ציור, Hydrophobicity-המתבנת הרבה חוטים Polydimethylsiloxane סיליקון

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול להפקת חוטים ארוכים של סיליקון polydimethylsiloxane (PDMS) על-ידי כוח הכבידה-ציור באמצעות תנור. חוטים הסדר של מיקרון מאות, עשרות ס מ אורך והם hydrophobically patternable באמצעות מערכת פריקה corona שבשליטת Arduino.

Abstract

סיליקון Polydimethylsiloxane (PDMS) הוא פולימר רב-תכליתי זה לא יכול להיווצר בקלות לתוך חוטים ארוכים. מסתובבים מסורתיים שיטות להיכשל, מאחר PDMS לא מוצג נזילות לטווח ארוך-נמס. אנחנו מציגים שיטה משופרת כדי לייצר חוטים של PDMS על ידי פרופיל הטמפרטורה המדורג של הפולימר כמו זה cross-links של נוזל אלסטומר. על-ידי ניטור צמיגות חמים בטמפרטורה שלו, אנו מעריכים את חלון הזמן כאשר תכונותיו גשמי amendable לציור לתוך חוטים ארוכים. חוטים עוברים תנור בטמפרטורה גבוהה צינור, לרפא אותם מספיק כדי להיות נקצרו. חוטים אלה הן הסדר של מיקרון מאות, עשרות ס מ אורך, חוטים ארוכים ודקים אפילו אפשריים. חוטים אלה שומרים על תכונות חומרים של צובר PDMS, כולל hydrophobicity להחלפה רבות. נדגים יכולת זו עם שיטת המתבנת קורונה אוטומטיות-פריקה. אלה חוטים סיליקון PDMS patternable יש שימושים סיליקון אריגים, רכיבים חיישן הגז-חדיר, דגם microscale foldamers.

Introduction

Polydimethylsiloxane (PDMS) סיליקון הוא חומר בהרחבה בשימוש עם יישומים הייצור ומחקר רבים. זה חום עמיד במים, בידוד חשמלי, הידרופוביות, גז חדיר, מזון מתאימים, מסתיימים, וגמיש עם יחס פואסון כמעט אידיאלית. בנוסף, הוא יכול בקלות לשמש כמארח של מולקולות פונקציונליים שונים, הוסיף לפני או אחרי ריפוי^1,2. פני השטח שלו הוא ברצון לשינוי על-ידי UVO, חמצן פלזמה או קורונה הפרשות כדי להחליף בין hydrophobicity שלה לבין זירוז עצמי-אדהזיה^3,לטווח קצר^4,5. בפרט, זה שימש גם מיקרופלואידיקה⁶.

חוטים של PDMS שימושיים בעיקר בהפקת שוזרת גבוה פני-שטח סיליקון, סיליקון סיבים חיישנים⁷וחומרים מבוססי סיליקון הייצור מוספים (הדפסת תלת-ממד). במעבדות שלנו, אנו משתמשים בדוגמת hydrophobically חוטים של PDMS כפלטפורמה ללמוד קיפול. הצוות לימודי סטטיסטיקה הסתגלותי של הלהט ב סביבה מימית באמצעות עירור אקוסטית athermal, מערכת הדמיה דיווח בעבר⁸.

יוצרים חוטים יחסי גבוה של PDMS דרך מסורתית טופס הליהוק הוא מאתגר. חוטים יש גדול יחסי נפח באיזור פני השטח, אשר מסבך את שחרור תבניות⁹. החוקרים היו הצלחה לנדן PDMS עם מנשא פולימרים עבור electrospinning רציף לתוך ננו חוטים^10,11,12, למרות שנוצר הזירים לא PDMS טהור.

השיטה הדומיננטית ייצור כדי לייצר חוטים macroscale מחומרים אחרים כרוך ב"משיכת נוזל צמיגה של מאגר דרך נקבובית. בדרך כלל, הנוזל צמיגה הוא תרמופלסטיים או זכוכית כי הוא נוזל בטמפרטורות גבוהות אגירה, מתקרר לתוך פילמנט מוצק (לעיתים קרובות אמורפי) כפי הם נשאבים דרך ארובה. תהליך זה מכונה לעתים נמסים ספינינג, וזה תואם ל- PDMS כי PDMS לא מוצג נזילות לטווח ארוך-נמס. בלוק פולימרים שיתוף של סיליקון, alpha-methyl styrene הוכחו לייצר חוטים דרך להמיס ספינינג, אבל שוב, וכתוצאה מכך הזירים לא טהור PDMS¹³.

