Summary
La technique proposée fournira une approche nouvelle, efficace, frugale et non invasive pour l’imagerie de l’écoulement fluidique à travers un lit de poudre garni, ce qui donnera une résolution spatiale et temporelle élevée.
Abstract
Le développement de nouvelles techniques d’imagerie du transport moléculaire et colloïdal, y compris les nanoparticules, est un domaine de recherche actif dans les études microfluidiques et millifluidiques. Avec l’avènement de l’impression tridimensionnelle (3D), un nouveau domaine de matériaux a émergé, augmentant ainsi la demande de nouveaux polymères. Plus précisément, les poudres polymères, avec des particules moyennes de l’ordre du micron, suscitent un intérêt croissant de la part des communautés académiques et industrielles. Le contrôle de l’accordabilité des matériaux aux échelles de longueur mésoscopique à microscopique crée des opportunités pour développer des matériaux innovants, tels que des matériaux de gradient. Récemment, un besoin de poudres polymères de taille micronique a augmenté, à mesure que des applications claires pour le matériau se développent. L’impression tridimensionnelle fournit un processus à haut débit avec un lien direct avec de nouvelles applications, conduisant à des recherches sur les interactions physico-chimiques et de transport à mésoéchelle. Le protocole décrit dans cet article fournit une technique non invasive pour imager l’écoulement des fluides dans les lits de poudre emballés, offrant une résolution temporelle et spatiale élevée tout en tirant parti de la technologie mobile facilement disponible à partir d’appareils mobiles, tels que les smartphones. En utilisant un appareil mobile commun, les coûts d’imagerie qui seraient normalement associés à un microscope optique sont éliminés, ce qui entraîne une approche scientifique frugale. Le protocole proposé a caractérisé avec succès une variété de combinaisons de fluides et de poudres, créant une plate-forme de diagnostic pour l’imagerie rapide et l’identification d’une combinaison optimale de fluide et de poudre.
Introduction
Le jet d’encre à jet d’encre dans un milieu de poudre représente une technologie importante dans la fabrication additive (impression 3D). Le processus de projection de liant commence par le dépôt de fluides fonctionnels dans des supports en poudre à l’aide d’un procédé d’impression à jet d’encre à balayage. Plus précisément, une tête d’impression à jet d’encre se traduit sur la surface de la poudre, déposant l’agent liant liquide sur une surface de poudre et formant ainsi une pièce solide couchepar couche 1. Les technologies de jet de liant à jet d’encre comprennent généralement du sable, des poudres métalliques et des poudres polymères. Cependant, pour élargir l’espace des matériaux dans le jet de liant, une approche fondamentale pour étudier les interactions fluide-poudre et poudre-poudre, la tribologie, la densité de tassement de la poudre et l’agrégation des particules est nécessaire. Plus précisément, pour les interactions fluide-poudre, il existe un besoin critique pour la capacité d’imager l’écoulement du fluide à travers les lits de poudre en temps réel. Cela promet d’être un outil puissant que les chercheurs pourront inclure comme technique de caractérisation et potentiellement comme méthode de criblage pour différentes combinaisons de fluides et de poudres 2,3,4, ainsi que des systèmes plus complexes, tels que les systèmes d’impression 3D en béton qui utilisent des méthodes de lit de particules.
Le développement de nouvelles techniques d’imagerie du transport moléculaire et colloïdal, y compris les nanoparticules, est un domaine de recherche actif dans les études microfluidiques et millifluidiques. Il peut être difficile de sonder les interactions intermoléculaires par des techniques d’imagerie, car peu de travaux ont été effectués pour sonder ces types d’interactions dans des conditions d’écoulement de fluide insaturé et instable. Bon nombre des études rapportées dans la littérature ont porté sur des milieux saturés, prémouillés et poreux, tels que les perles de verre 5,6,7,8,9,10,11,12 et les sols 13,14,15,16,17,18 . Cette technique fournit une approche non invasive, résultant en une résolution temporelle et spatiale élevée 2,3,4,19. En outre, la technique développée fournit une nouvelle méthode pour caractériser et quantifier le transport de particules à l’échelle nanométrique et micronique dans une variété de milieux poreux, en se concentrant sur les poudres polymères.
