Name: manufacturing of three-dimensionally microstructured nanocomposites through microfluidic infiltration
Uploaded: 2014-03-12T23:00:00
Duration: 14 min 24 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration at JoVE.com

Forfatterne erkender økonomisk støtte fra FQRNT (Le Fonds Quebecois de la Recherche sur la Nature et les Technologies). Forfatterne vil gerne takke den rådgivende støtte af professor Martin Levesque, Prof. My Ali El Khakani og Dr. Brahim Aissa.

1.. Fabrikation af 3D Mikrofluidenheder Networks <ol><li> Smelt den flygtede blæk ved 80 ° C og indlæse den i en 3 ml sprøjte tønde. Bemærk: Diffus blæk er en binær blanding af en mikrokrystallinsk voks og en vaseline med en vægt andel af 40:60. </li><li> Vælg et deposition dyse afhængig af den ønskede endeløse diameter (f.eks en indre diameter (ID) = 150 um). </li><li> Installer dyse på sprøjtecylinderen indeholdende blækmateriale og montere den på sprøjteholderen af ​​dispensering robot. </li><li> Brug et Excel-programmet til at designe den bevægelige bane dispensering robot til fremstilling af den ønskede 3D skeletstrukturen. Bemærk: De overordnede dimensioner af 3D-blæk struktur og filamenter &#39;afstand i en given lag kan nemt programmeres, i dette tilfælde, dimensioner er 60 mm i længden, 7,5 mm i bredden og 1,7 mm i tykkelse med 0,25 mm vandret afstand mellem hvert filament. </li><li&gt; Indstil deposition pres på trykregulatoren og robotten dispensering hastighed. Bemærk: Diffus blæk filamentdiameter varierer afhængigt dysediameter deposition tryk, blæk viskositet og dispensering hastighed. Her filamentdiameteren er ~ 150 um for en aflejring hastighed på 4,7 mm / sek ved en ekstrudering tryk på 1,9 MPa. </li><li> Start fremstillingen af microscaffold med aflejring af blæk-baserede filamenter på en epoxy substrat, hvilket fører til et 2D-mønster (figur 2a). </li><li> Deponere efterfølgende lag ved successivt at inkrementere z-position doseringsdysen med et beløb svarende til diameteren af filamenterne (figur 2b). Bemærk: Self-støttede 3D-strukturer med andre geometrier og mange lag (f.eks et par hundrede lag) kunne bygges. </li><li> Bland de to dele af epoxy (dvs. harpiks og hærder), der anvendes til indkapsling og degas epoxy blanding under vakuum i en defineret tid (her 0,15 bar i 30 min) for at fjerne boblerne fanget under blanding af epoxy komponenter. Bemærk: Den afgasning tid kan variere med gelen tid af epoxy blanding. For en anden epoxy system, kan den nødvendige afgasning være kortere eller længere. </li><li> Load epoxyharpiksen i en 3 ml sprøjte tønde ved hjælp af en fluiddispenser ved at påføre et undertryk, og derefter montere en fin dyse (fx ID = 0,51 mm) i sprøjtecylinderen. </li><li> Sted falder epoxy over skrå skeletstrukturen ved sin øvre ende ved hjælp af den samme fluiddispenser og monterede dyse for at minimere risikoen for boble indfangning under epoxy indkapsling. Bemærk: Den epoxy flyder derefter ind i de tomme rum mellem filamenter, drevet af tyngdekraften og kapillære kræfter. </li><li> Fortsæt anbringe dråber af epoxy over stilladset, indtil det tomme rum mellem stillads filamenter er helt fyldt. </li><li> Lad indkapslende epoxy Precure ved stuetemperatur i 24 timer og derefter sætte strukturen i en ovn til efterhærdning ved 60 ° C (fig. 2c). Bemærk: En anden kur tidsplan kan anvendes til et andet epoxy system. </li><li> Skær overskydende dele af epoxy ved hjælp af en præcision sav efter fuldstændig hærdning. </li><li> Bor to huller på to ender af strukturen og indsætte to plastrør. </li><li> Fjern flygtning blæk fra strukturen som følgende: <ol><li> Sæt prøverne i en ovn ved 90 ° C i 30 min, og farven flydendegørelse (figur 2d). </li><li> Kort efter at tage prøver ud af ovnen, vask kanalnettet med sugning af varmt destilleret vand gennem rør, der er knyttet til de åbnede kanaler i 5 minutter efterfulgt af hexan i yderligere 5 min. Bemærk: