यहाँ, हम एक भट्ठी के माध्यम से गुरुत्वाकर्षण ड्राइंग द्वारा polydimethylsiloxane (PDMS) सिलिकॉन के लंबे तंतुओं का उत्पादन करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं । रेशा व्यास और लंबाई में सेंटीमीटर के दसियों में micrometers के सैकड़ों के आदेश पर कर रहे हैं और एक Arduino-नियंत्रित कोरोना निर्वहन प्रणाली के माध्यम से hydrophobically patterning हैं ।
Polydimethylsiloxane (PDMS) सिलिकॉन एक बहुमुखी बहुलक है कि आसानी से लंबे तंतुओं में नहीं बनाई जा सकती है । पारंपरिक कताई तरीकों में विफल क्योंकि PDMS पिघलने पर लंबी दूरी की तरलता प्रदर्शित नहीं करता है । हम बहुलक का एक कदम तापमान प्रोफ़ाइल द्वारा PDMS के तंतुओं का उत्पादन करने के लिए एक बेहतर विधि परिचय के रूप में यह एक द्रव से एक elastomer को पार लिंक । इसकी गर्म तापमान चिपचिपापन की निगरानी करके, हम समय की एक खिड़की का अनुमान है जब इसकी सामग्री गुण लंबे तंतुओं में ड्राइंग करने के लिए संशोधन कर रहे हैं । रेशा एक उच्च तापमान ट्यूब ओवन के माध्यम से गुजरती हैं, उन्हें पर्याप्त रूप से काटा जा करने के लिए इलाज । ये रेशा व्यास और दसियों सेंटीमीटर लंबाई में सैकड़ों micrometers के क्रम पर होते हैं, और यहाँ तक कि अब और पतले रेशा संभव हैं. ये रेशा बल्क PDMS के कई मटेरियल गुण रखते हैं, जिनमें स्विचिंग hydrophobicity भी शामिल है. हम एक स्वचालित कोरोना का निर्वहन पैटर्न विधि के साथ इस क्षमता का प्रदर्शन । इन नमूनों PDMS सिलिकॉन रेशा सिलिकॉन बुनाई, गैस पारगंय सेंसर घटकों में आवेदन किया है, और मॉडल अतिसूक्ष्म foldamers.
Polydimethylsiloxane (PDMS) सिलिकॉन कई विनिर्माण और अनुसंधान अनुप्रयोगों के साथ एक मोटे तौर पर इस्तेमाल किया सामग्री है । यह गर्मी और पानी प्रतिरोधी, बिजली से अछूता, hydrophobic, गैस पारगंय, भोजन सुरक्षित, संगत, और एक लगभग आदर्श Poisson अनुपात के साथ लचीला है । इसके अतिरिक्त, यह आसानी से विभिंन कार्यात्मक अणुओं के लिए एक मेजबान के रूप में सेवा कर सकते हैं, या तो पहले या1,2इलाज के बाद जोड़ा । इसकी सतह UVO, ऑक्सीजन प्लाज्मा, या कोरोना के निर्वहन के लिए अपने hydrophobicity स्विच और अल्पकालिक आत्म-आसंजन3,4,5प्रेरित द्वारा आसानी से परिवर्तनीय है । विशेष रूप से, यह भी microfluidics6में इस्तेमाल किया गया है ।
PDMS के तंतु उच्च सतह क्षेत्र सिलिकॉन बुनाई, सिलिकॉन फाइबर सेंसर7, और सिलिकॉन आधारित additive विनिर्माण सामग्री (3 डी मुद्रण) के उत्पादन में विशेष रूप से उपयोगी होते हैं । हमारी प्रयोगशालाओं में, हम तह का अध्ययन करने के लिए एक मंच के रूप में PDMS के hydrophobically नमूनों रेशा का उपयोग करें । टीम एक जलीय वातावरण में एक athermal ध्वनिक उत्तेजना और इमेजिंग प्रणाली के माध्यम से है रेशा के गठन के आंकड़ों का अध्ययन पहले8की सूचना दी ।