La technique proposée utilise un dispositif mobile pour enregistrer le transport fluidique insaturé et instable à travers des milieux polymères poreux avec des dimensions de particules représentatives des poudres utilisées dans les systèmes d’impression 3D utilisant des technologies de fusion fluidique sur lit de poudre. Cette technique est avantageuse car les cellules d’écoulement sont rentables, réutilisables, petites et faciles à manipuler, illustrant les aspects dominants de la science frugale. La possibilité de mettre en œuvre ces expériences simples dans une étude sur le terrain est très simple, éliminant les complications, les coûts et le temps requis en microscopie optique. Compte tenu de la facilité de création de la configuration, de l’accès à des résultats rapides et du nombre minimal d’échantillons requis, cette technique constitue une plate-forme optimale pour le dépistage diagnostique.
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Protocol
1. Préparation de la cellule d’écoulement microfluidique
REMARQUE: Pour ce protocole, une cellule d’écoulement microfluidique commerciale sera utilisée. En utilisant un produit commercial conçu pour la pénétration de la lumière à partir d’un microscope optique, les défis liés à l’éclairage en fond clair du support seront minimisés.
- Commencez à préparer la cellule d’écoulement microfluidique en recouvrant la sortie de parafilm pour sceller une extrémité du canal afin que la cellule d’écoulement vide puisse être emballée avec de la poudre polymère. Avant de commencer l’expérience, confirmez que le canal microfluidique est propre et sec.
- Collez la règle de papier métrique directement sous le canal d’écoulement.
- Pesez la cellule d’écoulement microfluidique avec le parafilm et la règle fixés. La masse de la cellule d’écoulement est la masse de la cellule d’écoulement non emballée (mu).
2. Emballage de la poudre dans le canal
- Lors de l’emballage de la poudre, utilisez une pipette en plastique pour transférer la poudre. Notez que les particules peuvent adhérer à l’extérieur de l’embout de la pipette, ce qui est le résultat de la tribocharge.
- Lors de l’introduction de la poudre dans le canal, tapotez la cellule d’écoulement au moins cinq fois pour compacter la poudre. Continuer l’emballage jusqu’à ce que la poudre atteigne le début de l’ouverture du canal d’écoulement.
REMARQUE: Le taraudage compacte la poudre dans le canal dans le but de fournir un outil de diagnostic reproductible. Pour certaines applications, cet effort peut être un niveau de compactage de poudre supérieur, inférieur ou équivalent au compactage observé dans l’application d’intérêt. S’il y a des problèmes avec la reproductibilité de l’entaillage ou avec la poudre d’emballage dans l’application, envisagez d’effectuer la norme ASTM D7481-1820. - Retirez la poudre présente sur la surface extérieure de la cellule d’écoulement avec une lingette imbibée d’alcool.
REMARQUE: Certains types de particules peuvent être hydrophobes, de sorte que l’eau peut ne pas bien éliminer les particules.
- Lors de l’introduction de la poudre dans le canal, tapotez la cellule d’écoulement au moins cinq fois pour compacter la poudre. Continuer l’emballage jusqu’à ce que la poudre atteigne le début de l’ouverture du canal d’écoulement.
- Une fois les poudres emballées, inspectez visuellement la cellule d’écoulement pour détecter la présence de poudre emballée en vrac. Si la poudre à l’intérieur de la cellule d’écoulement semble faiblement tassée (Figure 1), tapotez la cellule d’écoulement cinq fois de plus. Si l’emballage de la poudre semble cohérent et compact, peser la cellule d’écoulement pour mesurer la masse de la poudre polymérique (m p- mu; voir équation 1).
- Calculer la masse volumique d’emballage en vrac (ρ) en utilisant la différence entre la masse de la cellule d’écoulement non emballée (mu) et la masse de la cellule d’écoulement emballée (mp) et en la divisant par le volume de la cellule d’écoulement. Le volume de la cellule d’écoulement est alors connu [longueur (l): 50 mm, largeur (w): 5 mm, profondeur du canal (h): 0,8 mm].