השיטה שאנו מכינים כאן הוא נמס-ספינינג, מלבד הטמפרטורה היחסית של המאגר, ארובה מוחלפות. PDMS הוא נוזל מאגר בטמפרטורת החדר, כמו זה טרם השלימה cross-linking. צמיגות של PDMS משתנה כמו crosslinks שמן סיליקון עם סוכן ריפוי, תהליך זה יכול להיות מואץ תרמית. לפני הנחתו בתוך המאגר, אנחנו מחממים את PDMS ריפוי עד שהוא מגיע צמיגות מתאים כוח משיכה רב-טיפות, אז התרופה זה פוסט-לטפטף באמצעות תנור חם צינור בארובה. הגישה היא דומה במקצת "יבש-ספינינג", בפולימרים אילו הם מומס ממסים נדיפים זה להתאדות במהלך ציור.

הידע שלנו, היא השיטה היחידה שדווחה של ייצור חוטים ארוכים של PDMS טהור הפרסום הקודם שלנו⁸ . השיטה הציג כאן היא שיפור משמעותי על הגישה המקורית, עם כוונה למזער את האומנות של התהליך. בעיקר, על ידי מדידת צמיגות במהלך שלב טרום ריפוי ואת התזמון לרמתו תקופות, אנחנו יכולים לדווח על חלון נגיש השפעול של הלהט spinnability. אנחנו מוסיפים גם אמצעי לייצר שינויים פני הדיר, המותאמות לשפות אחרות על פילמנט דרך Arduino שבשליטת בקורונה תכנים למערכת, הפעלת האורך הידרופוביות המתבנת לאורך חוט הלהט.

Protocol

1. PDMS חוטים

1. הרכבה הכבשן, שחול
   1. לצרף מ"מ 1.59 בטמפרטורה גבוהה בקוטר פנימי סיליקון גומי צינורות אספקת אוויר הבית דרך שסתום מדידה (ראה איור 1). חבר את הקצה השני של הצנרת מתאם ההבלטה המורכב נדן מסביב ברדיוס מ מ 1.08 הפתיחה, אשר יפיקו כלפי מטה זרימת אוויר קבועה סביב חוט הלהט (למשל, נדן פליז במכונה מותאם אישית-זרם האוויר של 1.4 L/min ; ראה איור משלים 1 מפרט).
      הערה: רצוי לייצר חוטים בסביבת זרימת אויר מופחתת עם מטף לכיבוי אש בקרבת מקום.
   2. לכסות את המשטח מתחת תנור שפופרת גליל קרמיקה (למשל., הקוטר הפנימי 17 מ"מ, 107.7 מ מ אורך) בנייר כסף כדי ללכוד כל עודף PDMS.
   3. לטעון את מתאם ההבלטה מעל הכבשן צינור אנכי, מרכוז הפתח אל התנור ואיזון בכבשן אז יעברו הסיב.
   4. להתחבר. המתקן ההבלטה מתאם באמצעות בטמפרטורה גבוהה סיליקון גומי למחצה לנקות את הצנרת.
   5. מחממים את התנור עד הטמפרטורה הפנימית היא כ 250 ° C, כפי שהיא נמדדת על ידי מד חום אינפרא אדום, באמצעות שנאי משתנה כדי לווסת את הטמפרטורה.
   6. להזיז את הכבשן החוצה מתחת מתאם ההבלטה כך המתאם שחול לא לחמם לפני פילמנט הייצור.
2. PDMS חלקית מראש ריפוי
   1. מחממים צינור מדגם חד פעמיות כדי 65.0 מעלות צלזיוס מד צמיגות עם בקרת טמפרטורה. להשתמש מד צמיגות המתאים פלך, כך ניתן למדוד צמיגויות בטווח של 200-10000 mPa·s.
   2. ביסודיות לערבב 18.0 g של PDMS הבסיס עם 1.8 g של הסוכן שלה בריפוי בסירה שוקלים, מניחים את התערובת desiccator ואקום בטמפרטורת החדר (RT) למשך 15 דקות, או עד אין בועות להישאר. לפרוק את desiccator מדי פעם כדי פופ הבועות קרוב לפני השטח.
      הערה: התזמון הבאות ההנחה היא השימוש PDMS הבסיס, ריפוי הסוכן שמצוין בטבלה של חומרים.
   3. שופכים 17.7 גר' התערובת לתוך הצינור מדגם טרופה על השיש (קצת אובד המסוכן לסירה שוקלים). הכנס מחדש את הצינור מדגם מד צמיגות.
   4. לקחת מידות צמיגות פעם לדקה, מחזיק את מד צמיגות מסתובב לאט (5 סל ד).
   5. צמיגות מגיע ל 4000 mPa·s, הסר את הצינור מדגם עם צבת, ומיד שופכים לתוך המתקן בטמפרטורת החדר. לייצר חוטים בחלון זמן שמתחיל כ- 4.5 דקות מן החום להסרת נמשך דקה 4 עוקבות.
3. הבלטת ממד PDMS על טופס חוטים
   1. בזמן השהיה, ודא התנור ב 250 מעלות צלזיוס באמצעות מד חום אינפרא אדום.
   2. כ 4 דקות לאחר הסרת ברכבת התחתית הדגימה מד צמיגות, להזיז את הכבשן בחזרה מתחת המתאם ההבלטה ויישר את המחט הפנימי של המתאם ההבלטה עם החימום צינור באמצעות כפפה חסיני חום.
   3. מעת לעת לסובב את הבורג על המתקן, ומאפשר של זרם קבוע של PDMS לטפטף דרך הכבשן.
      הערה: אם טיפות יוצרים במקום חוטים, חכה 30 s עבור לקדם ריפוי RT ונסה שוב. פיתול קבוע דוחף את PDMS דרך בכבשן מהר מדי. באופן כללי, התלקחויות קטנות יכולות להיות מטופלות על ידי ביטול החימום באמצעות מקל הלא מוליך מכך כל PDMS בנוי מן הכבשן.
      התראה: אם PDMS נוטפת לתוך קירות או העליון של הכבשן, יש האפשרות של לך התלקחות.
   4. ברגע הנחל PDMS מתחיל דק, טוויסט. המתקן חצי-המהפכה נוספים. בכל ניסוי יש מהפכות על 16 באמצעות המתקן נתון.
   5. לאסוף את חוטים על מקלות עץ מתחת בכבשן לאחר כל טוויסט ולהניח אותן על פני לוחות עץ לסיים ריפוי במשך כ 12 שעות.

