Engineering

図面と疎水性パターン形成の長いポリジメチルシロキサンシリコーンフィラメント

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/58826

Katherine Snell¹, Isabelle Lopez², Brandon Louie¹, Roxanna Kiessling¹, Babak Sanii^1,2,3

¹Keck Science Department, Claremont McKenna College, ²Keck Science Department, Scripps College, ³Keck Science Department, Pitzer College

Summary

ここでは、炉を通って重力図面によるポリジメチルシロキサン (PDMS) シリコーンの長いフィラメントを生成するプロトコルを提案する.フィラメント数百 μ m の直径および数十センチの長さの順序、疎水パターン形成可能な経由でコロナ放電の Arduino 制御システムです。

Abstract

ポリジメチルシロキサン (PDMS) シリコーンは、長いフィラメントに容易に形成することはできません汎用性の高いポリマーです。従来の回転方法は、PDMS 溶融長距離流動は発生しませんのでを失敗します。それは流体から、エラストマーにクロスリンクとポリマーの段付き温度プロファイルによる PDMS のフィラメントを生成する手法を紹介します。その暖かい温度粘度を監視することによって、素材の特性が長いフィラメントに図面に修正可能時間のウィンドウを導出する.フィラメントを収穫するために十分にそれらを硬化高温チューブ炉を渡します。これらの繊維は数百 μ m の直径および数十センチの長さの順序とも長く、細いフィラメントが可能。これらの繊維は、一括切替可能な疎水性を含む PDMS の物質的な特性の多くを保持します。自動化されたコロナ放電のパターニングとこの機能をデモンストレーションします。これらのパターン形成可能な PDMS シリコーンの繊維は、シリコーン織物、ガス透過性センサーコンポーネント、およびマイクロスケールフォールドマーを用いたモデルでアプリケーションを持っています。

Introduction

ポリジメチルシロキサン (PDMS) シリコーンは、多くの製造・研究のアプリケーションで広く使用されている素材です。熱があり、耐水性、電気絶縁性、疎水性、ガス透過性、食品安全、生体親和性とほぼ理想的なポアソン比を柔軟に対応。さらに、それは容易に様々な機能分子の前にまたは¹^,²硬化後に追加のホストとして使用できます。その表面は UVO、酸素プラズマまたはコロナ放電その疎水性を切り替えるし、短期的な自己接着³^,⁴^,⁵を誘導によって容易に変更可能です。特に、マイクロ⁶にも使用されています。

PDMS のフィラメント、高表面積シリコーン織物、シリコーン繊維センサー⁷、および添加剤の製造のシリコーン系材料 (3 D 印刷) の生産に特に便利です。我々のラボで折りたたみを勉強するのにとプラットフォームとして、PDMS の疎水パターンフィラメントを使用します。チーム研究、水環境による温度無依存音響励振のフィラメントの構造統計とイメージングシステム⁸を報告しました。

PDMSによる伝統的なフォーム-鋳造から高アスペクト比フィラメントを形成することは困難です。フィラメント型⁹からリリースを複雑に大きな表面区域の容積率があります。研究者は、結果として得られるフィラメントではない純粋な PDMS 連続静電紡糸用キャリア高分子を用いたナノスケールフィラメント¹⁰^、¹¹^,¹²に PDMS をシース成功を収めています。

その他の材料のナノ繊維を生成する優勢な製法には孔を介してリザーバから粘性の液体を描画が含まれます。通常、粘性液体、熱可塑性または高温貯留層で (多くの場合非晶質) 固体フィラメントに冷却液をそれが煙突を通して引き出さガラスです。このプロセスは、溶融紡糸、呼ばれます、PDMS 溶融長距離流動は発生しませんので、それは PDMS と互換性がありません。シリコーンと α-メチルスチレンのブロック共重合体は、溶融紡糸、経由でフィラメントを生成するが、また、結果のフィラメントはありません純粋な PDMS¹³に示されています。

我々はここで概略を述べる方法は、貯水池及び煙突の相対温度スイッチを除いて溶融紡糸に似ています。PDMS は部屋の温度の貯蔵所の液体架橋はまだ完了していません。硬化剤、熱が加速することができますプロセスでシリコンオイル架橋として、PDMS の粘度が異なります。貯留層に配置すること、前に、我々は長い重力点滴、その後、それはポストを介してホットチューブ炉煙突の点滴治療に適した粘度に達するまで硬化 PDMS を加熱します。アプローチは、やや「ドライ-紡績」、高分子、図面中に蒸発揮発性溶剤に溶解したに匹敵します。