Éq. 1 - Confirmer que la densité d’emballage se situe dans la plage typique de 0,45 g/mL à 0,55 g/mL pour les poudres polymères 2,3,4,21. Laissez les cellules d’écoulement dans la hotte jusqu’à ce que les étapes 3 et 4 soient terminées.
ATTENTION : Les particules d’un diamètre inférieur à 10 μm peuvent pénétrer dans les poumons et potentiellement pénétrer dans la circulation sanguine, ce qui peut causer des problèmes de santé liés aux systèmes pulmonaire et cardiovasculaire. Les poudres polymères utilisées dans cette expérience ont un diamètre de particules d’environ 50 μm. Par conséquent, l’inhalation des particules a moins de potentiel de causer des problèmes de santé, mais des particules plus petites sont présentes même dans des distributions granulométriques étroites. Pour l’environnement le plus sûr, la préparation des cellules d’écoulement doit être effectuée dans une hotte.
- Calculer la masse volumique d’emballage en vrac (ρ) en utilisant la différence entre la masse de la cellule d’écoulement non emballée (mu) et la masse de la cellule d’écoulement emballée (mp) et en la divisant par le volume de la cellule d’écoulement. Le volume de la cellule d’écoulement est alors connu [longueur (l): 50 mm, largeur (w): 5 mm, profondeur du canal (h): 0,8 mm].
Éq. 13. Préparation du solvant
- Préparer une solution à 75 % en poids d’éthanol dans de l’eau. Notez que le solvant sera appelé le fluide dans le reste de ce manuscrit.
ATTENTION: Assurez-vous que le bécher utilisé pour préparer la solution est exempt de tout tensioactif, car les tensioactifs affecteront les résultats.
4. Préparation de la table à lumière blanche
- Pour éviter d’inonder le détecteur (caméra) avec trop de lumière, recouvrez la table lumineuse d’un matériau opaque, tel qu’un couvercle imprimé en 3D en filament d’acide polylactique noir (PLA) (Figure supplémentaire 1). Assurez-vous que le matériau a une ouverture de la taille du microcanal (5 mm x 55 mm) pour permettre à la lumière d’éclairer la poudre.
REMARQUE: Trop de lumière signifie que l’écran ou le moniteur de la caméra apparaîtra blanc et que le microcanal ne sera pas visible. Par conséquent, le détecteur ne pourra pas focaliser la lentille sur le microcanal. - Pour vous assurer que l’appareil photo de l’appareil mobile peut capturer le contraste entre la poudre humide et la poudre sèche, utilisez la table lumineuse à une intensité lumineuse faible à moyenne.
REMARQUE: L’intensité lumineuse élevée est à 100%. Les deux autres réglages sont relatifs à la forte intensité lumineuse; Le réglage pour une faible intensité lumineuse est à ~30%, et l’intensité lumineuse moyenne est à ~65%. - Alignez la caméra sur l’appareil mobile directement au-dessus de la table lumineuse. Vérifiez que la caméra est perpendiculaire au sommet de la table lumineuse (Figure 2).
- Orientez la caméra sur l’appareil mobile de sorte que l’axe long de l’appareil mobile s’aligne sur l’axe le plus long de la cellule de flux.
5. Démarrage de l’expérience
- Placez la cellule d’écoulement sur la table lumineuse et concentrez la caméra sur l’appareil mobile sur le canal d’écoulement.
REMARQUE: Pour des résultats optimaux, un espace d’enregistrement plus sombre (éclairage aérien réduit) fournira généralement une meilleure résolution d’image. Si un espace sombre n’est pas disponible, la réduction des changements dans l’éclairage au plafond (lumières allumées, éteintes ou atténuées) pendant l’enregistrement devrait améliorer les signaux graphiques et minimiser le bruit indésirable dans l’expérience. - Après avoir mis la caméra au point sur l’appareil mobile, sélectionnez le bouton d’enregistrement. Ajouter 125 μL de fluide à l’entrée ouverte du microcanal à l’aide d’une pipette.
- Enregistrer le débit pendant 2 minutes ou jusqu’à ce que toute la poudre soit mouillée visiblement.
