تصنيع ثلاثة الأبعاد Microstructured nanocomposites وخلال ميكروفلويديك تسلل
Summary
هي ملفقة ثلاثي الأبعاد (3D) الحزم مركب microstructured من خلال تسلل وجهت والمترجمة من nanocomposites وإلى 3D شبكات ميكروفلويديك التي يسهل اختراقها. مرونة هذا الأسلوب التصنيع يمكن استخدام مواد مختلفة بالحرارة والمالئة النانومترية من أجل تحقيق مجموعة متنوعة من المنتجات 3D وظيفية بمركب متناهي في الصغر العيانية المسلحة.
Abstract
الحزم مركب Microstructured معززة المعقدة ثلاثة الأبعاد (3D) هي ملفقة microfilaments بمركب متناهي في الصغر منقوشة عبر بمركب متناهي في الصغر تسلل 3D مترابطة شبكات ميكروفلويديك. تصنيع الكمرات المسلحة تبدأ تصنيع شبكات ميكروفلويديك، والذي ينطوي على طبقة تلو طبقة ترسب خيوط الحبر الهارب باستخدام الروبوت الاستغناء، وملء المساحة الفارغة بين خيوط باستخدام راتنج اللزوجة المنخفضة، وعلاج الراتنج وإزالة أخيرا الحبر. الهياكل المدعومة ذاتيا 3D مع هندستها وغيرها من العديد من طبقات (على سبيل المثال عدد قليل من مئات الطبقات) يمكن أن يبنى باستخدام هذا الأسلوب. ثم يتم تسلل الناتجة الشبكات ميكروفلويديك أنبوبي مع تعليق بالحرارة بمركب متناهي في الصغر تحتوي على المالئة النانومترية (مثل أنابيب الكربون النانوية واحد الجدران)، وبعد ذلك علاجه. ويتم ذلك من خلال تطبيق تسلل التدرج الضغط بين طرفي ن فارغةetwork (إما عن طريق تطبيق فراغ أو بمساعدة فراغ حقن مكروي). قبل تسلل، يتم إعدادها تعليق بمركب متناهي في الصغر عن طريق تشتيت المالئة النانومترية في المصفوفات البوليمر باستخدام ultrasonication وثلاثة لفة لخلط الأساليب. وnanocomposites و(أي المواد تسلل) وثم عزز تحت العلاج التعرض للأشعة فوق البنفسجية / الحرارة، مما أدى إلى هيكل المركبة عززت 3D. تقنية المعروضة هنا يمكن تصميم المنتجات العيانية بمركب متناهي في الصغر وظيفية لتطبيقات microengineering مثل المحركات وأجهزة الاستشعار.
Introduction
nanocomposites والبوليمر باستخدام المواد النانوية، وخاصة أنابيب الكربون النانوية (تشارك المركز الوطني) تدمج مصفوفات البوليمر ميزة خصائص متعددة الوظائف 1 للتطبيقات المحتملة مثل المواد المركبة الهيكلية 2، 3 أنظمة ميكانيكية إلكترونية صغيرة (مثل microsensors)، والبوليمرات الذكية 4. قد يكون مطلوبا عدة خطوات المعالجة بما في ذلك العلاج والمركز الوطني للاستشعار بمركب متناهي في الصغر خلط الأساليب لتفريق تشارك المركز الوطني يستحسن في المصفوفة. منذ نسبة الارتفاع تشارك المركز الوطني '، والدولة والمعالجة السطحية توزعهم تؤثر بشكل رئيسي على الأداء الكهربائية والميكانيكية، قد تختلف إجراءات المعالجة بمركب متناهي في الصغر اعتمادا على الخصائص المطلوبة لتطبيق المستهدفة 5. علاوة على ذلك، لظروف التحميل محددة، والتوفيق بين تشارك المركز الوطني على طول الاتجاه المطلوب وتحديد المواقع أيضا تعزيزات في الأماكن المطلوبة تمكين مزيد من تحسين الخواص الميكانيكية و / أو الكهربائية من هذه ناnocomposites.
