在这里, 我们提出了一个协议, 以生产长丝的聚二甲基硅氧烷 (pdms) 有机硅通过一个熔炉的重力绘制。花丝的直径约为数百微米, 长度为几十厘米,可通过arduino 控制的电晕放电系统进行疏水模式。
聚二甲基硅氧烷 (pdms) 有机硅是一种多功能聚合物, 不能轻易形成长丝。传统的纺丝方法失败了, 因为 pdms 在熔炼时不会表现出远长的流动性。我们介绍了一种改进的方法, 以生产 pdms 的细丝的聚合物的阶梯式温度分布, 因为它从流体到弹性体的交叉链接。通过监测其升温温度粘度, 我们估计了当它的材料特性可以修正为长细丝时的时间窗口。细丝通过高温管式烤箱, 固化足够的, 可以收获。这些细丝的直径为数百微米, 长度为几十厘米, 甚至更长、更薄的细丝是可能的。这些细丝保留了散装 pdms 的许多材料特性, 包括可切换的疏水性。我们用一种自动的冠状放电模式方法来演示这种能力。这些可模式的 pdms 硅胶丝丝可用于硅胶织件、透气传感器组件和模型微型折叠机。
聚二甲基硅氧烷 (pdms) 有机硅是一种用途广泛的材料, 具有多种制造和研究应用。它具有耐热、防水、疏水、透气性、食品安全、生物相容性强、灵活性强、泊松比几乎理想的问题。此外, 它还可以很容易地作为各种功能分子的宿主, 在固化1,2之前或之后添加。其表面容易通过 uvo、氧等离子体或电晕放电来改变其疏水性并诱导短期自粘附 3,4,5。特别是, 它还被用于微流体6。
pdms 的细丝特别适用于生产高表面积有机硅织物、硅纤维传感器7和基于有机硅的添加剂制造材料 (3d 打印)。在我们的实验室中, 我们使用 pdms 的疏水图案细丝作为研究折叠的平台。研究小组通过先前报告的热声激励和成像系统研究灯丝在水环境中的构象统计.
通过传统的成形方法从 pdms 中形成高纵横比细丝具有挑战性。花丝具有较大的表面面积与体积比, 这使得从模具9中释放的情况复杂化。研究人员已经成功地护套 pdms 与载体聚合物连续电纺成纳米细丝10,11, 12, 虽然由此产生的细丝不是纯粹的 pdms。
从其他材料中生产宏观细丝的主要制造方法是通过毛孔从储层中提取粘稠液体。通常情况下, 粘性液体是一种热塑性塑料或玻璃, 在储层的高温下是液体, 在通过烟囱抽出时冷却成 (通常是无定形的) 固体长丝。这个过程有时被称为熔融纺丝, 它与 pdms 不兼容, 因为 pdms 在熔融时不会表现出远流性。有机硅和α-甲基苯乙烯的块状共聚物已被证明可以通过熔融纺丝产生丝状, 但同样, 产生的细丝并不是纯 pdms13。
除了储层和烟囱的相对温度被切换外, 我们在这里概述的方法类似于熔纺。pdms 是室温储液中的流体, 因为它尚未完成交联。pdms 的粘度随硅油与固化剂的交联而变化, 这一过程可以热加速。在将其放入储罐之前, 我们加热固化 pdms, 直到它达到适合长重力滴的粘度, 然后通过烟囱中的热管炉固化后滴入。该方法在一定程度上可与 “干纺” 相媲美, 即聚合物溶解在在拉伸过程中蒸发的挥发性溶剂中。
据我们所知, 唯一报道的生产纯 pdms 长丝的方法是我们以前的出版物8 。这里介绍的方法是对原始方法的重大改进, 目的是尽量减少过程的艺术。最值得注意的是, 通过测量预固化阶段和定时冷却期的粘度, 我们能够报告一个实验中可获得的灯丝可纺窗口。我们还介绍了一种通过arduino 控制的电晕图案系统对灯丝进行可重复的局部表面修改的方法, 从而实现了沿灯丝的纵向疏水图案。
该方法的基础是对 pdms 固化的材料性能进行操作, 使其适用于重力绘制。重力将液滴拉入稳定的细丝受三个无量纲参数16的控制。它们将液滴相对于重力 (弗鲁德)、表面张力 (韦伯) 和粘度 (雷诺兹) 的惯性联系起来。在实验证明每个方法的 rdms 稳定扩展之前, 交叉连接 pdms 的关键步骤最显著地改变了它的雷诺数, 将其减少了一个数量级以上, 从0.83 到0.83。相比之下, 其他无量纲参数中的下一个最大变化是 weber 号, 它只是翻倍。这支持使用粘度作为跟踪 pdms 可纺性的敏感代理。
与我们早期的长丝生产方法相比, 一个关键的改进是, 协议期间的粘度分布被用来确定实验工作时间。为了确定该技术的局限性, 我们根据协议预固化了一批 pdms, 将其从高温中取出, 并在 pdms 继续交联时在室温下进行粘度测量。由此产生的粘度分布 (图 4) 表明, 通过从65°c 加热粘度计中去除 pdms, 可纺性窗口显著延长。我们的协议包括在进入可纺性窗口之前取出 pdms, 然后允许样品在冷却到室温时继续交联约4.5 分钟。随后, 实验者有大约4分钟的时间来绘制它之前, 正在进行的交联使 pdms 不再可以绘制。
所示方法很容易产生直径约为100秒微米的细丝, 长度约为0.5 米。长丝长度受到挤压炉和管炉下可进入空间的限制。对这项技术的合理修改是将其安装在较长的烟囱中, 以产生更长的细丝。我们还没有探索的一种修改是机械地拉扯细丝, 而不是依靠重力下降, 这可能会产生更薄的细丝。
在环境条件下暴露在电晕放电中, 是对灯丝进行水化图案绘制的一个关键步骤。这就造成了一些模糊性, 因为放电的形状强度受环境条件和局部电导率的影响。它可以通过将接地导体放置在灯丝下以及调整电晕器件 (10-40kv) 的电压来进行调整。电晕表面修饰的机理可能是电子能量传递, 它分析了 pdms 侧链和主干。要打破这些键, 电子所需的能量将少于产生电介质屏障放电所需的平均能量 17。因此, 包裹长丝的可观察到的分泌物很可能会产生表面的修饰, 并且可以通过水滴接触角测量进行很容易的测试。
这种方法可以相对简单地生产有机硅 pdms 细丝和随后复杂的疏水图案。最初的目的是产生一个模型的折叠式系统, 在这个系统中, 疏水模式可以被设计出来, 以产生可观察到的长丝折叠路径和折叠结构。该试验台可为工程折叠路径提供通用的设计规则。这些细丝也可能具有材料应用,可作为通过溶剂膨胀进行的疏水或化学反应编织的一部分, 或在使用悬浮在透气性 pdms 中的反应性化合物时。
The authors have nothing to disclose.
作者感谢库克先生 (w. cook) 的真知灼见和帮助。s. rubin, j. zehner, c. barraugh, c. fukhima, m. mulligan, m. keckley 和 a. bosshardt, 并得到玫瑰山基金会和约翰逊夏季学生研究补助金的资助。 作者还承认了化学高级实验室 (2017年秋季) 作为跟踪有机硅聚合的一种方法的粘度方面的初步工作。
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 |