पारंपरिक रूप-कास्टिंग के जरिए PDMS से उच्च पहलू-अनुपात रेशा बनाना चुनौतीपूर्ण है. रेशा बड़े सतह क्षेत्र के लिए मात्रा अनुपात है, जो मोल्ड9से जारी पेचीदा है । शोधकर्ताओं ने नेनो रेशा10,11,12में निरंतर electrospinning के लिए वाहक पॉलिमर के साथ PDMS खोल सफलता मिली है, हालांकि जिसके परिणामस्वरूप रेशा शुद्ध PDMS नहीं कर रहे हैं ।
अंय सामग्रियों से बाहर macroscale रेशा पैदा करने के लिए प्रमुख विनिर्माण विधि एक जलाशय से एक चिपचिपा तरल एक ताकना के माध्यम से बाहर ड्राइंग शामिल है । आमतौर पर, चिपचिपा तरल एक थर्माप्लास्टिक या गिलास कि जलाशय में उच्च तापमान पर द्रव है और एक (अक्सर अमली) ठोस रेशा के रूप में यह एक चिमनी के माध्यम से बाहर खींचा है में ठंडा है । इस प्रक्रिया को कभी कभार पिघला कताई कहा जाता है, और यह PDMS के साथ असंगत है क्योंकि PDMS पिघलने पर लंबी दूरी की तरलता प्रदर्शित नहीं करता है । ब्लॉक सह सिलिकॉन और अल्फा-मिथाइल styrene के पॉलिमर पिघल कताई के माध्यम से रेशा उत्पादन करने के लिए दिखाया गया है, लेकिन फिर, परिणामस्वरूप रेशा13PDMS शुद्ध नहीं हैं ।
विधि हम यहां रूपरेखा पिघलने जैसा है-कताई, जलाशय और चिमनी के सापेक्ष तापमान को छोड़कर बदल रहे हैं । PDMS एक कमरे के तापमान जलाशय में द्रव है, क्योंकि यह अभी तक पार से जोड़ने को पूरा नहीं किया है । PDMS की चिपचिपाहट एक इलाज एजेंट के साथ सिलिकॉन तेल crosslinks के रूप में बदलता है, एक प्रक्रिया है कि थर्मल तेजी से किया जा सकता है । यह जलाशय में रखने से पहले, हम इलाज PDMS गर्मी जब तक यह एक लंबे गुरुत्वाकर्षण के लिए उपयुक्त चिपचिपापन तक पहुंच जाता है-ड्रिप, तो यह इलाज के बाद चिमनी में एक गर्म ट्यूब भट्ठी के माध्यम से ड्रिप । दृष्टिकोण कुछ हद तक “सूखी कताई”, जिसमें पॉलिमर अस्थिर सॉल्वैंट्स कि ड्राइंग के दौरान लुप्त हो जाना में भंग कर रहे है तुलनीय है ।
हमारे ज्ञान के लिए, शुद्ध PDMS के लंबे रेशा उत्पादन की केवल रिपोर्ट की विधि हमारे पिछले प्रकाशन8 है । विधि यहां शुरू की प्रक्रिया की कला को कम करने के इरादे के साथ, मूल दृष्टिकोण पर एक महत्वपूर्ण सुधार है । सबसे विशेष रूप से, पूर्व इलाज के दौरान मंच और समय ठंडा-डाउन समय के दौरान चिपचिपापन को मापने के द्वारा, हम रेशा spinnability की एक प्रायोगिक सुलभ खिड़की की रिपोर्ट करने में सक्षम हैं । हम भी एक Arduino-नियंत्रित कोरोना patterning प्रणाली के माध्यम से रेशा पर दोहराया, स्थानीयकृत सतह संशोधनों के उत्पादन का एक साधन है, रेशा के साथ अनुदैर्ध्य hydrophobic पैटर्न को सक्षम करने का परिचय ।