2. תכנים משטחי PDMS חוטים עם הפרשות Corona מבוקר-מחשב

1. מערכת בקרת שבשליטת Arduino פילמנט מיצוב והפטר קורונה: להרכיב את המנוע stepper שבשליטת המיקרו-מעבד של פתוח Arduino שמושכת את הסיב תחת התקן corona פריקה לכל חיווט דיאגרמה ב- הדו ח המשלים חומרים. להעלות את התוכנה קוד מותאם אישית Arduino את החומרים משלימה המערכת.
2. תכנים פילמנט משטח עם המכשיר
   1. התבנית הרצויה להזין קוד ("דפוס" מערך) ולהעלות Arduino באמצעות כבל USB.
   2. לשטוף עם נימה כבושה עם 1% נתרן גופרתי dodecyl ולשטוף עם מים טהורים מוגזמת. יבש את הסיב באוויר.
   3. המקום הלהט ב לוח שאינו-ניצוח עם לגזור את (למשל., אקריליק בחיתוך לייזר, ראה איור משלים 3A) המאפשר את הסיב להיות מושעים באוויר. השתמש סרט הדבקה דו-צדדי כדי לאבטח את הקצוות של חוט הלהט לחדר המתים.
   4. מקום המתים בקופסה מאוורר corona הפרשות בין רצועות אקרילי ולהבטיח כי היא רמה. מניחים על לוח מתכת משותק תחת אקריליק, יישור את הסיב לאורך הקצה של לוח מתכת.
   5. מקום האלקטרודה corona פריקה (למשל, טיפ אלקטרודה האביב) כ- 3 מ מ מעל חוט הלהט וחבר את פרירים corona לשקע שבשליטת Arduino.
   6. לקשור את קו הלא מוליך מעגלי לגזור את שולחן הניתוחים אקרילי. דבקים בצד השני של הקו stepper שבשליטת Arduino מנוע (ראה איור משלים 3BC).
   7. לחץ על הלחצן במעגל Arduino להתחיל המתבנת עם הקוד מתוכנתים. קורונה פריקה הוא המיוצר על ידי נמוך הנוכחי 4.5 מגה-הרץ חשמלי שדה עם מתח של 10-40 kV שמשנה את פני השטח של PDMS כדי להפוך אותם הידרופילית.
      התראה: הזרם נמוך, אבל המכשיר מייצר האוזון קרינת UV באוויר. רצוי להשתמש בו בשכונה fume, מאחורי מגן אקרילי פרקו.