farveafrensningsbane giver et sammenkoblet 3D mikrofluid netværk (figur 5). Post-rengøring af netværk ved hjælp af hexan udføres for at fjerne mulighedenble rester af blæk fra kanal vægge. </li></ol></li></ol> 2. Nanocomposite Forberedelse Bemærk: nanokompositterne forberedes ved at blande en dobbelt kur (ultraviolet / varmehærdelig) termohærdende harpiks, enten en epoxyharpiks eller en urethan-baserede harpiks og nanofyldstoffer (her, single-walled carbon nanorør) ved forskellige belastninger. <ol><li> Tilføj den ønskede mængde af nanorør til en opløsning på 0,1 mM af et overfladeaktivt middel (zink-protoporphyrin IX) enten i acetone eller dichlormethan 14 (figur 6). Bemærk: Her blev 150 mg af CNTs tilsat til opløsningen (~ 50 ml) med henblik på at forberede et nanokompositmateriale med en endelig nanorør koncentration på 0,5 vægt%. Det bør også nævnes, at anvendelsen af ​​højtkogende temperatur opløsningsmidler som DMF bør undgås på grund af mulig varme-hærdning af UV-epoxy anvendt i denne undersøgelse ved temperaturer over 60 ° C i løbet af fordampning af opløsningsmidlet. </li><li> Lydbehandle suspension i et ultrasonisk bad i 30 minutter til debundle nanorør aggregater (figur 6). Bemærk: Der bør gøres en ekstra indsats, såsom filtrering eller ultracentrifugering af nanorør løsning til at fjerne de resterende store klynger før blanding med harpiksen. </li><li> Bland harpiks (enten epoxy eller urethan) med nanorør suspensionen over en magnetomrører varm plade ved en temperatur lidt under den temperatur, opløsningsmidlet kogepunkt (fx 50 ° C i acetone-opløsning) i 4 timer. </li><li> Placer nanocomposite blandingen i ultralydbehandling bad og samtidig anvende lydbehandling og opvarmning (40-50 ° C) i 1 time (figur 6). </li><li> Lad resterende opløsningsmiddel fordamper ved opvarmning nanocomposite ved 30 ° C i 12 timer og derefter ved 50 ° C i 24 timer under vakuum (~ 0,1 bar). </li><li> Shear blande nanocomposite materialer ved at passere dem gennem et lille hul mellem rullerne i en tre-roll mølle mixer i order til at bryde store nanorør aggregater (figur 6). Hold en del af nanocomposite før tre-roll blanding til baseline sammenligning. </li><li> Sæt tre-roll blande parametre (dvs. huller og roterende hastighed). Bemærk: Her er en konstant hastighed på 250 rpm bruges til forpladsen roll. Dog er mellemrummene mellem ruller reduceres i tre trin behandling som følger: 5 passerer ved 25 um, 5 passerer ved 10 um og 10 passerer på 5 m, hhv. </li><li> Afgasses slutblandingen under vakuum på ~ 0,1 bar i 24 timer under anvendelse af en ekssikkator at fjerne luftbobler fanget under blandingen. </li></ol> 3. Nanocomposite Infiltration (Injection) <ol><li> Load nanokompositterne, tilberedt i afsnit 2, i en 3 ml sprøjte tønde ved hjælp af flydende dispenser ved at påføre et undertryk. </li><li> Sæt en fin dyse (fx ID = 0,51 mm), som passer ind i plastrør, der er knyttet til de åbnede kanaler (samme rør, der anvendesfor blæk fjernelse) og montere det i sprøjtecylinder indeholder nanocomposite materialer. </li><li> Indstil det ønskede tryk (dvs. positivt tryk) på trykket dispenser. Bemærk: Her er trykket nanokompositten injektion sat til 400 kPa. Bemærk: Et vakuum (dvs. negativt tryk) kan anvendes til den anden ende (dvs. udløbssiden) at bistå påfyldning netværket. Når trykket er anvendt, mikrofluid netværk, bygget i protokol 1, er fyldt med nanocomposite suspension, som kommer ind i netværket gennem plastrør. </li><li> Kort efter injektionen, udsættes nanocomposite fyldt kompositbjælker UV belysning af en UV-lampe i 30 minutter til forhærdning. Bemærk: Denne forhærdning funktion menes at reducere effekten af ​​Brownsk bevægelse på CNTs mulig orientering. Det reducerer også varmeinduceret krympning (fig. 7) </li><li> Efterhærdning de fremstillede bjælker i ovnenved, i tilfælde af UV-epoxy, 80 ° C i 1 time efterfulgt af 130 ° C i yderligere 1 time (figur 7). </li><li> Skær overskydende epoxy ved hjælp af en sav og polere derefter strålerne til de ønskede dimensioner (her ~ 60 mm i længden, ~ 6,8 mm i bredden, og ~ 1,6 mm i tykkelse af bjælkerne blev fremstillet for at lette mekanisk karakterisering). </li></ol>

