Fonksiyonel Mürekkepleri Dağıtıcı / Parçacık Bağlar Mekanizmalarının Yansıtma Kızılötesi Spektroskopik Tanımlama Diffüz

L. Jay Deiner; Elaheh Farjami

doi:10.3791/52744

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

Özet
Özet
Giriş
Protokol
Sonuçlar
Tartışmalar
Açıklamalar
Teşekkürler
Malzemeler
Referanslar
Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Formulation of stable, functional inks is critical to expanding the applications of additive manufacturing. In turn, knowledge of the mechanisms of dispersant/particle bonding is required for effective ink formulation. Diffuse Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (DRIFTS) is presented as a simple, inexpensive way to gain insight into these mechanisms.

Özet

In additive manufacturing, or 3D printing, material is deposited drop by drop, to create micron to macroscale layers. A typical inkjet ink is a colloidal dispersion containing approximately ten components including solvent, the nano to micron scale particles which will comprise the printed layer, polymeric dispersants to stabilize the particles, and polymers to tune layer strength, surface tension and viscosity. To rationally and efficiently formulate such an ink, it is crucial to know how the components interact. Specifically, which polymers bond to the particle surfaces and how are they attached? Answering this question requires an experimental procedure that discriminates between polymer adsorbed on the particles and free polymer. Further, the method must provide details about how the functional groups of the polymer interact with the particle. In this protocol, we show how to employ centrifugation to separate particles with adsorbed polymer from the rest of the ink, prepare the separated samples for spectroscopic measurement, and use Diffuse Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (DRIFTS) for accurate determination of dispersant/particle bonding mechanisms. A significant advantage of this methodology is that it provides high level mechanistic detail using only simple, commonly available laboratory equipment. This makes crucial data available to almost any formulation laboratory. The method is most useful for inks composed of metal, ceramic, and metal oxide particles in the range of 100 nm or greater. Because of the density and particle size of these inks, they are readily separable with centrifugation. Further, the spectroscopic signatures of such particles are easy to distinguish from absorbed polymer. The primary limitation of this technique is that the spectroscopy is performed ex-situ on the separated and dried particles as opposed to the particles in dispersion. However, results from attenuated total reflectance spectra of the wet separated particles provide evidence for the validity of the DRIFTS measurement.

Giriş

Katkı üretim son zamanlarda tıbbi cihazlar ¹ yarı iletkenler için seramik her şeyin üretimi için gelecek vaat eden bir teknik olarak ortaya çıkmıştır. Ilave üretim uygulamaları baskılı seramik, metal oksit ve metal parçalara genişledikçe, özel bir işlevsel mürekkepler formüle ihtiyacı ortaya çıkar. Gerekli fonksiyonel mürekkepleri formüle nasıl soru yüzeyi ve kolloid bilimi temel sorunu ile ilgilidir: yığılmaya karşı stabilize kolloidal dağılım içinde parçacıklar hangi mekanizmalar nelerdir? Genel olarak, stabilizasyon gibi parçacıklar (ve dolayısıyla toplama) yakın yaklaşım polimer dolaşması (stabilizasyon) ve entropik cezası ile, Kulomb itme (elektrostatik stabilizasyon) yoluyla önlenebilir olduğunu, ya da Kulomb bir kombinasyonu ile parçacık yüzeylerinin değişiklik gerektirir ve entropik güçler (electrosteric stabilizasyon) ^2. Amacıyla, bu mekanizmaların herhangi elde etmek içinstabilizasyonu, bu polimer ya da daha kısa zincirli fonksiyonel grupların bağlanması yoluyla partikül yüzey kimyasını değiştiren genellikle gereklidir. Böylece, istikrarlı fonksiyonel mürekkeplerin rasyonel formülasyonu biz belirli bir kimyasal katkı nedir kimyasal grup parçacık yüzeyine verdiği partikül yüzeyine ve verdiği olmadığını bilmek ister.

