Her presenterer vi en protokoll for å produsere lang filamenter polydimethylsiloxane (PDMS) silikon av gravitasjon-tegning gjennom en ovn. Filamenter på hundrevis av mikrometer i diameter og titalls centimetere i lengde og er hydrophobically patternable via en Arduino-kontrollerte corona utslipp system.
Polydimethylsiloxane (PDMS) er en allsidig polymer som ikke kan lett formes inn lange filamenter. Bevegelige metoder mislykkes fordi PDMS ikke viser langtrekkende flyt på smelter. Vi introdusere en forbedret metode å produsere filamenter av PDMS av en trappet temperatur profil av polymer som det cross-links fra en væske å en elastomer. Ved å overvåke sine varm temperatur viskositet, anslår vi et bestemt tidsrom når materielle egenskapene er amendable til tegningen i lang filamenter. Filamenter passere gjennom en høy temperatur tube ovn, herding dem tilstrekkelig til å bli høstet. Disse filamenter på hundrevis av mikrometer i diameter og titalls centimetere i lengde, og enda lenger og tynnere filamenter er mulig. Disse filamenter beholde mange av de materielle egenskapene av bulk PDMS, inkludert valgbar hydrophobicity. Vi viser denne muligheten med en automatisert corona-utslipp mønstre metode. Disse patternable PDMS silikon filamenter har programmer i silikon weavings, gass permeabel sensor komponenter og modell Mikroskala foldamers.
Polydimethylsiloxane (PDMS) er et bredt brukt materiale med mange produksjons- og forsknings-programmer. Det er varme og vanntett, elektrisk isolerende, hydrofobe, gass permeabel mat-safe, biokompatible og fleksibel med en nesten perfekt Poisson-ratio. I tillegg kan det lett tjene som vert for ulike funksjonelle molekyler, til enten før eller etter1,2. Overflaten er lett modifiserbare av UVO, oksygen plasma eller Corona utslipp å bytte sin hydrophobicity og indusere kortsiktige selv-vedheft3,4,5. Spesielt har det også blitt brukt i microfluidics6.
Filamenter av PDMS er spesielt nyttige i å produsere høy overflate-området silikon vever, silikon fiber sensorer7og silikonbasert additive industrien materialer (3D utskrift). I våre laboratorier bruker vi hydrophobically mønstrede filamenter av PDMS som en plattform for å studere folding. Laget studier i filament conformational statistikk i en vandig miljøet via excitation athermal akustisk og tenkelig system tidligere rapportert8.
Danner høy størrelsesforholdet filamenter fra PDMS via tradisjonell form-avstøpning er utfordrende. Filamenter har stor overflate område-til-volum, kompliserer utgivelsen fra former9. Forskere har hatt suksess vindsperre PDMS med transportør polymerer for kontinuerlig electrospinning i nanoskala filamenter10,11,12, om resulterende filamenter ikke rene PDMS.
Den dominerende produksjon metoden å produsere macroscale filamenter av andre materialer innebærer trekke ut en tyktflytende væske fra et reservoar gjennom en pore. Tyktflytende væske er vanligvis en termoplast eller glass som er flytende ved høye temperaturer i reservoaret og avkjølt i en (ofte amorfe) solid filament som det trekkes gjennom en pipe. Denne prosessen kalles smelte spinning, og det er uforenlig med PDMS fordi PDMS ikke viser langtrekkende flyt på smelter. Blokk co polymerer silikon og alpha-metyl styren har vist for å produsere filamenter via smelte spinning, men igjen, resulterende filamenter er ikke ren PDMS13.
Metoden vi skissere her er som å smelte-spinning, bortsett fra relative temperaturen av reservoaret og skorstein er slått. PDMS er væske i en romtemperatur reservoaret, som det ikke har ennå fullført cross-linking. Viskositeten av PDMS varierer som silikon olje krysskoblinger med en herding agent, en prosess som kan akselereres termisk. Før du plasserer dem i reservoaret, varmer vi den herding PDMS til den når en viskositet egnet for lange gravitasjon-drypper og kurere det etter dryppe via en varme rør ovn i chimney. Tilnærmingen er noe sammenlignes med “tørr-spinning”, i hvilke polymerer er oppløst i flyktige løsemidler som fordamper under tegning.