6. Analyse des données
- Transférez le fichier vidéo de l’appareil mobile vers l’ordinateur pour un accès facile. Notez que les vidéos de plus de 2 min peuvent ne pas se charger dans le logiciel pour le moment, car la taille du fichier peut être excessivement grande.
- Téléchargez Tracker, un logiciel gratuit sur le site de Physlets22. Ce logiciel peut suivre la position, la vitesse et l’accélération dans les fichiers vidéo suivants: .mov, .avi, .mp4, .flv, .wmv, etc. Pour les étapes suivantes, reportez-vous à la section Fichier supplémentaire.
REMARQUE: Pour les utilisateurs de Mac, installez la dernière version du logiciel pour que le logiciel fonctionne correctement. En outre, les utilisateurs de Mac peuvent avoir besoin d’un moteur vidéo (Xuggle), de fichiers GIF animés (.gif) ou de séquences d’images composées d’une ou plusieurs images numériques (.jpg, .png ou collées à partir du presse-papiers). - Une fois le logiciel installé, ouvrez le logiciel Tracker. Dans le menu Fichier , sélectionnez Ouvrir le fichier pour charger le fichier vidéo transféré à partir de l’étape 6.1 sur le bureau de l’ordinateur.
- Cliquez sur l’icône Paramètres du clip , qui ressemble à la bande de film, pour définir l’image de départ et la taille de l’étape.
REMARQUE: Placer la souris sur une icône pour identifier l’icône.- Définissez le cadre de départ. Le cadre de départ est défini comme le cadre dans lequel le premier contraste (le contraste entre la poudre humide et la poudre sèche) est observé.
- Définissez la taille de l’étape. La taille du pas fait référence à la taille du pas du cadre, que le logiciel analyserait. D’après des expériences antérieures, la taille optimale des pas est de 10.
- Cliquez sur l’outil d’étalonnage, l’icône avec la règle bleue, à droite du bouton Paramètres du clip . Dans Nouveau, sélectionnez Calibration Stick.
- Pour effectuer un zoom avant sur la règle dans la vidéo, cliquez avec le bouton droit de la souris sur la zone à agrandir et sélectionnez Zoom avant dans la liste. Une fois agrandie de manière appropriée, définissez le début et la fin de 1 mm sur la règle collée au microcanal, et tapez 1 mm pour définir la distance.
- Cliquez sur l’outil Axe de coordonnées, qui est l’icône violette, à droite de l’outil Étalonnage. Définissez l’origine des axes x et y à l’aide de l’image de départ lors de cette étape.
- Pour définir le point d’analyse initial, créez une masse ponctuelle. Cliquez sur Créer, puis sélectionnez Point Mass. Utilisez Maj + Contrôle pour modifier la taille du rectangle. Le point initial est l’endroit où l’entrée et le canal se connectent.
REMARQUE: Le rectangle indique le domaine, défini par l’utilisateur, que le logiciel analysera pour trouver la poudre humide et sèche contrastée. La limite permet à l’utilisateur de définir la région où le point initial sera observé.- Cliquez sur Rechercher suivant plusieurs fois pour vérifier que le logiciel analyse la bonne zone. Si le logiciel fonctionne correctement, cliquez sur Rechercher et attendez que le logiciel ait fini d’analyser la vidéo. Si le logiciel ne peut pas trouver automatiquement une intensité d’image correspondante de l’image précédente à l’image actuelle, le logiciel s’arrêtera et attendra que l’utilisateur redéfinisse la zone de recherche.
NOTE: Pour la reproductibilité et la possibilité de comparer différents résultats expérimentaux, choisissez le point le plus rapide ou le plus lent du front d’écoulement fluidique (région de contraste entre la poudre mouillée et la poudre sèche) pour chaque échantillon. - Si une erreur d’analyse est observée sur les données tracées en direct sur le côté droit de l’écran du suivi, cliquez sur le point de données une fois sur l’étape précédant le point de données erroné. Sur l’écran principal, modifiez l’emplacement de la zone de recherche rectangulaire rouge pour rechercher la région d’intérêt et répétez l’étape 6.8.1.
REMARQUE: Si une erreur existe, cliquez avec le bouton droit sur le point de données inexact et désélectionnez le point pour une analyse plus approfondie.