Bu protokolde sunulan yöntemin amacı, işlevsel mürekkepler parçacık yüzeylerinde adsorbe kimyasal türlerin hızla karakterizasyonu göstermektir. Bu amaç geniş bilim adamları ve baskı seramik, metal oksit ve metal cihazlarda ilgilenen mühendisler aralığı tarafından uygulanan bir etkinliğe yüzey ve kolloid bilim adamları için özel bir görev fonksiyonel mürekkep formülasyonu geçişler özellikle önemlidir. Bu hedefe ulaşmak opak, yüksek katı yüklemeler dispersiyonlar karakterize zorlukları üstesinden bir deney tasarlama gerektirir. Ayrıca ch arasında ayrım gerektirirdispersiyonda bulunan ama aslında adsorbe olanlar parçacıklar üzerine adsorbe değildir emical türleri. Bundan başka, kimyasal olarak zayıf physisorbed olanlar parçacıklar üzerine adsorbe edilir, bu türler arasında ayrım gereklidir. Bu deneysel protokol, biz fonksiyonel mürekkeplerin dispersan eki karakterizasyonu için yaygın yansıma kızılötesi spektroskopi kullanımını sunuyoruz. dağınık yansıma kızılötesi spektroskopi ölçüm dağılım içinde sadece mevcut olanlardan adsorbe türlerin ayırt etmek için gerekli bir ön analiz numune hazırlama tekniği izler.

Çeşitli yöntemler şu anda kimyasal mürekkep bileşenleri ve kolloidal dağınık parçacıklar arasındaki etkileşimin doğası içgörü kazanmak için kullanılır. Bu yöntemlerin bazıları özellikleri yüzeyi işlevsellik ile ilişkili olduğu kabul edilir ölçülen olan dolaylı problarıdır. Örneğin, harç madde reoloji veya çökelme r değişirates yüzey düzenleyiciler ³ adsorpsiyonu ile ilişkili olduğu tahmin ediliyor. Partikül büyüklüğü dağılımı, dinamik ışık saçılımı (DLS) ve zeta potansiyeli ile karakterize edilen, elektroforetik hareket etmesi ile karakterize edilen, yüzey yükü ^4,5 polimerler ya da türün adsorpsiyon bilgi sağlar. Benzer şekilde, termogravimetrik analiz (TGA) ile problanmıştır kitle kaybı, örneğin desorbe türlerin varlığı ve adsorbat ve parçacık ⁶ arasındaki etkileşimin gücüne ilişkindir. Yukarıda belirtilen dolaylı probları bilgi yüzey kimyası değişiklikleri önermek, ama onlar adsorbe türlerin kimliği veya adsorpsiyon mekanizması içine doğrudan fikir vermemektedir. Doğrudan fikir bileşenlerinin çok sayıda dispersiyon içinde mevcut olan fonksiyonel mürekkepler için özellikle önemlidir. Ayrıntılı molekül seviyesi bilgilerini, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), ^{7, 13} nükleer manyetik sağlamakrezonans (NMR) ^4,6 ve kızılötesi spektroskopi ^8-12 araştırılmıştır. Bu üç seçenekten, kızılötesi spektroskopi özellikle umut vericidir. ^13C NMR ile karşılaştırıldığında, enfraruj spektroskopi mürekkepleri ölçüm ¹³ boyunca müdahaleleri önlemek için analitik olarak saf çözücü ile formüle edilmesi gerekli değildir. X-ışını fotoelektron spektroskopisi ile karşılaştırıldığında, standart kızıl ötesi spektroskopisi, ölçüm sırasında ultra yüksek vakum koşulları ihtiyacını ortadan kaldırır, çevre basıncında gerçekleştirilebilir.