وهناك عدد قليل تقنيات مثل تدفق القص 6-7 والحقول الكهرومغناطيسية 8 وقد استخدمت لمحاذاة تشارك المركز الوطني على طول الاتجاه المطلوب في مصفوفة البوليمر. وعلاوة على ذلك، والتوجه CNT الناجمة عن تقييدا الأبعاد، وتحديدا في بعد واحد (1D) واثنين من البعد (2D)، وقد لوحظ أثناء معالجة / تشكيل المواد بمركب متناهي في الصغر 9-11. ومع ذلك، التطورات الجديدة في عمليات التصنيع لا تزال هناك حاجة للسماح للسيطرة كافية من ثلاثي الأبعاد (3D) التوجه و / أو المواقع من خلال تعزيز أنابيب تصنيع منتج لظروف مثلى.
في هذه الورقة، نقدم بروتوكول لتصنيع عوارض المقوى 3D مركب الموجهة عبر والمترجمة تسلل شبكة ميكروفلويديك 3D مع تعليق البوليمر بمركب متناهي في الصغر (الشكل 1). أولا، اختلاق 3D مترابطة ميكروفلويديكويتجلى الشبكة، والذي ينطوي على تلفيق الكتابة مباشرة من خيوط الحبر الهارب 12-13 على ركائز الايبوكسي (أرقام 2A و 2B)، تليها الايبوكسي التغليف (الشكل 2C) وإزالة الحبر الذبيحه (الشكل 2D). يتكون أسلوب الكتابة مباشرة من الروبوت الكمبيوتر التي تسيطر عليها أن تتحرك موزع السائل على طول X، Y، Z والفؤوس (الشكل 3). توفر هذه التقنية وسيلة سريعة ومرنة لافتعال الأجهزة بالغة الصغر 3D لالضوئية، ممس وتطبيقات التكنولوجيا الحيوية (الشكل 4). ثم، ويتجلى إعداد بمركب متناهي في الصغر، جنبا إلى جنب مع تغلغلها (أو حقن) في شبكة مسامية تحت ضغوط ورقابة مستمرة مختلفة لتصنيع المواد المركبة متعددة النطاقات عززت 3D (أرقام 2E و2F). أخيرا، وتظهر بعض النتائج ممثل جنبا إلى جنب مع تطبيقاتها المحتملة.
Protocol
Representative Results
Discussion
إجراء التجارب المقدمة هنا هي طريقة جديدة ومرنة التصنيع من أجل تكييف الأداء الميكانيكي للمواد البوليمر المستندة لأغراض تصميم المواد. باستخدام هذا الأسلوب، يمكن تحقيق الخصائص المطلوبة على أساس الاختيار السليم للمكونات (مواد أي تسلل ومصفوفة الرئيسي)، وكذلك هندسة هياكل المركب. أولا، هذه التقنية تمكن من تصنيع مادة واحدة، تتكون من البوليمرات الحرارية مختلفة، وهو ما يمثل ميزة فريدة من نوعها تعتمد على درجة الحرارة التي هي مختلفة عن تلك المكونات المعظم 15. ميزة أخرى لهذه التقنية موجودة على تقنيات تصنيع بمركب متناهي في الصغر الأخرى التي يتم من خلالها توزيع المالئة النانومترية بشكل موحد من خلال مصفوفة كله هو القدرة على وضع مكانيا التعزيزات في الأماكن المطلوبة في هذه الحزم المقوى 3D مركب. بسبب هذه القدرة لتحديد المواقع، وهو مبلغ أقل من تكلفة ربما نانوهناك حاجة إلى الحشو للحصول على 13 محددة الأداء الميكانيكية. منذ نمط التعزيز يطيع الأصلي المباشر الكتابة للسقالة الحبر، وتباعد خيوط 'في طبقة معينة يقتصر على ما يقرب من عشرة أضعاف قطر خيوط الحبر بسبب الخصائص اللزجة من الحبر الهارب. من ناحية أخرى، تباعد صغيرة قد تحد من تدفق السائل الايبوكسي خلال الخطوة الايبوكسي التغليف. علاوة على ذلك، ينبغي أن يكون قطرها من خيوط الحبر الكبيرة بما فيه الكفاية (على سبيل المثال أكثر من 50 ميكرون) لسهولة تلفيق (مثل قذف الحبر عالية اللزوجة) وخطوات التصنيع اللاحقة مثل بمركب متناهي في الصغر تسلل الى شبكات ميكروفلويديك.