- Cliquez sur Rechercher suivant plusieurs fois pour vérifier que le logiciel analyse la bonne zone. Si le logiciel fonctionne correctement, cliquez sur Rechercher et attendez que le logiciel ait fini d’analyser la vidéo. Si le logiciel ne peut pas trouver automatiquement une intensité d’image correspondante de l’image précédente à l’image actuelle, le logiciel s’arrêtera et attendra que l’utilisateur redéfinisse la zone de recherche.
- Une fois l’analyse terminée, copiez et collez les résultats dans une feuille de calcul. Les résultats enregistrés dans la feuille de calcul comprennent les données de distance et de temps.
- Tracez les données copiées dans la feuille de calcul comme la distance de transport du fluide à travers le lit de poudre en fonction du temps.
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Representative Results
Dans la section sur l’analyse des données, les données des images accélérées de la figure 3 illustrent la solution d’éthanol à 75 % en poids infiltrant la poudre de polycarbonate (PC). La fluorescéine a été ajoutée à la solution pour améliorer la qualité d’image de cette publication. Dans les images time-lapse, le processus de résolution temporelle commence lorsque le fluide est ajouté à l’entrée. Le temps, t, commence dès que le fluide commence à pénétrer dans le canal. La série d’images démontre la progression du fluide et de la fluorescéine. En PC, le fluide et la fluorescéine sont transportés au même débit. Les cercles rouges ouverts sur le graphique de la figure 4 représentent l’heure et la distance exactes des informations compilées trouvées dans le tableau 1. L’infiltration du fluide dans le lit de poudre combinée aux pas de temps incrémentiels (cercles rouges) sont représentés visuellement à la figure 3.
Dans l’intervalle de 1 s à 2 s, la distance parcourue par le fluide a doublé. Pendant l’intervalle de 2 s à 5 s, la distance parcourue par le fluide double également. De 5 s à 10 s, le fluide se déplace toujours rapidement. Cependant, après 15 s, le débit ralentit à un débit d’environ 2 mm toutes les 5 s. Pour une seule combinaison poudre et fluide, cinq tests sont effectués dans un seul groupe. Le nombre total de tests peut varier pour chaque groupe. Par exemple, si l’une des cinq expériences échoue, un nouveau microcanal emballé sera analysé à la place du test échoué. La défaillance est définie comme un fluide qui ne pénètre pas dans le lit de poudre ou ne pénètre que partiellement dans le lit de poudre en raison de la formation de bulles dans le canal résultant d’un emballage de poudre incohérent. Pour observer l’écart-type entre un ensemble de tests dans un groupe, reportez-vous à Donovan 21, en particulier la figure 19 et la figure 21.
Figure 1 : Poudre polymérique emballée de manière lâche dans une cellule d’écoulement microfluidique qui pourrait entraîner l’échec de l’expérience si elle n’est pas traitée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Représentation en bande dessinée de l’installation expérimentale. Cette image n’est pas dessinée à l’échelle. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Une série d’images en accéléré représentative d’une seule expérience. Les images de gauche à droite illustrent le flux de solvant (amélioré avec un colorant fluorescent pour la visualisation) à travers le lit poreux emballé. Notez que le front avant n’est pas uniforme, donc une distance moyenne du front de propagation est généralement utilisée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Représentation quantitative de la distance moyenne de propagation (Δl) en fonction du temps (t) lorsque le fluide pénètre dans le lit de poudre emballé. Les cercles rouges représentent les points de données pour chaque incrément temporel illustré à la figure 3. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Heure(s) | Distance (mm) |
| 0 | 0 |
| 1 | 2.1 |
| 2 | 4.1 |
| 5 | 8.3 |
| 10 | 12.8 |
| 15 | 15.8 |
| 20 | 17.9 |
| 25 | 20.1 |
| 30 | 22.1 |
Tableau 1 : Valeurs de distance et de temps pour les points rouges illustrés à la figure 4.