我々の知識に純粋な PDMS の長いフィラメントの生産の報告された唯一の方法は私たちの以前の文書⁸です。ここで紹介した方法は、プロセスの芸術を最小限に抑えることを意図して、独創的なアプローチにより大幅に改善です。特に、事前養生ステージとタイミングクールダウン期間中に粘度を測定することによりフィラメント曳糸性の実験的アクセスウィンドウを報告することがおります。我々もフィラメントに沿って縦の疎水性パターンを有効にする再現性のある、ローカライズされたの表面改質加工装置、コロナ経由でArduino 制御フィラメントの生産の手段を紹介します。

Protocol

1. PDMS フィラメント

炉及び押出成形組立
1. 1.59 mm 内径高温シリコーンゴムチューブをメータリングバルブを介して家空気ユニットに取り付けます (図 1参照)。チューブのもう一方の端を (例えば、約 1.4 L/分の空気でカスタム加工真鍮鞘のフィラメント周りの着実な下方気流が生成されますを開くと、半径 1.08 mm の周り鞘から成る押出時のアダプターに接続します。;補足図 1参照仕様のため)。
  注: は、できれば近くに消火器の減らされた気流環境におけるフィラメントを生成します。
2. セラミック円筒炉の下の表面をカバー (e.g。、内径 17 mm、107.7 mm) 任意の過剰の PDMS をキャプチャする箔。
3. 上記の垂直管炉、炉への開口部を中心とした、フィラメントが通過するので、炉を平準化押出アダプターをマウントします。
4. 押出機を押し出しアダプターを介して高温シリコーンゴム半透明チューブに接続します。
5. 内部の温度が約 250 ° C 温度を調節する可変変圧器を使用して、赤外線放射温度計によって測定されるまで炉を熱します。
6. フィラメントの生産の前に押し出しアダプターが加熱していないので、下押し出しアダプターからを炉に移動します。
部分的に事前硬化 PDMS
1. 65.0 ° C 温度制御と粘度計に使い捨てのサンプルチューブを予熱します。1 つは 200-10000 mpa · s の範囲の粘度を測定することができますなど、適切な粘度とスピンドルを使用します。
2. 徹底的に基本 PDMS の 18.0 g を混ぜてその硬化剤計量ボートの 1.8 g、15 分間または泡がなくなるまで部屋の温度 (RT) 真空乾燥器で混合物を配置します。気泡が表面の近くに定期的にデシケータをぶちまけます。
  注: 次のタイミングでは、材料のテーブルで指定した PDMS ベースと硬化剤の使用を想定しています。
3. (いくつかは重量を量るボートへの接着に失われます) カウンターで予熱したサンプルチューブに 17.7 g の混合物を注ぐ。粘度計にサンプルチューブを再挿入します。
4. ゆっくりと (5 rpm) 回転粘度計を維持する毎分 1 回粘度測定を取る。
5. 粘度 4000 mpa · s に達すると、ペンチでサンプルチューブを削除し、すぐに部屋の温度の押出機に注ぐ。熱の除去、その後 4 分間続きますから約 4.5 分を開始する時間帯にフィラメントを生成します。
フォームフィラメントに PDMS を押し出す
1. 遅延時間の間に、炉、赤外線放射温度計を使用して 250 ° C でを確認します。
2. 約 4 分、粘度計からサンプルチューブを除去した後はバック押出アダプターの下に炉を移動、熱安全手袋を使用してチューブ炉押し出しアダプターの内側の針を合わせます。
3. 定期的に炉を点滴する PDMS の着実なストリームを許可する押出機にねじをねじる。
  注: フィラメントの代わりに液滴を形成する場合秒間待機 30 RT 硬化をさらにもう一度やり直してください。炉を通して、PDMS を余りにすぐにプッシュ定数をねじるします。一般的に、小さな火種を炉の電源を切って、炉から任意の造り上げ PDMS を取り除くため非導べ電性の棒を使用して処理できます。
  注意: 場合は PDMS は壁や炉の上にしずく、再燃の可能性があります。
4. 薄く PDMS ストリームが開始されると、追加の半分回転押出機をねじる。各試行では指定された押出機を使用して約 16 回転。
5. 各ねじれ後、炉の下にある木の棒にフィラメントを収集し、約 12 時間で硬化完了する木製ラック間でそれらを置きます。

