между лесов нитей не будет полностью заполнен.
11. Пусть Инкапсулирующий EPOху Precure при комнатной температуре в течение 24 ч, а затем положить структуру в печи в течение пост-отверждению при 60 ° С (рис. 2в).
    Примечание: разные графики лечения могут быть применены для другого эпоксидной системы.
12. Отрежьте лишние части эпоксидной смолы с помощью прецизионного пилу после полного отверждения.
13. Просверлите два отверстия на двух концах структуры и вставьте две пластиковые трубки.
14. Извлеките беглого чернил из структуры следующим образом:
    1. Поместите образцы в печи при 90 ° С в течение 30 мин для чернил сжижения (рис. 2d).
    2. Вскоре после отбора образцов из печи, мыть сеть канала с всасывающим горячей дистиллированной воды через трубы, прикрепленных к открытых каналов в течение 5 мин, после чего гексана в течение еще 5 мин.
       Примечание: Удаление чернил дает взаимосвязанную 3D микрофлюидных сети (рис. 5). После очистки из сетей с использованием гексана выполняется для того, чтобы удалить возBLE остаточные следы чернил от стенок канала.

2. Нанокомпозитные Подготовка

Примечание: нанокомпозиты получают смешиванием двойную лекарство (ультрафиолетовое / тепло излечим) термореактивной смолы, либо эпоксидную смолу или смолу на основе уретана и нанонаполнителей (здесь однослойные углеродные нанотрубки) при различных нагрузках.

1. Добавить требуемое количество нанотрубок к раствору 0,1 мМ поверхностно-активного вещества (цинк протопорфирина IX) либо в ацетоне или дихлорметан, ¹⁴ (фиг. 6).
   Примечание: Здесь, 150 мг нанотрубок был добавлен к раствору (~ 50 мл) с целью подготовки нанокомпозита с конечной концентрацией нанотрубок 0,5% мас. Следует также отметить, что использование высокой температурой кипения температуры растворителях, как DMF следует избегать из-за возможного тепло-отверждения УФ-эпоксидной смолы, используемой в данном исследовании при температуре выше 60 ° С в течение испарения растворителя.
2. Разрушать ультразвуком Суspension в ультразвуковой ванне в течение 30 мин, чтобы debundle нанотрубки агрегаты (рис. 6).
   Примечание: Дополнительные усилия, такие как фильтрация или ультрацентрифугирования нанотрубки раствора должны быть сделаны, чтобы удалить оставшиеся большие кластеры перед смешиванием со смолой.
3. Смешайте смолу (эпоксидный или уретановый или) с суспензией нанотрубки над магнитной мешалкой горячей плите при температуре немного ниже температуры кипения растворителя (например, 50 ° C в течение ацетонового раствора) в течение 4 часов.
4. Поместите нанокомпозита смесь в ультразвуком ванной и одновременно применить ультразвуком и отопление (40-50 ° С) в течение 1 часа (рис. 6).
5. Пусть остаточный растворитель испаряется при нагревании нанокомпозита при 30 ° С в течение 12 часов и затем при 50 ° С в течение 24 ч в вакууме (~ 0,1 бар).
6. На сдвиг смешать нанокомпозитных материалов, пропуская их через небольшой зазор между валками в мельнице смеситель трехвалковую в Ордег сломать большие нанотрубок агрегаты (рис. 6). Сохранение части нанокомпозита до трех-ролл смешивания для базового сравнения.
7. Установите параметров смешивания трехвальцовые (т.е. пробелов и скорость вращения).
   Примечание: Здесь постоянная скорость 250 оборотов в минуту используется для рулона фартука. Тем не менее, зазоры между валками уменьшены в трехступенчатой ​​обработки следующим образом: 5 проходит на 25 мкм, 5 проходит на 10 мкм, и 10 проходит на 5 мкм соответственно.
8. Дегазируют конечной смеси под вакуумом ~ 0,1 бар в течение 24 часов с использованием эксикаторе, чтобы удалить пузырьки воздуха захваченных во время смешивания.

3. Нанокомпозитные Проникновение (впрыск)