Figure supplémentaire 1 : Dessin CAO du couvercle opaque de l’imprimante 3D en filament d’acide polylactique noir (PLA). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier supplémentaire : captures d’écran des étapes de l’analyse des données à l’aide du logiciel de suivi. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
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Discussion
Le protocole fourni dépend fortement des caractéristiques matérielles des particules choisies. Les propriétés des matériaux ayant une incidence sur l’écoulement comprennent la distribution granulométrique 2,3,4,5,11,21, la rugosité de la surface des particules 11, les propriétés chimiques à la surface des particules 2,3,4,5,11,16,21,23, 24,25, moments dipolaires moléculaires, forme des particules 11 et interactions particule-particule 2,3,4,5,11,16,23,24,25,26,27 . Ces propriétés affectent directement la densité de tassement de la poudre dans le canal microfluidique et, par conséquent, le comportement d’écoulement capillaire du fluide lorsqu’il mouille les particules 2,3,4,5,7,8,14,15.
La densité d’emballage de la poudre joue un rôle très important dans cette technique. Si la poudre n’est pas emballée assez densément, la formation de bulles d’air ou la ségrégation de la poudre pendant l’imagerie peut se produire, empêchant un échantillon reproductible. Par conséquent, le taraudage du canal microfluidique (étape 2.1.1) tout en emballant la poudre est une étape très cruciale. La figure 1 représente une cellule d’écoulement microfluidique avec de la poudre compactée incohérente après que le fluide se soit infiltré dans tout le canal. La ségrégation des poudres peut être vue vers l’entrée du canal. Une fois la cellule emballée, avant d’exécuter l’expérience, la vérification de la densité d’emballage de poudre sur la boîte à lumière est un moyen utile d’éviter ce type d’expériences ratées. Les poudres présentées dans ce protocole ont été analysées à l’aide d’un test normalisé de densité de taraudage, en particulier ASTM D7481-18, pour indiquer la densité d’emballage en vrac en fonction des robinets20. La norme ASTM D7481-18 n’a pas besoin d’être effectuée pour que le protocole proposé soit complété, mais l’ASTM fournira des informations supplémentaires sur la poudre.
La distribution granulométrique, une caractéristique mesurable, a un impact direct sur la densité d’emballage en vrac23,24,25. Dans un système d’emballage, les particules plus grosses créeront un grand espace vide, fournissant une position pour que les petites particules se déposent. La mesure du rapport entre les grosses et les petites particules donne un aperçu du volume d’espace vide pour que le fluide pénètre dans la poudre. Lors de l’emballage de la cellule d’écoulement microfluidique pour une expérience, toutes les petites particules rempliront l’espace vide créé par les particules plus grosses. La réduction des espaces vides disponibles aura un impact sur le transport du fluide et fournira plus de sites de rétention moléculaire et particulaire. Pour améliorer davantage la technique, les particules de taille similaire (par exemple, les particules de 60 μm à 65 μm) doivent être étudiées plus avant pour déterminer si cette technique a la sensibilité nécessaire pour différencier les particules ayant une taille moyenne de particules de seulement quelques microns de différence.
La masse volumique apparente n’est pas une propriété intrinsèque de la poudre, car elle dépend beaucoup de la façon dont le matériau est manipulé26. Le fait que la poudre ait été fabriquée en interne ou transportée par avion, train ou voiture peut avoir un impact considérable sur la valeur de la densité d’emballage en vrac, ce qui a un impact sur la distribution granulométrique. Le fait que les échantillons de poudre soient choisis par le haut ou par le bas d’un contenant peut également avoir une incidence sur les résultats. Imaginez ouvrir une boîte de céréales; Le matériau en haut est composé de toutes les grandes pièces, et le matériau au bas de la boîte est composé de toutes les plus petites pièces. De la même manière, une poudre qui a subi des contraintes (vibrations) dues au déplacement aura un gradient granulométrique dans tout le récipient.
Pour les poudres polymères, vérifier que les surfaces internes des cellules d’écoulement ont reçu un traitement hydrophobe est intégral. Si les parois de la cellule d’écoulement microfluidique n’ont pas été traitées, des effets de paroi se produisent souvent lors de l’imagerie du transport du fluide. Les effets de paroi sont observés lorsque le fluide se déplace le long de la paroi beaucoup plus rapidement et plus loin que le fluide en vrac s’écoule à travers la poudre d’intérêt. Si la paroi n’est pas hydrophobe, elle permet la formation d’un chemin de moindre résistance, et le fluide s’écoulera le long de ce chemin (le mur) et non à travers la poudre. Par conséquent, l’utilisation de cellules hydrophobes permet une étude plus représentative de l’écoulement des systèmes aqueux à travers un milieu poreux, alors que les cellules hydrophiles devraient être utilisées pour les systèmes organiques.