آخر محتملا للطريقة الحالية قد تكون لديها القدرة على مواءمة تشارك المركز الوطني الفردية أو المالئة النانومترية أخرى في اتجاه تدفق تدفق القص تحت 16 بواسطة تسلل بمركب متناهي في الصغر في سرعات أعلى / الضغوط، إذا كان المالئة النانومترية جيدافرقت في أثناء عملية الخلط بمركب متناهي في الصغر. ومع ذلك، يمكن تحقيق درجة عالية من التوافق فقط في الضغوط العالية جدا التسلل (قطر بسبب قناة صغيرة)، مما قد يسبب انحباس الهواء في الشبكة خلال التسلل.
الصور الضوئية ممثل في الشكل (6) تظهر nanocomposites وقبل إجراء خلط الواردة في البروتوكول 2 (صورتين في الجزء السفلي من الشكل) أعدت. ويعتقد أن البقع الداكنة لاحظ أن يكون الركام أنابيب. لبمركب متناهي في الصغر ultrasonicated، المجاميع ميكرون الحجم التي يبلغ قطرها يصل إلى 7 ميكرومتر ~ موجودة في حين لوحظ تغيير جذري من حجم الركام (بمتوسط ~ 1 ميكرون) لبمركب متناهي في الصغر القص المختلطة. منذ تشتت nanofiller يؤثر على الخواص الميكانيكية والكهربائية لتصنيع عوارض بمركب متناهي في الصغر 3D، ينبغي أن يتحقق تحسن تشتت بالنسبة للاستفادة الكاملة من تحديد المواقع 3D من نانofillers باستخدام تقنية التصنيع الحالية. وبالتالي، هناك حاجة إلى مزيد من الدراسة للتحقيق منهجي دول تشتت الأنابيب النانومترية واستخدام المالئة النانومترية الأخرى، والتي يمكن أن تفرق بسهولة أكبر داخل المصفوفة الايبوكسي.
تقنية التصنيع الحالية قد تمكن من تصميم وظيفية المنتجات بمركب متناهي في الصغر 3D لتطبيق microengineering 17. تقنية لا يقتصر على المواد المستخدمة في هذه الدراسة. وبالتالي، يمكن تمديد تطبيق هذه التقنية من خلال استخدام مواد أخرى بالحرارة والمالئة النانومترية. من بين العديد من التطبيقات، والمراقبة الصحية الهيكلي، والمنتجات امتصاص الاهتزاز والالكترونيات الدقيقة يمكن ذكرها.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يعترف الكتاب بدعم مالي من FQRNT (لو فون الكيبيكية دي لا بحوث سور لا الطبيعة وآخرون ليه تكنولوجيز). فإن الكتاب أود أن أشكر الدعم الاستشارات البروفيسور مارتن يفيسك، الأستاذ علي بلدي ش Khakani والدكتور إبراهيم عيسى.
Materials
| Dispensing Robot | I & J Fisnar | I & J2200-4 | – |
| Robot software | I & J Fisnar | – | JR-Point Dispensing |
| Syringe Barrel | Nordson EFD Inc. | 7012072 | 3cc |
| Dispensing Nozzle | Nordson EFD Inc. | 7018225 | Stainless Steel Tip (ID: 0.51 mm) |
| Dispensing Nozzle | Nordson EFD Inc. | 7018424 | Stainless Steel Tip (ID: 0.15 mm) |
| Fluid Dispenser | Nordson EFD Inc. | HP-7X | – |
| Fluid Dispenser | Nordson EFD Inc. | 800 | – |
| Live camera | MediaCybernetics | QI, Cool, Color | 12 Bit, Qimaging |
| Live Camera Software | Image-pro Plus | – | Version 6 |
| Precision Saw | Buehler (IsoMet) | 622-ISF-03604 | Low-Speed Saw |
| Flexible plastic Tube | Saint-Gobain PRL Corp. | Tygon 177936 | – |
| Stirring hot plate | Barnstead international | SP131825 | – |
| Vacuumed-oven | Cole-Parmer | EW-05053-10 | – |
| Ultrasonic cleaner | Cole-Parmer | EW-08891-11 | – |
| Three-roll mill mixer | Exakt Technologies | Exakt 80E | – |
| Dynamic Mechanical Analyzer | TA Instruments | DMA Q800 | – |
| UV-lamp | Cole Parmer | RK-97600-00 | Intensity of 21mW/cm² |
References
- Endo, M., et al. Applications of Carbon Nanotubes in the Twenty-First Century. Philosoph. Trans. Math. Phys. Eng. Sci. 362 (1823), 2223-2238 (2004).