תוצאות

השיטה (איור 1) בהצלחה מייצרת חוטים כ 200 מיקרומטר קוטר (איור 2), באורכים משתנים גודל 10 ס מ. ארוכים חוטים יכול להיות מיוצר על ידי העלאת את המנגנון הציור, ואת הלהט ממוצע קטרים יכול להשתנות בין 50-300 מיקרומטר לכל הפעלה. זיריהם גמיש וחזק, שלהם מודול האלסטיות הוא להשוות בצובר PDMS⁸. פרוטוקול זה, זמן העבודה מראש לרפא את PDMS בין ציור של חוטים הוא נוח מספיק זמן עבור הובלת החומר (איור 3).

Hydrophobicity תכנים דרך שהשחרור corona ניתן לאמת באמצעות droplet זוויות. ניתוח זווית מגע היא מסובכת בשל צורת גליל חוט הלהט; טיפות יכולים ליצור צורת חבית סימטרית או צורה סימטרית מעטפת¹⁴. עבור חוטים שלנו, באמצעות 1 µL מים טיפות, אלה שתי צורות מתאימות שטופלו corona משטחים הידרופיליות, לא מטופל PDMS הידרופוביות, בהתאמה (איור 4).

איור 1: סכימטי של שיטת ייצור נימה. Degassed, PDMS cross-linking מחומם ב 65 ° C עד צמיגות שלה מגיע ל 4000 mPa·s. ואז מקורר, הועבר extruder שדוחפת את החומר דרך פתח כלפי מטה אוויר-זרימה-בנדן, אז דרך כור צינור לפני שנקטפו כמו חוטים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 2: היסטוגרמה של נימה רוחבי של הפגנה של השיטה. רוחב הם לכל ס מ של פילמנט מעל 6 חוטים, אורכו הכולל היה כ 80 ס מ. חוטים היו סרק על ידי סורק משטח הסורק, נותחו על ידי קבצי script מותאמים אישית של אוקטבה¹⁵. שיבוץ: תמונת הנציגה של פילמנט מורחבת לצד סרגל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 3: צמיגות PDMS vs. זמן. צמיגות מדידות (ב 5 סל ד) של degassed PDMS הבסיס, ריפוי סוכן כפונקציה של הזמן, עם פרופילי טמפרטורה שונות. חימום רציף (אפור יהלומים) הוא 65 ° C, הוכחת לעלייה מהירה של צמיגות. נקודות נתונים שחור הינם 65 ° C, לפני הסרת לטמפרטורת החדר צמיגות מגיע ל 4000 mPa·s לפי השיטה הנ. נקודות נתונים אדומים מייצגים צמיגות של המדגם אותו לאחר קירור ל 25 מעלות צלזיוס. הפער בתביעות הממוצעות מתרחשת בזמן מד צמיגות היא להיות מקורר עד 25 ° C עם זרימת מים קרח. חלון ציאן הוא זמן כאשר ייצור פילמנט מתרחש לפי השיטה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 4: נימה בדוגמת Hydrophobically. (א) נימה היה בדוגמת עם דפוס hydrophobicity לסירוגין, כל ס מ 2, באמצעות השיטה Arduino מבוקר-קורונה שתוארו לעיל, דמיינו µL 1, טיפות מים. (ב) טיפות לאמץ מעטפת (משמאל) או קונפורמציה חבית (מימין) בהתאם hydrophobicity המקומי של הלהט¹⁴. מעטפת זוויות מוערך ישירות, ואילו זוויות שוות מישורי-הערך על חבית-טיפות נקבעים על ידי התאמה פתרון אנליטי⁸. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

משלימה איור 1: ממדי ההבלטה מתאם עם זרימת אוויר נדן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

משלימה איור 2: חיווט תרשים עבור Corona patterner. הפרשות corona המכשיר מחובר מקור הכוח אוביקטיביות. חוט הלהט טעון במגש המחוברים על ידי חוט שאינו מוליכי המנוע stepper דרך זה פלך (משלימה איור 3). התבנית מועלה אל המיקרו Arduino על בפינה השמאלית התחתונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

משלימה איור 3: סכימטי של חלקים עבור נימה patterner. (א) מגש עם פתיחה איפה הלהט הוא מושעה. (ב) ציר לחוט nonconducting מתחבר המנוע stepper המגש דרך החור 0.8 ס מ. (ג) התחתון מבט בכישור, מציג למתאם הפיר מנועים stepper. אנחנו מפוברק כל החלקים של אקריליק בחיתוך לייזר 3.2 מ מ, אשר היה מודבקות יחד בעת הצורך. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