Pour certaines poudres polymères, un effet tribocharge26,27 qui se produit entre les particules de poudre et l’extrémité de la pipette en plastique peut être présent. En conséquence, la poudre peut adhérer à l’extérieur de l’embout de la pipette lors du chargement de la pipette avec des particules de poudre. L’adhérence de la poudre n’a causé aucun problème lors du transfert de la poudre ou de l’emballage des particules. Cependant, si l’adhérence des particules devient un problème, quelques modifications qui peuvent réduire l’apparition de particules adhérant à la pipette peuvent être tentées. Une option consiste à humidifier l’extrémité extérieure de la pipette avec de l’eau et à éponger la pointe pour perturber l’électricité statique. Une autre option consiste à utiliser une pipette en verre au lieu du plastique. Une troisième option consiste à transférer les particules de poudre dans un environnement plus humide.
La technique est une méthode frugale pour une mesure unidimensionnelle (1D) de la longueur d’intrusion du fluide dans un lit de particules 3D. Par conséquent, la technique ne pourra rendre compte que du chemin d’écoulement préférentiel dans la direction de l’intérêt.
Le protocole actuel traite du transport fluidique à travers un milieu poreux, en utilisant une configuration frugale et en éliminant les complications et les dépenses d’un microscope optique. De plus, avec une table transéclairante UV pour exciter les espèces fluorescentes et photoluminescentes, la technique pourrait également être utilisée pour imager le devenir et le transport des molécules et des nanoparticules. Pour cette configuration, le protocole de solvant devrait être modifié pour les systèmes moléculaires et nanoparticulaires.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Aucun.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| µ-Slide I Luer | ibidi | 80191 | Microfluidic flow cell |
| Beaker | Southern Labware | BG1000-800 | Glassware |
| CALIBRE 301-58 LT Natural Polycarbonate Resin | TRINSEO LLC | CALIBRETM 301-58 LT | Natural polycarbonate resin |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 1.00983 | Solvent |
| Fume Hood | Kewaunee | Supreme Air LV Fume Hoods | Used with 92 FPM at 18" opening |
| iPhone 7 plus | Apple | Camera | |
| Opaque 3D printed material | The CAD drawing is provided in the supplemental file | ||
| ORGASOL 2002 ES 6 NAT 3 | ARKEMA | A12135 | Polyamide powder |
| Pipet | VWR | 10754-268 | Disposable Transfer Pipet |
| Pipette | Globe Scientific Inc. | 3301-200 | Pipette that can hold 125 µL of fluid |
| Polystyrene | Advanced Laser Materials, LLC. | PS200 | Polystyrene for sintering |
| Tracker | Video analysis and modeling tool | ||
| VariQuest 100 White Light Model 3-3700 | FOTODYNE | 3-3700 | White light |
| Water | Distilled water |
References
- Redwood, B., Schoffer, F., Garret, B. The 3D Printing Handbook. , 3D HUBS. Amsterdam, NL. (2018).
- Chaffins, S., Holden, A., Donovan, K. J., Hinch, G. Three dimensional printing, Patent ID: 20210087418. , Available from: https://uspto.report/patent/app/20210087418 (2021).
- Emamjomeh, A., et al. Three dimensional printing, Patent ID: 20210095152. , Available from: https://uspto.report/patent/app/2021009515.2 (2021).
- Chaffins, S., Holden, A., Donovan, K. J., Midrez, N., Hinch, G. Three dimensional printing, Patent ID: 20210107216. , Available from: https://uspto.report/patent/app/20210107216#C00011 (2021).
- Petosa, A. R., Brennan, S. J., Rajput, F., Tufenkji, N. Transport of two metal oxide nanoparticles in saturated granular porous media: Role of water chemistry and particle coating. Water Research. 46 (4), 1273-1285 (2012).