Kolloidal dağınık seramik, metal oksit ve metal nanopartiküller arasındaki etkileşimi prob kızılötesi spektroskopi kullanımı için literatür emsal vardır. Bu eserler zayıflatılmış toplam yansıma kızılötesi (ATR-IR) ⁹ kullanılarak yerinde arayüzey kimyasını ölçmek için girişimleri ayrılır ve katı örnekleme ⁸ kullanarak arayüzey kimya ex situ ölçmek için çalışır edilebilir. WHile yerinde ölçümler, spektral manipülasyon için gerekliliği nedeniyle ortaya çıkan belirsizlikler çözücüler ve birden fazla polimer komponentleri bulunmaktadır olan çok-bileşenli mürekkepler için yöntem zor hale getirmek için avantajı vardır. Bu nedenle, bu protokol katı örnekleme ve ex-situ ölçümü üzerinde duruluyor. Katı örnekleme yöntemlerin hepsi katı bir çözücü gelen partiküllerin ayrılması ile elde edilen ön-muamele adımı ve kızılötesi ölçüm katı parçacıkları üzerinde gerçekleştirilen bir analiz adımı gerektirir. yöntem arasındaki fark, örneğin ön-muamele seçiminde ve katı kızılötesi analiz için kullanılan deneysel teknik seçimi ortaya çıkar. Tarihsel olarak, katı analiz etmek için kızılötesi spektroskopi kullanımı, geleneksel bir şekilde az miktarda potasyum bromür (KBr) toz ile sağlam bir örneğin (<% 1), öğütmek, ve daha sonra yüksek basınçlı sinterleme karışımın tabi olmuştur. Sonuç şeffaf KBr ufak topak olduğu. Bu procedure kobalt nanopartiküllerin ⁷ yağlı asit mono tabakaları ile polietılenamin ¹⁰ ile işlevselleştirilmiş zirkonyum nanopartiküllerinin sulu süspansiyonlar, elde edilen tozlar ile başarılı bir teşebbüs, Fe ₃ O ₄ nanopartiküller ¹⁴ katekol türetilen dağıtıcı ile olmuştur. Adsorbe edilen dağıtıcı saptanması için KBr peletleme tekniğin bu başarılı uygulamalara rağmen, dağınık yansıtıcılık kızılötesi spektroskopi çeşitli avantajlar sağlar. Bir avantajı, numune hazırlama basitleştirilmiştir. KBr topaklama aksine, dağınık yansıtıcılık katı numunesi, sadece elle öğütülebilir. Kendisi numune kabına yüklenir ve diffüz dağınık kızılötesi ışık ölçülür toz olarak hiçbir sinterleme adım yoktur. KBr peletleme üzerinde yaygın yansıtma diğer avantajı yüzey hassasiyeti ¹⁵ artar. Yüzey duyarlılık artışı, bu uygulama için özellikle yararlı olan CRI bölgesindekikortikal sorular nanoparçacık yüzeylerde varlığı ve adsorbatlara doğası vardır.

Kolloidal dağınık örnekler üzerinde kimyasal türlerin adsorpsiyonu prob dağınık yansıma örnekleme tekniği kullanmış eserler arasında, birincil farklılıklar sıvı ortamdan nanopartiküller ayırma yönteminde ortaya çıkar. Ayırma olmadan, sadece sıvı ortam içinde çözülmüş dispersanlar arasında, özellikle adsorbe dispersiyon ayırt etmek mümkün olur, bu adım çok önemlidir. Birçok örnekte, ayırma metodu deneysel protokol ^12,16,17 gelen açık değildir. Belirtildiğinde, en sık uygulanan yöntem yerçekimi ayrılmasını içerir. mantığı, seramik, metal oksit ve metal nanopartiküller daha yoğun bir çevre ortamından daha olmasıdır. Onlar yerleşmek zaman, onlar sadece özel adsorbe türler onlarla birlikte aşağı sürükleyin olacaktır. Kimyasal türler kısmı ile karşılıklı etkileşim içinde olmamaicles çözelti içinde kalır. Dağılımlar kolayca Normal çekim kuvveti ¹⁸ altında yerleşmek olsa da, istikrarlı bir mürekkep püskürtmeli observably bir yıldan az bir zaman bir süre boyunca razı olmamalıdır. Bu nedenle, ön analiz ayrılması için santrifüj kullanılarak bir yöntem tercih edilir. Bu cam parçacıkları ^19,20, alümina ⁸ dispersan bağlayıcı adsorpsiyon ve CuO ¹¹ anyonik dağıtıcı işlevselleştirilmesi ile ilgili dağıtıcı adsorpsiyon çeşitli çalışmalarda gösterilmiştir. Son olarak biz, katı oksit yakıt hücresi tabakalarının ²¹ mürekkep püskürtmeli aerosol püskürtmeli baskı için kullanılan sulu olmayan NiO dağılımlarda yağ asidi bağlama mekanizmaları değerlendirmek için kullanmıştır.