2. コンピューター制御コロナ放電による PDMS フィラメントの表面のパターニング

Arduino 制御フィラメント位置とコロナ放電制御システム: 配線図ごとにコロナ放電装置の下で繊維を引込むカスタマーインフォメーションセンターの障害オープンソース Arduino マイクロプロセッサ制御ステッピングモーターを組み立てる材料。補足資料にカスタムの Arduino コードソフトウェアをシステムにアップロードします。
デバイスとフィラメント表面のパターニング
1. コード (「パターン」配列) に目的のパターンを入力し、Arduino経由でUSB にそれをアップロードします。
2. 1% ドデシル硫酸ナトリウムと塩漬けフィラメントを洗浄し、過剰な純粋な水で洗い流してください。乾燥した空気とフィラメント。
3. カットアウトと電気伝導性スラブの場所フィラメント (e.g。、アクリルレーザーカット補足図 3 aを参照してください) フィラメントが空気中に浮遊することができます。スラブにフィラメントの両端を固定するのに両面テープを使用します。
4. アクリルのトラックの間に換気のコロナ放電でスラブを置き、レベルであることを確認します。アクリル、金属スラブの端に沿ってフィラメントを合わせ下不動金属スラブを配置します。
5. コロナ放電電極 (例えば、春電極先端部) フィラメント上約 3 ミリメートルの場所し、コロナ放電を Arduino 制御電源コンセントに差し込みます。
6. 円形カットされたアクリルスラブ上に非導べ電性ラインを結ぶ。Arduino 制御ステッピングをラインのもう一方の端を付着モーター (補足図 3 bcを参照)。
7. Arduino 回路プログラムのコードでのパターン形成を開始するボタンを押して下さい。コロナ放電は親水性にレンダリングする PDMS の表面を変更する 10 40 kV の出力電圧と低電流 4.5 MHz 電界によって生産されます。
  注意: 現在は少ないが、デバイス生成オゾンと紫外線の空気。できれば出されたアクリル盾の背後にある発煙のフードで使用します。

Representative Results

メソッド (図 1) は正常に直径 (図 2) 約 200 μ m のフィラメントを生成し、さまざまな長さの順序 10 cm。長いのフィラメントは描画装置および平均フィラメントを上げることによって作り出すことができます。直径 50-300 μ m あたりの実行によって異なります。フィラメントは、柔軟で堅牢なと彼らの弾性係数は一括 PDMS⁸に匹敵します。このプロトコルでは、PDMS を硬化前とフィラメントを描画作業時間は便利な材料 (図 3) を輸送するために十分な長さ。

疎水性によるコロナ放電をすることができますパターニングによる液滴接触角を確認しました。繊維の形状が円柱状、接触角の分析は複雑します。対称バレル形状または非対称的なシェル形状¹⁴液滴を形成できます。私たちのフィラメントの水滴 1 μ L を使用して、これらの 2 つの図形は、それぞれ親水性の表面をコロナ処理、未処理の疎水性 PDMS に対応 (図 4)。

図 1: フィラメント製造法の概略します。脱は、その粘度 4000 mpa · s に達するまで 65 ° C で加熱は PDMS を架橋します。それは冷却し、フィラメントとして収穫されて前にチューブ炉を経由し下方空気フローシース開口部を通して材料をプッシュする押出機に転送します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 2: メソッドのデモからフィラメントの幅の柱状グラフ。幅は合計の長さは約 80 cm。フィラメントがフラットベッドスキャナーによってスキャンし、カスタムオクターブスクリプト¹⁵によって分析、以上 6 フィラメントフィラメントの cm あたりが。Inset: ルーラーの横にある拡張フィラメントの代表的なイメージ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 3: PDMS 粘度vs. 時間.(5 RPM) で異なる温度プロファイルと時間の関数として脱 PDMS ベースと硬化剤の粘度の測定。連続的な暖房 (グレーダイヤモンド) は 65 ° C、粘度の急激な増加を示します。黒データポイントは、部屋の温度粘度 4000 mpa · s 上記のメソッドごとに達したときに削除する前に、65 ° C です。赤のデータポイントは、25 ° C に冷却した後同じサンプルの粘度を表す粘度計は氷-水の流れで 25 ° C に冷却されているデータに示すようにギャップが発生します。シアンのウィンドウは、フィラメントの製造方法に従って発生した時刻です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 4: 疎水パターンフィラメント。(A) フィラメントは、Arduino 制御コロナメソッドが上記で説明した、1 μ L 水滴と可視化を使用して交互の疎水パターン 2 cm ごとにパターンだった。(B) 液滴は、シェル (左) またはフィラメントのローカル疎水性¹⁴によってバレル (右) 構造を採用します。シェルの接触角は平面相当バレル液滴の接触角は、管継手解析解⁸によって決まりますに対し直接、推定されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Supplemental Figure 1
補足図 1: 気流シース押出アダプターの寸法します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Supplemental Figure 2
補足図 2: コロナパタンナーのための配線図です。コロナ放電装置は、リレーの電源に接続されます。フィラメントは、スピンドル (補足図 3) によりステッピングモータに非伝導性ワイヤーによって接続されているトレイに読み込まれます。パターンは、左下に Arduino マイクロプロセッサ上にアップロードされます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Supplemental Figure 3
補足図 3: フィラメントパタンナーの部品の模式。(A) フィラメントが中断された開口部とトレイ。(B) 主軸導べ線、トレイを介して0.8 cm 穴にステッピングモーターを接続します。(C) ステッピングモーターシャフトにアダプターを表示、スピンドルの底面。3.2 mm のレーザーカットアクリルは、必要があるとき一緒に釘付けになったからすべての部品を試作しました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Supplemental Figure 4
補足図 4: フィラメントパタンナーのイメージ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Discussion