<ol>
	<li>Endo, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applications+of+Carbon+Nanotubes+in+the+Twenty-First+Century.">Applications of Carbon Nanotubes in the Twenty-First Century.</a> Philosoph. Trans. Math. Phys. Eng. Sci. 362 (1823), 2223-2238 (2004).</li><li>Ear, Y., Silverman, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Challenges+and+opportunities+in+multifunctional+nanocomposite+structures+for+aerospace+applications.">Challenges and opportunities in multifunctional nanocomposite structures for aerospace applications.</a> MRS Bull. 32 (4), 328-334 (2007).</li><li>Mirfakhrai, T., Krishna-Prasad, R., Nojeh, A., Madden, J. D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electromechanical+actuation+of+single-walled+carbon+nanotubes:+an+ab+initio+simulation+study.+Nanotechnology.">Electromechanical actuation of single-walled carbon nanotubes: an ab initio simulation study. Nanotechnology.</a> Nanotechnology. 19 (31), 1-8 (2008).</li><li>Sahoo, N. G., Jung, Y. C., Yoo, H. J., Cho, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+carbon+nanotubes+and+polypyrrole+on+the+thermal,+mechanical+and+electroactive+shape-memory+properties+of+polyurethane+nanocomposites.">Influence of carbon nanotubes and polypyrrole on the thermal, mechanical and electroactive shape-memory properties of polyurethane nanocomposites.</a> Comp. Sci. Technol. 67 (9), 1920-1929 (2008).</li><li>Coleman, J. N., Khan, U., Gun'ko, Y. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+reinforcement+of+polymers+using+carbon+nanotubes.">Mechanical reinforcement of polymers using carbon nanotubes.</a> Adv. Mater. 18 (6), 689-706 (2006).</li><li>Fan, Z. H., Advani, S. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+orientation+state+of+carbon+nanotubes+in+shear+flow.">Characterization of orientation state of carbon nanotubes in shear flow.</a> Polymer. 46 (14), 5232-5240 (2005).</li><li>Abbasi, S., Carreau, P. J., Derdouri, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow-induced+particle+orientation+and+rheological+properties+of+suspensions+of+organoclays+in+thermoplastic+resins.">Flow-induced particle orientation and rheological properties of suspensions of organoclays in thermoplastic resins.</a> Polymer. 51 (4), 922-935 (2010).</li><li>Kimura, T., Ago, H., Tobita, M., Ohshima, S., Kyotani, M., Yumura, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polymer+composites+of+carbon+nanotubes+aligned+by+a+magnetic+field.">Polymer composites of carbon nanotubes aligned by a magnetic field.</a> Adv. Mater. 14 (19), 1380-1383 (2002).</li><li>Chronakis, I. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+nanocomposites+and+nanoceramics+based+on+polymer+nanofibers+using+electrospinning+process-A+review.">Novel nanocomposites and nanoceramics based on polymer nanofibers using electrospinning process-A review.</a> J. Mater. Process. Technol. 167 (2-3), 283-293 (2005).</li><li>Zhou, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+wall+carbon+nanotube+fibers+extruded+from+super-acid+suspensions:+preferred+orientation,+electrical,+and+thermal+transport.">Single wall carbon nanotube fibers extruded from super-acid suspensions: preferred orientation, electrical, and thermal transport.</a> J. Appl. Phys. 95 (2), 649-655 (2004).</li><li>Sandler, J. K. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparative+study+of+melt+spun+polyamide-12+fibres+reinforced+with+carbon+nanotubes+and+nanofibres.">A comparative study of melt spun polyamide-12 fibres reinforced with carbon nanotubes and nanofibres.</a> Polymer. 45 (6), 2001-2015 (2004).