Zuinige beeldvormingstechniek van capillaire stroom door driedimensionale polymere drukpoeders
Summary
De voorgestelde techniek zal een nieuwe, efficiënte, zuinige en niet-invasieve benadering bieden voor het in beeld brengen van de vloeistofstroom door een verpakt poederbed, wat een hoge ruimtelijke en temporele resolutie oplevert.
Abstract
De ontwikkeling van nieuwe beeldvormingstechnieken van moleculair en colloïdaal transport, waaronder nanodeeltjes, is een gebied van actief onderzoek in microfluïdische en millifluidische studies. Met de komst van driedimensionaal (3D) printen is er een nieuw domein van materialen ontstaan, waardoor de vraag naar nieuwe polymeren is toegenomen. Met name polymere poeders, met gemiddelde deeltjesgroottes in de orde van een micron, ervaren een groeiende interesse van academische en industriële gemeenschappen. Het beheersen van de kwaliteit van materiaal op de mesoscopische tot microscopische lengteschalen creëert mogelijkheden om innovatieve materialen te ontwikkelen, zoals gradiëntmaterialen. Onlangs is de behoefte aan polymere poeders van micronformaat gegroeid, omdat er duidelijke toepassingen voor het materiaal ontstaan. Driedimensionaal printen biedt een proces met hoge doorvoer met een directe link naar nieuwe toepassingen, waardoor onderzoek naar de fysisch-chemische en transportinteracties op mesoschaal wordt gestimuleerd. Het protocol dat in dit artikel wordt besproken, biedt een niet-invasieve techniek om vloeistofstroom in verpakte poederbedden in beeld te brengen, met een hoge temporele en ruimtelijke resolutie terwijl gebruik wordt gemaakt van mobiele technologie die direct beschikbaar is vanaf mobiele apparaten, zoals smartphones. Door gebruik te maken van een gemeenschappelijk mobiel apparaat, worden de beeldvormingskosten die normaal gesproken zouden worden geassocieerd met een optische microscoop geëlimineerd, wat resulteert in een zuinig-wetenschappelijke benadering. Het voorgestelde protocol heeft met succes een verscheidenheid aan combinaties van vloeistoffen en poeders gekarakteriseerd, waardoor een diagnostisch platform is ontstaan voor het snel in beeld brengen en identificeren van een optimale combinatie van vloeistof en poeder.
Introduction
Inkjet-gebaseerde bindmiddel spuiten in poeder media vertegenwoordigt een belangrijke technologie in additive manufacturing (3D-printen). Het bindmiddelstraalproces begint met de afzetting van functionele vloeistoffen in poedermedia met behulp van een scannend inkjetdrukproces. In het bijzonder vertaalt een inkjetprintkop over het poederoppervlak, waarbij het vloeibare bindmiddel op een poederoppervlak wordt afgezet en daardoor laag voor laag een vast onderdeel wordtgevormd 1. Inkjet-gebaseerde bindmiddel jetting technologieën omvatten over het algemeen zand, metaalpoeders en polymere poeders. Om de ruimte van de materialen in bindmiddeljetting uit te breiden, is echter een fundamentele benadering vereist voor het onderzoeken van vloeistof-poeder- en poeder-poederinteracties, tribologie, poederverpakkingsdichtheid en deeltjesaggregatie. Specifiek voor vloeistof-poederinteracties bestaat er een kritieke behoefte aan de mogelijkheid om vloeistofstroom door poederbedden in realtime in beeld te brengen. Dit belooft een krachtig hulpmiddel te zijn voor onderzoekers om op te nemen als een karakteriseringstechniek en mogelijk als een screeningsmethode voor verschillende combinaties van vloeistoffen en poeders 2,3,4, evenals complexere systemen, zoals betonnen 3D-printsystemen die deeltjesbedmethoden gebruiken.
De ontwikkeling van nieuwe beeldvormingstechnieken van moleculair en colloïdaal transport, waaronder nanodeeltjes, is een actief onderzoeksgebied in microfluïdische en milliffluïdische studies. Het onderzoeken van intermoleculaire interacties door middel van beeldvormingstechnieken kan een uitdaging zijn, omdat er weinig werk is gedaan om dit soort interacties te onderzoeken onder de omstandigheden van onverzadigde en onstabiele vloeistofstroom. Veel van de studies die in de literatuur worden gerapporteerd, hebben zich gericht op een verzadigd, voorbevochtigd, poreus medium, zoals glaskraal 5,6,7,8,9,10,11,12 en bodems 13,14,15,16,17,18 . Deze techniek biedt een niet-invasieve benadering, wat resulteert in een hoge temporele en ruimtelijke resolutievan 2,3,4,19. Bovendien biedt de ontwikkelde techniek een nieuwe methode voor het karakteriseren en kwantificeren van deeltjestransport op nanoschaal en micronschaal in een verscheidenheid aan poreuze media, met de nadruk op polymere poeders.
De voorgestelde techniek maakt gebruik van een mobiel apparaat om onverzadigd, onstabiel vloeibaar transport door poreuze polymere media met deeltjesafmetingen vast te leggen die representatief zijn voor de poeders die worden gebruikt in 3D-printsystemen die gebruikmaken van fluidic powder-bed fusion-technologieën. Deze techniek is voordelig omdat de stroomcellen kosteneffectief, herbruikbaar, klein en gemakkelijk te hanteren zijn, wat de dominante aspecten van zuinige wetenschap illustreert. De mogelijkheid om deze eenvoudige experimenten in een veldstudie te implementeren is heel eenvoudig, waardoor de complicaties, kosten en tijd die nodig zijn bij optische microscopie worden geëlimineerd. Gezien het gemak van het maken van de installatie, de toegang tot snelle resultaten en het minimale aantal monstervereisten, is deze techniek een optimaal platform voor diagnostische screening.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het protocol dat wordt verstrekt is sterk afhankelijk van de materiaaleigenschappen van de deeltjes die worden gekozen. Materiaaleigenschappen die van invloed zijn op de stroom omvatten deeltjesgrootteverdeling 2,3,4,5,11,21, deeltjesoppervlakruwheid11, chemische eigenschappen aan het deeltjesoppervla…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Geen.
Materials
| 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. , (2018).
- . Three dimensional printing, Patent ID: 20210087418 Available from: https://uspto.report/patent/app/20210087418 (2021)
- . Three dimensional printing, Patent ID: 20210095152 Available from: https://uspto.report/patent/app/2021009515.2 (2021)
- 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).
- 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. , (2019).
- . 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).