- Ear, Y., Silverman, E. Challenges and opportunities in multifunctional nanocomposite structures for aerospace applications. MRS Bull. 32 (4), 328-334 (2007).
- Mirfakhrai, T., Krishna-Prasad, R., Nojeh, A., Madden, J. D. W. Electromechanical actuation of single-walled carbon nanotubes: an ab initio simulation study. Nanotechnology. Nanotechnology. 19 (31), 1-8 (2008).
- Sahoo, N. G., Jung, Y. C., Yoo, H. J., Cho, J. W. Influence of carbon nanotubes and polypyrrole on the thermal, mechanical and electroactive shape-memory properties of polyurethane nanocomposites. Comp. Sci. Technol. 67 (9), 1920-1929 (2008).
- Coleman, J. N., Khan, U., Gun’ko, Y. K. Mechanical reinforcement of polymers using carbon nanotubes. Adv. Mater. 18 (6), 689-706 (2006).
- Fan, Z. H., Advani, S. G. Characterization of orientation state of carbon nanotubes in shear flow. Polymer. 46 (14), 5232-5240 (2005).
- Abbasi, S., Carreau, P. J., Derdouri, A. Flow-induced particle orientation and rheological properties of suspensions of organoclays in thermoplastic resins. Polymer. 51 (4), 922-935 (2010).
- Kimura, T., Ago, H., Tobita, M., Ohshima, S., Kyotani, M., Yumura, M. Polymer composites of carbon nanotubes aligned by a magnetic field. Adv. Mater. 14 (19), 1380-1383 (2002).
- Chronakis, I. S. Novel nanocomposites and nanoceramics based on polymer nanofibers using electrospinning process-A review. J. Mater. Process. Technol. 167 (2-3), 283-293 (2005).
- Zhou, W., et al. Single wall carbon nanotube fibers extruded from super-acid suspensions: preferred orientation, electrical, and thermal transport. J. Appl. Phys. 95 (2), 649-655 (2004).
- Sandler, J. K. W., et al. A comparative study of melt spun polyamide-12 fibres reinforced with carbon nanotubes and nanofibres. Polymer. 45 (6), 2001-2015 (2004).
- Therriault, D., Shepherd, R. F., White, S. R., Lewis, J. A. Fugitive inks for direct-write assembly of three-dimensional microvascular networks. Adv. Mater. 17 (4), 395-399 (2005).
- Therriault, D., White, S. R., Lewis, J. A. Chaotic mixing in three-dimensional microvascular networks fabricated by direct-write assembly. Nat. Mater. 2 (4), 265-271 (2003).
- Lebel, L. L., Aissa, B., Khakani, A. E., Therriault, D. Preparation and mechanical characterization of laser ablated single-walled carbon-nanotubes/polyurethane nanocomposite microbeams. Comp. Sci. Technol. 70 (3), 518-524 (2010).
- Farahani, R. D., Dalir, H., et al. Micro-infiltration of three-dimensional porous networks with carbon nanotube-based nanocomposite for material design. Comp. A. Appl. Sci. Manufact. 42 (12), 1910-1919 (2011).
- Farahani, R. D., et al. Manufacturing composite beams reinforced with three-dimensionally patterned-oriented carbon nanotubes through microfluidic infiltration. Mater. Design. 41 (5), 214-225 (2012).
- Volder, M. D., Tawfick, S. H., Copic, D., Hart, A. J. Hydrogel-driven carbon nanotube microtransducers. Soft Matter. 7 (21), 9844-9847 (2011).