</li><li>Therriault, D., Shepherd, R. F., White, S. R., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fugitive+inks+for+direct-write+assembly+of+three-dimensional+microvascular+networks.">Fugitive inks for direct-write assembly of three-dimensional microvascular networks.</a> Adv. Mater. 17 (4), 395-399 (2005).</li><li>Therriault, D., White, S. R., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chaotic+mixing+in+three-dimensional+microvascular+networks+fabricated+by+direct-write+assembly.">Chaotic mixing in three-dimensional microvascular networks fabricated by direct-write assembly.</a> Nat. Mater. 2 (4), 265-271 (2003).</li><li>Lebel, L. L., Aissa, B., Khakani, A. E., Therriault, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+and+mechanical+characterization+of+laser+ablated+single-walled+carbon-nanotubes/polyurethane+nanocomposite+microbeams.">Preparation and mechanical characterization of laser ablated single-walled carbon-nanotubes/polyurethane nanocomposite microbeams.</a> Comp. Sci. Technol. 70 (3), 518-524 (2010).</li><li>Farahani, R. D., Dalir, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-infiltration+of+three-dimensional+porous+networks+with+carbon+nanotube-based+nanocomposite+for+material+design.">Micro-infiltration of three-dimensional porous networks with carbon nanotube-based nanocomposite for material design.</a> Comp. A. Appl. Sci. Manufact. 42 (12), 1910-1919 (2011).</li><li>Farahani, R. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manufacturing+composite+beams+reinforced+with+three-dimensionally+patterned-oriented+carbon+nanotubes+through+microfluidic+infiltration.">Manufacturing composite beams reinforced with three-dimensionally patterned-oriented carbon nanotubes through microfluidic infiltration.</a> Mater. Design. 41 (5), 214-225 (2012).</li><li>Volder, M. D., Tawfick, S. H., Copic, D., Hart, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogel-driven+carbon+nanotube+microtransducers.">Hydrogel-driven carbon nanotube microtransducers.</a> Soft Matter. 7 (21), 9844-9847 (2011).</li></ol>

Ingen interessekonflikter erklæret.

Den eksperimentelle procedure, der præsenteres her er en ny og fleksibel produktion metode for at skræddersy mekaniske ydeevne af polymer-baserede materialer for materiale konstruktionsmæssige formål. Ved hjælp af denne metode, kunne ønskede egenskaber opnås på grundlag af korrekt valg af komponenter (dvs. infiltrerede materialer og vigtigste matrix) samt engineering kompositkonstruktioner. For det første teknik muliggør fremstillingen af et enkelt materiale, der består af forskellige termohærdende polymerer, der repræsenterer en unik temperaturafhængig funktion, som er anderledes end de komponenter bulks 15. En anden fordel ved den foreliggende teknik i forhold til andre nanocomposite fremstillingsteknik, hvorved nanofyldstoffer er ensartet fordelt gennem hele matrixen er evnen til rumligt placere forstærkninger på ønskede steder i disse 3D-forstærket komposit bjælker. På grund af denne positionering kapacitet, en lavere mængde muligvis dyre nanoder er behov for fyldstoffer at opnå en bestemt mekanisk ydeevne 13.. Da forstærkning mønster adlyder den oprindelige direkte-skrivning af blækket stilladset er filamenterne &#39;afstand i et givet lag er begrænset til cirka ti gange blæk filamenter diameter på grund af de viskoelastiske egenskaber af diffus blæk. På den anden side kan en lille afstand begrænse strømmen af ​​flydende epoxy under epoxy indkapsling trin. Desuden bør blækket filament diameter være stor nok (f.eks over 50 um) for at lette fremstilling (fx ekstrudering af højviskose blæk) og de ​​efterfølgende fremstillingstrin såsom nanocomposite infiltration ind i mikrofluide netværk. En anden potentiel af den foreliggende fremgangsmåde kunne være evnen til at tilpasse de enkelte CNTs eller andre nanofyldstoffer i strømningsretningen under forskydningsstrømningen 16 ved nanocomposite infiltration ved højere