वे गुरुत्वाकर्षण ड्राइंग के लिए उपयुक्त हैं तो इस विधि के आधार पर इलाज PDMS के सामग्री गुण जोड़ तोड़ है । स्थिर रेशा में गुरुत्वाकर्षण ड्राइंग बूंदों तीन क्वांटिटी पैरामीटर16द्वारा नियंत्रित किया जाता है । वे छोटी बूंद की जड़ता के सापेक्ष गुरुत्वाकर्षण (Froude), सतह तनाव (वेबर), और चिपचिपापन (रेनॉल्ड्स) से संबंधित हैं । crosslinking के महत्वपूर्ण कदम PDMS जब तक यह प्रयोग हमारे विधि के प्रति स्थिर विस्तार सबूत सबसे नाटकीय रूप से अपने रेनॉल्ड्स संख्या बदल, यह परिमाण के एक आदेश से अधिक से कम करने, ०.८३ से ०.०७ । इसके विपरीत, एक अंय क्वांटिटी पैरामीटर में अगले सबसे बड़ा परिवर्तन वेबर संख्या है, जो केवल डबल्स है । यह PDMS spinnability ट्रैकिंग के लिए एक संवेदनशील प्रॉक्सी के रूप में चिपचिपापन के उपयोग का समर्थन करता है ।
हमारे पहले रेशा उत्पादन विधि पर एक महत्वपूर्ण सुधार है कि प्रोटोकॉल के दौरान चिपचिपापन प्रोफ़ाइल प्रयोगात्मक कार्य समय निर्धारित करने के लिए प्रयोग किया जाता है । तकनीक की सीमाओं का निर्धारण करने के लिए, हम पहले प्रोटोकॉल प्रति PDMS के एक बैच ठीक, यह गर्मी से हटा दिया, और कमरे के तापमान पर चिपचिपापन माप लिया के रूप में PDMS जारी पार से जोड़ने । जिसके परिणामस्वरूप चिपचिपापन प्रोफ़ाइल (चित्रा 4) पता चलता है कि spinnability के लिए खिड़की ६५ डिग्री सेल्सियस गरम विस्कोमीटर से PDMS को दूर करके नाटकीय रूप से विस्तारित है । हमारे प्रोटोकॉल PDMS के हटाने शामिल है spinnability खिड़की में प्रवेश करने से पहले, तो नमूने की अनुमति के बारे में ४.५ मिनट के लिए crosslinking जारी रखने के रूप में यह कमरे के तापमान को ठंडा । बाद में, प्रयोगकर्ता लगभग 4 मिनट के लिए चल रहे crosslinking renders PDMS अब दराज से पहले इसे आकर्षित किया है ।
विधि के रूप में दिखाया गया है आसानी से ०.५ मीटर के आदेश पर µm और लंबाई के १०० एस के आदेश पर व्यास के साथ रेशा पैदा करता है । रेशा लंबाई बाहर निकालना और ट्यूब भट्ठी के नीचे सुलभ अंतरिक्ष द्वारा सीमित है । तकनीक का एक उचित संशोधन करने के लिए एक लंबे समय तक चिमनी में स्थापित करने के लिए अब रेशा उत्पादन होगा । एक संशोधन है कि हम अभी तक नहीं पता लगाया है एक गुरुत्वाकर्षण ड्रॉप पर भरोसा करने के बजाय रेशा खींच यांत्रिक है, जो पतले रेशा उपज हो सकता है ।
hydrophobically patterning के लिए एक महत्वपूर्ण कदम रेशा परिवेश स्थितियों में कोरोना निर्वहन के लिए जोखिम है । यह कुछ अस्पष्टता का परिचय, के रूप में आकार के निर्वहन की तीव्रता परिवेशी स्थितियों और स्थानीय चालकता से प्रभावित है । इसे रेशा के नीचे पिसे हुए केबिल रखकर और साथ ही कोरोना डिवाइस (10-40 केवी) की वोल्टेज को एडजस्ट करके ट्यून किया जा सकता है. कोरोना की सतह के तंत्र-संशोधन की संभावना है इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हस्तांतरण PDMS पक्ष चेन और रीढ़ की lysing । इन बांडों को तोड़ने के लिए, इलेक्ट्रॉनों के लिए एक अचालक-बैरियर निर्वहन17उत्पादन की आवश्यकता औसत ऊर्जा से कम ऊर्जा की आवश्यकता होगी । इस प्रकार, एक चौकस निर्वहन कि रेशा ढंक सतह संशोधन का उत्पादन करने की संभावना है और आसानी से पानी छोटी बूंद संपर्क कोण माप के माध्यम से परीक्षण किया जा सकता है ।