Til våre kunnskap er bare rapportert produsere lang filamenter av ren PDMS vår forrige publikasjonen8 . Metoden innført her er en betydelig forbedring på det opprinnelige tilnærmingen, med hensikten å minimere kunsten av prosessen. Særlig ved måler viskositeten under pre herding scenen og timing nedkjøling perioder, er vi kan rapportere et eksperimentelt tilgjengelig vinduet i filament spinnability. Vi har også introdusere et middel til å produsere repeterbare, lokalisert overflaten modifikasjoner på filament via en Arduino-kontrollerte corona mønstre system, muliggjør langsgående hydrofobe mønstre langs filament.
Grunnlaget for denne metoden er manipulere materielle egenskapene for herding PDMS slik de er egnet for tyngdekraften tegning. Tyngdekraften tegning dråper i stabil filamenter styres av tre dimensjonsløs parametere16. De gjelder slippverktøyets treghet i forhold til tyngdekraften (Froude), overflatespenning (Weber) og viskositet (Reynolds). Det kritiske trinnet av crosslinking PDMS før det eksperimentelt bevis stabil forlengelse per vår metode mest dramatisk endrer Reynolds nummeret, redusere den med mer enn en størrelsesorden, fra 0,83 til 0,07. Den neste største endringen i en av de andre dimensjonsløs parameterne er derimot Weber nummer, som bare dobler. Dette støtter bruk av viskositet følsom proxy for sporing PDMS spinnability.
En viktig forbedring over våre tidligere filament Produksjonsmetoden er at viskositet profilen under protokollen brukes til å bestemme eksperimentelle arbeidstider. For å bestemme begrensninger av teknikken, vi pre herdet en gruppe med PDMS per protokollen, fjernet det fra varme og tok viskositetsmålinger i romtemperatur i PDMS fortsatte cross-linking. Den resulterende viskositet profilen (Figur 4) antyder at vinduet for spinnability er utvidet dramatisk ved å fjerne PDMS fra 65 ° C oppvarmet viscometer. Våre protokollen innebærer fjerning av PDMS før inn i spinnability-vinduet, og deretter tillater prøven fortsette crosslinking i ca 4,5 min som den kjøler til romtemperatur. Deretter har eksperimentator ca 4 min å tegne den før den pågående crosslinking gjengir PDMS ikke lenger laget.
Metoden som vist lett produserer filamenter med diameter på 100 s µm og lengder på 0,5 m. Filament lengden er begrenset av tilgjengelig plass under ekstrudering og rør ovn. En rimelig modifikasjon av teknikken ville være å installere den i en lengre pipe å produsere lengre filamenter. En endring som vi ennå ikke har utforsket trekker mekanisk filamenter istedet for tillit til tyngdekraften, som kan gi tynnere filamenter.
Et kritisk steg til hydrophobically mønstre i filament er eksponering for corona utslippet i omgivelsene. Dette introduserer noen tvetydighet, som figuren/intensiteten av utslippet er påvirket av omgivelsene og lokale ledningsevne. Det stilles ved å plassere jordet dirigenter under filament samt justere spenningen på corona enheten (10-40 kV). Mekanismen av corona overflaten-endring er sannsynlig elektronet energioverføring lysing PDMS siden kjeder og ryggraden. For å bryte disse obligasjonene, trenger elektroner mindre energi enn den gjennomsnittlige energien som kreves for å produsere en dielektrisk-barriere utslipp17. Dermed en observerbar utslipp som omslutter filament er sannsynlig å produsere overflaten endring og kan lett testet via vann dråpe kontakt vinkel målinger.
Denne metoden gjør det relativt lettvinte produksjon av silikon PDMS filamenter og påfølgende komplekse hydrofobe mønstre. Deres mål er å produsere et modellsystem for foldamer der hydrofobe mønstre kan utformes til å produsere observerbare filament folding stier og foldet strukturer. Denne Serbia og MontenegroGenericName kan gi generalizable regler for engineering folding trasé. Disse filamenter kan også ha materiale programmer som en del av hydrofobe eller kjemisk reaktive vever via løsemiddel hevelse eller i bruk av reaktive stoffer suspendert i gass permeabel PDMS.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne erkjenner takknemlig innsikt og assistanse fra W. Cook, S. J. S. Rubin, J. Zehner, C. Barraugh, C. Fukushima, M. Mulligan, M. Keckley, og A. Bosshardt og økonomisk støtte fra The Rose Hills Foundation og The Johnson sommer Student Research Grant. Forfatterne også erkjenner forarbeidet på viskositet for sporing silikon polymerisering av studenter på Avansert laboratorium i kjemi (Fall 2017).
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 |