hastigheder / pres, hvis nanofyldstoffer er godtDispergeret i under nanocomposite blandingsproces. Men en høj grad af tilpasning kun opnås ved meget høje infiltration tryk (på grund af lille kanal diameter), som kan forårsage luftbobler i netværket under infiltration. Repræsentative optiske billeder i figur 6 viser nanokompositter fremstillet ved blandingsproceduren præsenteres i protokol 2 (to billeder i bunden af figuren). De observerede mørke pletter menes at være nanorør aggregater. For ultralydsbehandlet nanocomposite de micron størrelse aggregater med en diameter på op til ~ 7 um er til stede, mens der observeres en drastisk ændring af størrelsen af ​​aggregaterne (med et gennemsnit på ~ 1 mM) til forskydning blandet nanocomposite. Da nanofiller spredning påvirker de mekaniske og elektriske egenskaber af de fremstillede 3D nanocomposite bjælker, bør en forbedret spredning opnås for at tage den fulde fordel af 3D-positionering af Nanofillers anvender den foreliggende fremstillingsteknik. Derfor er en yderligere undersøgelse er nødvendig for at systematisk at undersøge dispersion stater nanorør og brugen af ​​andre nanofyldstoffer, som lettere kan spredes inden for epoxy matrix. Den nuværende produktion teknik kan gøre udformningen af funktionelle 3D nanocomposite produkter til mikroteknik ansøgning 17. Teknikken er ikke begrænset til de i denne undersøgelse anvendte materialer. Derfor kan anvendelsen af ​​denne teknik forlænges med udnyttelsen af ​​andre termohærdende materialer og nanofyldstoffer. Blandt flere applikationer, kan strukturelle sundhedsovervågning, vibrationsdæmpning produkter og mikroelektronik nævnes.

Polymer nanokompositter bruger nanomaterialer, især kulstof-nanorør (CNTs) indarbejdet i polymermaterialer har multifunktionelle egenskaber 1 for potentielle applikationer såsom strukturelle kompositter 2, microelectromechanical systemer 3 (f.eks mikrosensorer) og smart polymerer 4. Adskillige procestrin, herunder CNT behandling og nanokomposit blande metoder kan være forpligtet til at ønskeligt sprede CNTs i matricen. Da CNTs &#39;skærmformat, deres spredning tilstand og overfladebehandling primært påvirke den elektriske og mekaniske ydeevne, kan proceduren nanokompositten behandling varierer afhængigt af ønskede egenskaber til en målrettet anvendelse 5.. Desuden, for specifikke belastningsforhold, tilpasning CNTs langs en ønsket retning, og også placere forstærkninger på ønskede steder muliggøre yderligere forbedring af de mekaniske og / eller elektriske egenskaber af disse nanocomposites. Et par teknikker såsom forskydningsstrømningen 6-7 og elektromagnetiske felter 8 er blevet anvendt til at tilpasse CNTs langs en ​​ønsket retning i en polymer matrix. Desuden CNT orientering fremkaldt af dimensional begrænsende, specielt i én dimension (1D) og to-dimension (2D), er blevet observeret under behandlingen / dannelsen af nanocomposite materialer 9-11. Men nye forskud på fremstillingsprocesser stadig behov for at give tilstrækkelig kontrol af de tre-dimensionelle (3D) orientering og / eller positionering af nanorør forstærkning under fremstillingen af ​​et produkt til optimale betingelser. I dette papir, præsenterer vi en protokol til fremstilling 3D-forstærket kompositbjælker via instrueret og lokaliserede infiltration af en 3D mikrofluid netværk med polymer nanocomposite suspensioner (Figur 1). For det første fremstillingen af ​​en 3D sammenkoblet mikrofluidnetværk påvises, hvilket indebærer direkte skrive fremstilling af den diffuse blæk filamenter 12-13 på epoxy substrater (figur 2a og 2b), efterfulgt af epoxy indkapsling (figur 2c) og opofrende farveafrensningsbane (figur 2d). Den direkte skrive metode består af en computerstyret robot, der bevæger en fluiddispenser langs x, y og z akserne (figur 3). Denne teknik giver en hurtig og fleksibel måde at fremstille 3D microdevices for fotoniske, MEMS og bioteknologiske anvendelser (Figur 4). Derefter fremstillingen nanocomposite påvises, sammen med sin infiltration (eller injektion) ind i den porøse netværk under forskellige styret og konstant pres for at fremstille 3D-forstærkede multiscale kompositter (figur 2e og 2f). Endelig er der nogle repræsentative resultater sammen med deres potentielle anvendelser vist.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="604">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:163px;">Dispensing Robot</td>