इस विधि सिलिकॉन PDMS रेशा और बाद में जटिल hydrophobic patterning के अपेक्षाकृत सतही उत्पादन में सक्षम बनाता है । प्रारंभिक उद्देश्य के लिए एक मॉडल foldamer प्रणाली है जिसमें hydrophobic पैटर्न के लिए चौकस रेशा तह रास्ते और मुड़े संरचनाओं का उत्पादन डिजाइन किया जा सकता है उपज है । इस testbed इंजीनियरिंग तह रास्ते के लिए सामान्य रूप से डिजाइन नियम प्रदान कर सकते हैं । ये रेशा भी hydrophobic के भाग के रूप में सामग्री अनुप्रयोगों हो सकता है या विलायक सूजन के माध्यम से रासायनिक प्रतिक्रियाशील बुनाई, या प्रतिक्रियाशील यौगिकों गैस-पारगंय PDMS में निलंबित के उपयोग में.
The authors have nothing to disclose.
लेखक आभार डब्ल्यू कुक से अंतर्दृष्टि और सहायता स्वीकार करते हैं, एस. जे. एस रुबिना, जे Zehner, सी. Barraugh, सी. फुकुशिमा, एम. Mulligan, एम. Keckley, और ए. Bosshardt, और गुलाब हिल्स फाउंडेशन और जॉनसन ग्रीष्मकालीन छात्र अनुसंधान अनुदान से वित्तीय सहायता । लेखक भी रसायन विज्ञान में उंनत प्रयोगशाला के छात्रों द्वारा बहुलकीकरण ट्रैकिंग सिलिकॉन के एक साधन के रूप में चिपचिपापन पर प्रारंभिक काम स्वीकार करते है (२०१७ Fall) ।
2 part PDMS Silicone | Dow Corning Sylgard 184 | 4019862 | |
Thermosel | Brookfield | HT-110 115, HT-115A DP | |
viscometer | Brookfield | RVT115 | |
Disposible sample chamber | Brookfield | HT-2DB-100 | |
Disposible spindle | Brookfield | SC4-27D-100, SC4-DSY | |
Extruder | Makin's | 35055 | |
High-temperature silicone tubing | McMaster-Carr | 51135K16 | |
Cylindrical Tube heater (Ceramic) | Ours is a custom: 17.0 mm inner diameter, 38.7 mm outer diameter, 107.7 mm length, 150 Ohm. Companies include Watlow and Omega. Critical design considerations: smaller inner diameters will require better furnace-filament alignment, longer tubes should also be sufficient. | ||
Variable Transformer for heater | Variac | 3PN1010 | |
Metering valve | Swagelok | SS-2MA1 | |
Corona Discharge Device | Electro-Technic | BD20A | |
Arduino Kit | Elegoo | EL-KIT-003 | |
Nylon Fishing Line | EoongSng | B075DYVC3F | |
Pasta Drying Rack | Norpro | B00004UE7U | |
Infrared thermometer | Nubee | 81175535214 | |
Flatbed scanner | Canon | CanoScan 9000F MKII |