このメソッドの基本は重力の描画に適していますので、PDMS を硬化の物質的な特性を操作します。安定したフィラメントに重力図面液滴は、3 つの無次元パラメーター¹⁶によって支配されます。重力 (フルード) に対する液滴の慣性を関連する表面張力 (ウェーバー) と粘度 (レイノルズ)。架橋 PDMS それは実験的手法ごとの安定した拡張を最も劇的に証拠までの重要なステップは、0.07 に 0.83 から、大きさの順よりも多くすることで削減、そのレイノルズ数を変更します。対照的に、他の無次元パラメーターのいずれかで次の最大の変更は、ダブルスだけウェーバー数です。これは、PDMS 曳糸性を追跡するため機密性の高いプロキシとして粘度の使用をサポートしています。

私たちの以前のフィラメントの製法上の重要な改善は、プロトコル中粘度プロファイルを使用実験稼働時間を決定します。技術の制限を決定するには、事前プロトコルごと PDMS のバッチを硬化、暑さから削除し、PDMS 続けた架橋と常温での粘度測定を取った。結果として得られる粘度曲線 (図 4) では、曳糸性のウィンドウが 65 ° C 加熱粘度計から、PDMS を削除することによって劇的に拡張は示唆しています。我々のプロトコルには、曳糸性ウィンドウを入力し、それは部屋の温度に冷えると約 4.5 分間架橋を続行できるようにサンプルの前に PDMS の除去が含まれます。その後、実験者には継続的な架橋では、もはやドロウアブルの PDMS がレンダリングされる前に、それを描画する約 4 分。

容易に示すように、メソッドが 100 程度の直径のフィラメントを生成する μ m と 0.5 m の長さの s。フィラメントの長さは、押出チューブ炉の下にアクセス可能な領域によって制限されます。技術の合理的な変更は、長いフィラメントを生成する長い煙突にそれをインストールするでしょう。我々はまだ検討していない変更は機械的に細いフィラメントが生じる重力のドロップではなくフィラメントを引っ張っています。

疎水フィラメントを形成する重要なステップは、周囲の条件でのコロナ放電への暴露です。放電の形状・強度は周囲の状況とローカルの伝導性によって影響を受けると、いくつかのあいまいさを紹介します。コロナデバイス (10-40 kV) の電圧を調整すると同様にフィラメントの下で配置の接地導体により調整できます。コロナ表面改質のメカニズムは、PDMS 側鎖とバックボーンを溶解可能性が高い電子エネルギー転送です。これらの結束を破る、電子が誘電体バリア放電¹⁷を生成するために必要な平均エネルギーより少ないエネルギーを必要があります。したがって、フィラメントを包んでオブザーバブルの放電表面改質を生成する可能性がある、水の液滴の接触角の測定によって容易にテストすることができます。

このメソッドは、シリコーン PDMS フィラメントとその後の複雑な疎水性パターンの比較的安易な生産できます。初期目的オブザーバブルフィラメントフォールディング経路と折り畳まれた構造を生成する疎水性パターンを設計できますモデル foldamer システムを作り出すことです。このテストベッドフォールディング経路エンジニアリングのための汎化可能なデザインルールがあります。これらの繊維は疎水性または化学的に反応の一部を編むを介して溶媒膨潤、またはガス透過性 PDMS の停止反応性化合物の使用材料にもあります。

Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

著者より感謝する洞察力と s ・ J ・ w ・クックから援助。S. ルービン、j. ゼーナー、C. Barraugh、C. 福島、M. マリガン、M. Keckley と A. Bosshardt、ローズの丘財団とのジョンソン夏学生研究助成金からの財政支援。著者はまた化学 (2017 年秋) で高度な研究室の学生によるシリコーン重合を追跡調査する手段として粘度の予備作業を認めます。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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