משלימה באיור 4: התמונה של patterner הלהט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

הבסיס של שיטה זו? מנצל את תכונות חומר של ריפוי PDMS ולכן הם מתאימים עבור הכבידה ציור. כוח המשיכה טיפות הציור לתוך חוטים יציב נשלטת על ידי שלושה פרמטרים שהוא¹⁶. הם מתייחסים אינרציה של ה-droplet יחסית הכבידה (פראוד), מתח (וובר), צמיגות (ריינולדס). השלב הקריטי של crosslinking PDMS עד שזה השפעול עדויות סיומת יציבה לפי השיטה שלנו באופן משמעותי ביותר משנה שלה מספר ריינולדס, לצמצם אותו לפי יותר בסדר גודל, מ 0.83 ל 0.07. לעומת זאת, השינוי הגדול ביותר הבא באחד הפרמטרים האחרים שהוא הוא המספר וובר, שמכפילה בלבד. זה תומך בשימוש של צמיגות כמדד רגיש למעקב אחר PDMS spinnability.

שיפור קריטי על שיטת ייצור קודמות שלנו הלהט הוא כי הפרופיל צמיגות במהלך הפרוטוקול משמש כדי לקבוע זמני עבודה ניסויית. כדי לקבוע את המגבלות של הטכניקה, אנו מראש נרפא אוסף של PDMS לפי הפרוטוקול, להסירו מהאש ולקחו צמיגות מדידות בטמפרטורת החדר כמו PDMS המשך cross-linking. הפרופיל צמיגות וכתוצאה מכך (איור 4) עולה כי החלון עבור spinnability מורחב באופן דרמטי על-ידי הסרת PDMS את מד צמיגות 65 מעלות צלזיוס מחומם. פרוטוקול שלנו כרוך הסרת PDMS לפני הזנת החלון spinnability, ולאחר מכן ומאפשר המדגם להמשיך crosslinking למשך כ- 4.5 דקות כפי שהוא מתקרר לטמפרטורת החדר. לאחר מכן, הנסיין יש כ 4 דקות לשלוף. אותה לפני crosslinking שוטף מעבד את PDMS כבר לא drawable.

השיטה כפי שמוצג בקלות מייצר חוטים עם קטרים גודל 100 s של מיקרומטר, אורכי הסדר 0.5 m. האורך פילמנט מוגבל על-ידי נגיש שטח מתחת ההבלטה שפופרת הכבשן. שינוי סביר של הטכניקה יהיה להתקין אותו בארובה יותר לייצר חוטים ארוכים יותר. שינוי זה עדיין לא עסקנו מכנית מושך חוטים במקום להסתמך על ירידה כוח המשיכה, אשר תניב חוטים דקים.

שלב קריטי כדי hydrophobically תכנים את הסיב הוא חשיפה corona פריקה בתנאי הסביבה. זה מציג כמה עמימות, כפי הצורה/האינטנסיביות של השחרור מושפע תנאי הסביבה, מוליכות מקומיים. ניתן לכוונן לפי מהצבת מנצחים מוארק תחת הלהט, כמו גם התאמת את המתח של המכשיר קורונה (10-40 kV). המנגנון של קורונה השטח-השינוי הוא העברת האנרגיה של אלקטרונים סביר lysing את שרשראות צד PDMS ואת עמוד השדרה. לשבור חוב אלו, אלקטרונים צריך פחות אנרגיה מאשר הממוצע האנרגיה הדרושה להפקת חומר דיאלקטרי-מכשול פריקה¹⁷. לפיכך, פריקה הנצפה שאופפת את הסיב סביר לייצר את השינוי משטח והוא יכול להיות בקלות נבדק באמצעות מדידות זווית מגע של מים droplet.

שיטה זו מאפשרת ייצור יחסית נתיישב סיליקון PDMS חוטים ו הבאים המתבנת הידרופוביות מורכבים. המטרה הראשונית היא לייצר מערכת foldamer מודל שבו ניתן לעצב תבניות הידרופובי לייצר מסלולים מתקפלים פילמנט הנצפה ומבנים מקופל. Testbed הזה עשוי לספק כללי עיצוב להכליל הנדסה קיפול מסלולים. חוטים אלה עשויות להיות גשמי יישומים כמו חלק הידרופובי או תגובתי מבחינה כימית אורגת באמצעות הממיס נפיחות, או השימוש של תרכובות תגובתי הושעו ב PDMS גז-חדיר.

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