Изготовление трехмерно микроструктурированный нанокомпозитов через микрофлюидных инфильтрации

Общая цель данной процедуры заключается в изготовлении композитных балок с трехмерной микроструктурой путем направленной и локализованной инфильтрации нанокомпозитов в 3D-пористые микрофлюидные сети. Микрофлюидные сети создаются путем послойного нанесения жидких чернил. Затем пустоты между нитями заполняются смолой низкой вязкости, после чего инкапсулирующий эпоксидный состав подвергается отверждению.

Затем fugitive-чернила удаляют из структуры путем их разжижения с последующей промывкой каналов горячей водой и гексаном. Далее полученные трубчатые микрофлюидные сети заполняют термореактивными нанокомпозитными суспензиями, содержащими нанонаполнители, после чего проводят отверждение. Заключительным этапом является окончательное отверждение изготовленной балки и обрезка излишков до требуемых размеров.

В конечном итоге для демонстрации возможностей метода производства при создании функциональных макроскопических изделий из нанокомпозитов используются различные методы морфологического и механического анализа. В течение нескольких лет мы занимаемся разработкой современных материалов, в частности нанокомпозитов на основе термопластов и термопластичных вспененных полимеров. В настоящее время мы стремимся расширить границы применения нашего метода, исследуя новую систему материалов, а также новые способы изготовления сложных трехмерных деталей.

Основным преимуществом данной методики по сравнению с существующими методами, такими как литье под давлением, является то, что метод PRIs обеспечивает достаточный контроль трехмерной ориентации и позиционирования нанотрубочного армирования в процессе изготовления изделия для достижения оптимальных условий. Эта гибкая технология производства может быть распространена на использование других термореактивных материалов и нанонаполнителей. Ряд областей применения включает мониторинг структурной целостности, изделия для поглощения вибраций и микроэлектронику. Чтобы расплавить временные чернила, поместите микрокристаллический воск и вазелин на магнитную мешалку с подогревом при 80 °C; после расплавления и перемешивания залейте чернила в цилиндр шприца объемом 3 cc.

Установите дозирующую насадку диаметром 150 мкм на шприц и закрепите шприц в держателе дозирующего робота. Используйте программу Excel для разработки траектории перемещения дозирующего робота с целью изготовления требуемой 3D-структуры каркаса. Эта информация должна включать размеры структуры, шаг нитей, количество слоев, а также статус включения или выключения подачи материала в каждой точке в процессе изготовления.

В данном случае размеры составляют 60 миллиметров в длину, 7,5 миллиметра в ширину и 1,7 миллиметра в толщину, при этом горизонтальный интервал между каждой нитью составляет 0,25 миллиметра, а диаметр нити — около 150 мкм. Установите давление подачи 1,9 МПа на регуляторе давления и задайте скорость дозирования робота 4,7 мм/с. Затем активируйте нанесение нитей из чернил на эпоксидную подложку.

В результате получается 2D-паттерн, который представляет собой первый слой микрокаркаса. Продолжайте наносить дополнительные слои микрокаркаса, последовательно увеличивая положение Z дозирующей насадки на величину, равную диаметру нити. Создание каждого слоя занимает около четырех-пяти минут; таким способом можно построить самоподдерживающиеся структуры, состоящие из нескольких сотен слоев.

Следующим шагом является приготовление эпоксидного компаунда, который будет использоваться для инкапсуляции. Начните со смешивания смолы и отвердителя, затем удалите пузырьки воздуха из эпоксидной смеси в вакууме в течение 30 минут. После дегазации перенесите эпоксид в цилиндр шприца объемом 3 cc, создав отрицательное давление с помощью дозатора жидкости.

Затем вставьте в цилиндр шприца сопло с внутренним диаметром 0,51 мм. Расположите каркас из чернил под наклоном, чтобы облегчить вытекание смолы. Затем, используя тот же дозатор жидкости и установленное сопло, нанесите капли эпоксидной смолы на верхний конец наклонной структуры каркаса.

Затем эпоксидная смола под воздействием силы тяжести и капиллярных сил заполняет пустоты между нитями. Продолжайте наносить капли эпоксидной смолы на каркас до полного заполнения пространства между его нитями. Оставьте инкапсулирующую эпоксидную смолу для предварительного отверждения при комнатной температуре на 24 часа, после чего поместите конструкцию в печь для окончательного отверждения при 60 °C в течение двух часов.

После отверждения с помощью прецизионной пилы удалите излишки эпоксидной смолы. Затем просверлите отверстия диаметром примерно один миллиметр на каждом конце конструкции. Для доступа к чернильному каркасу вставьте пластиковую трубку в каждое из отверстий.

Следующим шагом является удаление исчезающих чернил из структуры. Сначала поместите образцы в печь при температуре 90 °C на 30 минут, чтобы чернила разжижились. После извлечения образцов из печи промойте сеть каналов, прокачивая горячую дистиллированную воду через пластиковые трубки в течение пяти минут.