			<td style="width:160px;">I &#38; J Fisnar</td>
			<td style="width:136px;">I &#38; J2200-4</td>
			<td style="width:147px;">-</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:163px;">Robot software</td>
			<td style="width:160px;">I &#38; J Fisnar</td>
			<td style="width:136px;">-</td>
			<td style="width:147px;">JR-Point Dispensing</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:163px;">Syringe Barrel</td>
			<td style="width:160px;">Nordson EFD Inc.</td>
			<td style="width:136px;">7012072</td>
			<td style="width:147px;">3cc</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:163px;">Dispensing Nozzle</td>
			<td style="width:160px;">Nordson EFD Inc.</td>
			<td style="width:136px;">7018225</td>
			<td style="width:147px;">Stainless Steel Tip&#160;&#160; (ID: 0.51 mm)</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:163px;">Dispensing Nozzle</td>
			<td style="width:160px;">Nordson EFD Inc.</td>
			<td style="width:136px;">7018424</td>
			<td style="width:147px;">Stainless Steel Tip&#160;&#160; (ID: 0.15 mm)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:163px;">Fluid Dispenser</td>
			<td style="width:160px;">Nordson EFD Inc.</td>
			<td style="width:136px;">HP-7X</td>
			<td style="width:147px;">-</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:163px;">Fluid Dispenser</td>
			<td style="width:160px;">Nordson EFD Inc.</td>
			<td style="width:136px;">800</td>
			<td style="width:147px;">-</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:163px;">Live camera</td>
			<td style="width:160px;">MediaCybernetics</td>
			<td style="width:136px;">QI, Cool, Color</td>
			<td style="width:147px;">12 Bit, Qimaging</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:163px;">Live Camera Software</td>
			<td style="width:160px;">Image-pro Plus</td>
			<td style="width:136px;">-</td>
			<td style="width:147px;">Version 6</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:163px;">Precision Saw</td>
			<td style="width:160px;">Buehler (IsoMet)</td>
			<td style="width:136px;">622-ISF-03604&#160;</td>
			<td style="width:147px;">&#160;Low-Speed Saw</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:163px;">Flexible plastic Tube</td>
			<td style="width:160px;">Saint-Gobain PRL Corp.</td>
			<td style="width:136px;">Tygon 177936</td>
			<td style="width:147px;">-</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:163px;">Stirring hot plate</td>
			<td style="width:160px;">Barnstead international</td>
			<td style="width:136px;">SP131825</td>
			<td style="width:147px;">-</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:163px;">Vacuumed-oven</td>
			<td style="width:160px;">Cole-Parmer</td>
			<td style="width:136px;">EW-05053-10</td>
			<td style="width:147px;">-</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:163px;">Ultrasonic cleaner</td>
			<td style="width:160px;">Cole-Parmer</td>
			<td style="width:136px;">EW-08891-11</td>
			<td style="width:147px;">-</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:163px;">Three-roll mill mixer</td>
			<td style="width:160px;">Exakt Technologies</td>
			<td style="width:136px;">Exakt 80E</td>
			<td style="width:147px;">-</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:163px;">Dynamic Mechanical Analyzer</td>
			<td style="width:160px;">TA Instruments</td>
			<td style="width:136px;">DMA Q800</td>
			<td style="width:147px;">-</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:163px;">UV-lamp</td>