1. Загрузите нанокомпозитов, подготовленные в разделе 2, в 3 мл шприца с помощью дозатора жидкости, применяя отрицательное давление.
2. Вставьте тонкую насадку (например ID = 0,51 мм), что вписывается в пластиковых трубок, прикрепленных к открытым каналам (те же трубы используютсядля удаления чернил) и установите его в цилиндр шприца, содержащего нанокомпозитных материалов.
3. Установите нужное давление (т.е. положительное давление) на дозатор давления.
   Примечание: В данном случае давление впрыска нанокомпозит установлен на 400 кПа.
   Примечание: вакуум (т.е. отрицательное давление) могут быть применены к другому концу (то есть выходной стороне), чтобы помочь заполнение сети. Как только давление применяется, микрофлюидных сети, построенный в Протоколе 1 заполняется нанокомпозита подвеской, которая входит в сеть через пластиковые трубки.
4. Вскоре после инъекции, разоблачить нанокомпозитных заполненные составных балок к УФ освещения УФ-лампой в течение 30 мин для precuring.
   Примечание: Эта операция precuring, как полагают, уменьшить влияние броуновского движения о возможном ориентации УНТ. Это также уменьшает тепловую усадку-индуцированной (рис. 7)
5. После вылечить изготовленные лучи в духовкена, в случае УФ-эпоксидной смолы, 80 ° С в течение 1 часа, затем при 130 ° С в течение еще ​​1 часа (рис. 7).
6. Отрежьте лишние эпоксидные части пилой, а затем отполировать лучи до необходимого размера (здесь ~ 60 мм в длину, ~ 6,8 мм в ширину и ~ 1,6 мм в толщину пучков были изготовлены для простоты механических характеристик).

Результаты

8а и 8b показывают, репрезентативный образ, изготовленных балок и оптическое изображение поперечного сечения, состоящей из девяти слоев нанокомпозита нитей.

Цифры 8c и 8d показаны типичные СЭМ изображения произведенного балки поверхности разлома и с большим увеличением изображения, заполненных каналов (т.е. встроенных нанокомпозитные микроволокна) соответственно. Поскольку ни нарушение сцепления не видно на стену каналов, было бы справедливо сказать, что окружающий эпоксидной и проникли материалы хорошо придерживался в результате тщательной очистки каналов с гексана после удаления чернил.

9 показан репрезентативный оптическое изображение пучка нарушена при механическом тестировании, в котором гексан не используется во время удаления чернил. Волоконно нарушение сцепления, что и наблюдается результатом плохого механическим интерфейсом, который может быть связано сбеглые следы чернил осталось после очистки сети.

На рисунке 10 показана модуль упругости, Е ', формованных масса эпоксидных образцов (в качестве критериев) и 3D-железобетонных балок. Результаты показывают уникальные тенденции для выпускаемой балки, которые сочетание встроенных и окружающие эпоксидные материалы с превосходными свойствами с наличием только ~ 0,18 мас. % УНТ.

На рисунке 11 показаны трехточечный изгиб результаты тестирования выпускаемой составных балок с помощью DMA. В результате УНТ позиционирования, модуль упругости при изгибе 3D усиленные балки показал рост на 34% по сравнению с чистой эпоксидной проникли (всего эпоксидной смолы) пучков.

Рисунок 1. Схематическое изображение 3D-рeinforced нанокомпозита производства подхода microinfiltration. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 2. Схематическое представление производстве 3D-армированных балок. (А) прямое осаждение чернил нить с помощью раздаточного робота, (б) осаждение из нескольких слоев друг на друга, увеличивая дозирующей насадки в Z-направлении, (C ) Заполнение пор пространство между нитями, используя смолу низкой вязкости, (г) Принимая чернила из сети его сжижения, в результате изготовления микроканалов. (Е) Заполнение пустой сеть снанокомпозит подвеска с последующим отверждением, и (е) Резка лишние эпоксидные частей. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 3. Фото роботизированной стадии осаждения, состоящей из компьютерным управлением робота, устройству выдачи, и живой камеры. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 4. Несколько образы микроструктур выпускаемые ASSEM прямой записиБлай. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 5. Изометрический вид и СЭМ-изображение 3D-подключен микрофлюидных пустым сети. Нажмите сюда, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 6. Нанокомпозитные смешивания стратегии, включая нанотрубки нековалентной функционализации, ультразвуком, и / или мельницы смешивания трехвалковую которые приводят к нанотрубок дисперсий с различными качествами (оптических изображений нанокомпозитных пленок). Нажмите сюда, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 7. Нанокомпозитные отверждения под действием УФ-освещения УФ-лампой с последующим постотверждении в духовке. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 8. (А) Я sometric образ 3D-армированного пучка, (б) Типичный сечение пучка нанокомпозита впрыском, (в) поверхность луч перелом СЭМ-изображение, и ( г> г) крупным планом вид (с). Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 9. Перелом изображение поверхности нанокомпозитного-проникли луча полиуретановой. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 10. Зависит от температуры механические свойства (модуль упругости) от объемных эпоксидных смол и выпускаемой балок с использованием динамического механического анализатора./ Www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig10highres.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 11. Квазистатические механические свойства (изгиб) из объемных эпоксидных смол и изготовленные балки (тест на изгиб в трех точках). Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Обсуждение