- Giordano, S. Effective medium theory for dispersions of dielectric ellipsoids. Journal of Electrostatics. 58 (1-2), 59-76 (2003).
- Toloni, I., Lehmann, F., Ackerer, P. Modeling the effects of water velocity on TiO2 nanoparticles transport in saturated porous media. Journal of Contaminant Hydrology. 171, 42-48 (2014).
- Dang-Vu, T., Hupka, J. Characterization of porous materials by capillary rise method. Physicochemical Problems of Mineral Processing. 39, 47-65 (2005).
- Huang, W. E., Smith, C. C., Lerner, D. N., Thornton, S. F., Oram, A. Physical modelling of solute transport in porous media: evaluation of an imaging technique using UV excited fluorescent dye. Water Research. 36 (7), 1843-1853 (2002).
- Zhao, J., Li, H., Cheng, G., Cai, Y. On predicting the effective elastic properties of polymer nanocomposites by novel numerical implementation of asymptotic homogenization method. Composite Structures. 135, 297-305 (2016).
- Seymour, M. B., Chen, G., Su, C., Li, Y. Transport and retention of colloids in porous media: Does shape really matter. Environmental Science and Technology. 47 (15), 8391-8398 (2013).
- Ochiai, N., Kraft, E. L., Selker, J. S. Methods for colloid transport visualization in pore networks. Water Resources Research. 42 (12), (2006).
- Rottman, J., Sierra-Alvarez, R., Shadman, F. Real-time monitoring of nanoparticle retention in porous media. Environmental Chemistry Letters. 11 (1), 71-76 (2013).
- Xing, Y., Chen, X., Chen, X., Zhuang, J. Colloid-mediated transport of pharmaceutical and personal care products through porous media. Scientific Reports. 6 (1), 1-10 (2016).
- Dathe, A., et al. Functional models for colloid retention in porous media at the triple line. Environmental Science and Pollution Research. 21 (15), 9067-9080 (2014).
- Zhang, T., et al. Investigation of nanoparticle adsorption during transport in porous media. SPE Journal. 20 (4), 667-677 (2015).
- Zhang, Q., Karadimitriou, N. K., Hassanizadeh, S. M., Kleingeld, P. J., Imhof, A. Study of colloids transport during two-phase flow using a novel polydimethylsiloxane micro-model. Journal of Colloid and Interface Science. 401, 141-147 (2013).
- Environmental Protection Agency. Health and environmental effects of particulate matter (PM). EPA. , Available from: https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm (2021).
- Bridge, J. W., Banwart, S. A., Heathwaite, A. L. Noninvasive quantitative measurement of colloid transport in mesoscale porous media using time lapse fluorescence imaging. Environmental Science & Technology. 40 (19), 5930-5936 (2006).
- ASTMInternational. Standard test methods for determining loose and tapped bulk densities of powders using a graduated cylinder. ASTMInternational. , (2018).
- Donovan, K. J. Microfluidic investigations of capillary flow and surface phenomena in porous polymeric media for 3D printing. , Oregon State University. (2019).
- Brown, D., et al. 34;Try Tracker Online." Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education. , Available from: https://physlets.org/tracker/ (2022).
- Janssen, P. H. M., Depaifve, S., Neveu, A., Francqui, F., Dickhoff, B. H. J. Impact of powder properties on the rheological behavior of excipients. Pharmaceutics. 13 (8), 1198 (2021).
- Boschini, F., Delaval, V., Traina, K., Vandewalle, N., Lumay, G. Linking flowability and granulometry of lactose powders. International Journal of Pharmaceutics. 494 (1), 312-320 (2015).
- Yablokova, G., et al. Rheological behavior of β-Ti and NiTi powders produced by atomization for SLM production of open porous orthopedic implants. Powder Technology. 283, 199-209 (2015).
- Lumay, G., Fiscina, J., Ludewig, F., Vandewalle, N. Influence of cohesive forces on the macroscopic properties of granular assemblies. AIP Conference Proceedings. 1542, 995 (2013).
- Lumay, G., et al. Effect of relative air humidity on the flowability of lactose powders. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 35, 207-212 (2016).