Затем в течение еще пяти минут откачайте гексан через трубки, чтобы удалить остатки чернил со стенок канала после основного процесса удаления чернил. В результате получается взаимосвязанная трехмерная микрофлюидная сеть, которую можно хранить при комнатной температуре до использования. Для приготовления нанокомпозитов добавьте 150 мг углеродных нанотрубок в 0,1 мМ раствор цинк-протопорфирина IX с ПАВ в ацетоне или дихлорметане, чтобы конечная концентрация нанотрубок составила 0,5 мас. %.

Затем подвергните суспензию воздействию ультразвука в ультразвуковой бане в течение 30 минут для деагломерации нанотрубок. Смешайте эпоксидную или уретановую смолу с суспензией нанотрубок на магнитной мешалке с подогревом при температуре чуть ниже температуры кипения растворителя.

После кипячения в течение четырех часов поместите смесь нанокомпозита в ультразвуковую ванну и подвергните воздействию ультразвука при нагревании от 40 до 50 °C в течение одного часа. Затем выдерживайте нанокомпозит при температуре 30 °C в течение 12 часов, после чего нагрейте его в вакууме при 50 °C в течение 24 часов для испарения остаточного растворителя. На следующий день.

Отложите часть нанокомпозита при комнатной температуре для использования в качестве базового образца для сравнения эффективности разрушения крупных агрегатов нанотрубок. Установите скорость переднего валика трехвалкового смесителя на 250 RPM; начиная с зазора между роликами 25 µm, пропустите оставшуюся смесь нанокомпозита через ролики пять раз. Затем установите зазор между роликами на 10 µm и выполните еще пять проходов. После окончательного уменьшения зазора до 5 µm сделайте еще 10 проходов; нанокомпозиты до и после пропускания через ролики показаны здесь.

Затем удалите пузырьки воздуха, образовавшиеся при перемешивании, путем дегазации конечной смеси в вакууме в течение 24 часов с использованием сиканты. Следующим шагом является введение нанокомпозита в микрофлюидное устройство. Поместив нанокомпозиты в диспенсер для жидкости, создайте в нем отрицательное давление, чтобы нанокомпозиты переместились в цилиндр шприца объемом 3 cc.

Присоедините тонкую насадку к цилиндру шприца и вставьте насадку в трубки микрофлюидного устройства. Затем, при необходимости, установите давление на диспенсере жидкости на 400 kilo pascals, чтобы облегчить заполнение сети. Создайте отрицательное давление на стороне выхода микрофлюидной сети с помощью другого диспенсера жидкости.

После приложения давления микрофлюидная сеть заполняется суспензией нанокомпозита, которая поступает в сеть через пластиковую трубку. Вскоре после инъекции заполненные нанокомпозитом балки подвергали УФ-облучению в течение 30 минут для предварительного отверждения. Затем изготовленные балки подвергали постотверждению в печи при 80 °C в течение одного часа, после чего температуру поднимали до 130 °C еще на один час.

После обрезки излишков эпоксидной смолы с помощью пилы и шлифовки балок до необходимых размеров, здесь представлено изометрическое изображение изготовленной армированной 3D-балки. На этом поперечном сечении видны девять слоев нанокомпозитных волокон. На данном рисунке показано СЭМ-изображение поверхности излома изготовленной балки и изображение одного из каналов с внедренными нанокомпозитными микроволокнами при большем увеличении.

Поскольку отслоений у стенки канала не наблюдается, окружающая эпоксидная смола и инфильтрированные материалы, по-видимому, имеют хорошую адгезию, что, вероятно, является результатом надлежащей очистки каналов гексаном после удаления чернил. Для сравнения здесь представлены балки, сломавшиеся в ходе механических испытаний, при которых гексан при удалении чернил не использовался. Наблюдается отслоение волокон вследствие плохого механического интерфейса, что может быть вызвано остатками следов летучих чернил после очистки сети.

Здесь представлены значения модуля накопления для контрольных образцов литой эпоксидной смолы и 3D-армированных балок. Изготовленные балки, представляющие собой комбинацию встроенного и окружающего эпоксидного материала, демонстрируют улучшенные температурные свойства при содержании углеродных нанотрубок всего около 0,18 вес.%. Испытание на трехточечный изгиб показывает, что благодаря расположению углеродных нанотрубок модуль упругости при изгибе 3D-армированных балок увеличился на 34% по сравнению с балками, пропитанными чистой эпоксидной смолой.

Для справки представлены образцы отлитых блоков эпоксидной смолы. Данный подход к созданию структур может быть использован в самых разнообразных областях: от гибкой микроэлектроники до трехмерных некомпозитных макроструктур. Для МЭМС.

Мы стремимся расширить возможности этого метода, изучая новые системы материалов, а также исследуя новые способы 3D-печати, такие как свободная 3D-печать с использованием нанокомпозитов на основе термореактивных и термопластичных полимеров. Благодарим за внимание.