Методика эксперимента представлены вот новый и гибкий метод производства для того, чтобы адаптировать механические характеристики полимерных материалов на основе в целях материальных дизайна. С помощью этого метода желаемые свойства могут быть достигнуты на основе правильного выбора компонентов (т.е. проникли материалов и основной матрицы), а также инженерных композитных структур. Во-первых, этот метод позволяет производить из одного материала, состоящий из различных полимеров термореактивных, представляющий уникальный зависимости от температуры функцию, которая отличается от тех компонентов набухает ^15. Другим преимуществом настоящего техники по сравнению с другими методами изготовления нанокомпозит, с помощью которого нанонаполнителей равномерно распределены по всей матрице является возможность пространственно разместить подкрепление в требуемых местах в этих 3D армированных композиционных лучей. Благодаря этой возможности позиционирования, меньшее количество дорогих возможно нанонаполнители необходимо получить конкретный ¹³ механические характеристики. Поскольку шаблон армирования подчиняется оригинальный непосредственным написание чернил эшафот, расстояние нитей 'в данном слое ограничивается примерно в десять раз больше диаметра чернил нитей вследствие вязкоупругих свойств беглого чернил. С другой стороны, небольшое расстояние может ограничить поток жидкого эпоксидной смолы в процессе стадии эпоксидной инкапсуляции. Кроме того, диаметр чернил нить должна быть достаточно большой (например, выше 50 мкм) для простоты изготовления (например экструзии из высоковязкой чернил) и последующих производственных операций, таких как нанокомпозита инфильтрации в микрофлюидальных сетей.

Другой потенциальный настоящего способа может быть способность согласования отдельных углеродных нанотрубок или других нанонаполнителей в направлении потока под сдвига потока ¹⁶ по нанокомпозита инфильтрации на более высоких скоростях / давлений, если нанонаполнителей хорошоДиспергировали в течение процесса смешивания нанокомпозита. Тем не менее, высокая степень выравнивания может быть достигнуто только при очень высоких давлениях инфильтрации (из-за малого диаметра канала), что может привести захвата воздуха в сети во время инфильтрации.

Представительства оптические изображения на рисунке 6 нанокомпозитов, подготовленные в соответствии с процедурой смешивания, представленной в протокол 2 (два изображения в нижней части рисунка). Наблюдаемые темные пятна, как считается, нанотрубки агрегаты. Для ультразвуком нанокомпозита, то микронного размера агрегаты диаметром до ~ 7 мкм присутствуют в то время как резкое изменение размера агрегатов (в среднем ~ 1 мкм) наблюдается для сдвига смешанного нанокомпозита. Поскольку дисперсия нанонаполнитель влияет на механические и электрические свойства выпускаемой 3D нанокомпозитных балок, улучшенная дисперсия должна быть достигнута, чтобы взять полное преимущество 3D позиционирования нанofillers используя настоящий производственный метод. Таким образом, необходимы дальнейшие исследования, чтобы систематически исследовать дисперсионные состояния нанотрубок и использование других нанонаполнителей, которые могут быть более легко дисперсных в эпоксидной матрице.

Настоящий технология изготовления может позволить дизайн функциональных 3D нанокомпозитных продуктов для применения микроинженерии ^17. Методика не ограничивается материалов, используемых в этом исследовании. Таким образом, применение этого метода может быть продлен использования других термореактивных материалов и нанонаполнителей. Среди нескольких приложений, структурный контроль здоровья, продукты поглощения вибрации и микроэлектроники можно упомянуть.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Дозирующий робот	I и J Fisnar	I & J2200-4
Программное обеспечение для роботов	I & J Fisnar		JR-Point Дозирующий
шприц-бочка	Nordson EFD Inc.	7012072
Дозирующая насадка	Nordson EFD Inc.	7018225	Наконечник из нержавеющей стали    (Внутренний диаметр: 0,51 мм)
Дозирующая насадка	Nordson EFD Inc.	7018424	Наконечник из нержавеющей стали    (Внутренний диаметр: 0,15 мм)
Диспенсер жидкости	Nordson EFD Inc.	жидкости HP-7X
	Nordson EFD Inc.	800
Live camera	MediaCybernetics	QI, Cool, Color	12 Bit, Qimaging
Live Camera Software	Image-Pro Plus		Version 6
Precision Saw	Buehler (IsoMet)	622-ISF-03604	Низкоскоростная пила
Гибкая пластиковая трубка	Saint-Gobain PRL Corp.	Tygon 177936
Перемешивая нагревательная плита	Barnstead International	SP131825
Вакуумная печь	Cole-Parmer	EW-05053-10
Ультразвуковая очистительная	Cole-Parmer	EW-08891-11
Трехвалковый смеситель	Exakt Technologies	Exakt 80E
Динамический механический анализатор	TA Instruments	DMA Q800
УФ-лампа	Cole Parmer	RK-97600-00	Интенсивность 21 мВт/см²