			<td style="width:160px;">Cole Parmer</td>
			<td style="width:136px;">RK-97600-00</td>
			<td style="width:147px;">Intensity of 21mW/cm&#178;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

manufacturing of three-dimensionally microstructured nanocomposites through microfluidic infiltration

Mikrostruktureret kompositbjælker forstærket med komplekse tredimensionelt (3D) mønstrede nanocomposite mikrofilamenter er fremstillet via nanocomposite infiltration af 3D sammenkoblet mikrofluide netværk. Fremstillingen af ​​armerede bjælker begynder med fremstilling af mikrofluide netværk, hvilket indebærer lag af lag-aflejring af diffus blæk filamenter ved hjælp af en dispensering robot, fylde det tomme rum mellem filamenter med en lav viskositet harpiks, hærdning af harpiksen, og endelig at fjerne blæk. Selvbærende 3D-strukturer med andre geometrier og mange lag (f.eks et par hundrede lag) kan bygges ved hjælp af denne metode. De resulterende rørformede mikrofluide netværk er så infiltreret med termohærdende nanocomposite opslæmninger indeholdende nanofyldstoffer (f.eks single-walled carbon nanorør), og derefter helbredes. Infiltrationen sker ved at anvende en trykgradient mellem to ender af den tomme network (enten ved at anvende et vakuum eller vakuum-assisteret mikroinjektion). Forud for infiltration, er nanocomposite suspensioner fremstilles ved at dispergere nanofyldstoffer i polymermatricer ved hjælp af ultralydbehandling og tre-rulle blande metoder. Nanokompositter (dvs. materialer infiltreret) derefter størknede under UV-eksponering / varmehærdning, hvilket resulterer i en 3D-forstærket kompositstruktur. Teknikken præsenteres her muliggør design af funktionelle nanocomposite makroskopiske produkter til mikroteknik applikationer såsom aktuatorer og sensorer.

8a og 8b viser et repræsentativt billede af fremstillede bjælker og en optisk billede af dens tværsnit, bestående af ni lag af nanocomposite filamenter. Tal 8c og 8d viser typiske SEM billeder af en fremstillet bjælker fraktur overflade og en højere forstørrelse billede af fyldte kanaler (dvs. indlejret nanocomposite mikrofibre), hhv. Da ingen debonding ses på kanalerne væggen, er det rimeligt at sige, at det omkringliggende epoxy og infiltrerede materialer er vel overholdes som følge af en ordentlig rengøring af kanaler med hexan efter blæk fjernelse. Figur 9 viser et repræsentativt optisk billede af en stråle brydes under mekanisk prøvning, hvor hexan ikke anvendes under fjernelse af sværte. Fiberafbinding, som et resultat af dårlig mekanisk grænseflade observeret, hvilket kan skyldesdiffus ink spor tilbage efter netværk rengøring. Figur 10 viser lagringsmodul, E &#39;af de støbte hovedparten epoxy prøver (som benchmark) og 3D-forstærket bjælker. Resultaterne viser entydige tendenser for de fremstillede bjælker, som er en kombination af den integrerede og de omkringliggende epoxy materialer med overlegne egenskaber med tilstedeværelsen af ​​kun ~ 0,18 vægtprocent. % CNTs. Figur 11 viser de tre-punkts bøjning testresultater for de fremstillede sammensatte bjælker ved hjælp af en DMA. Som et resultat af CNTs positionering, bøjningsmodulus af 3D forstærkede bjælker viste en stigning på 34% i forhold til den rene epoxy-infiltreret (hel epoxy) bjælker. <img alt="Figur 1" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig1highres.jpg" width="500" /> Fig. 1. Skematisk fremstilling af en 3D-reinforced nanokomposit fremstillet af microinfiltration tilgang. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig1highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se større billede.</a> <img alt="Figur 2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig2highres.jpg" width="500" /> Figur 2. Skematisk repræsentation af fremstillingen af 3D-armerede bjælker. (A) Ink glødetråd direkte aflejring ved hjælp af en dispensering robot, (b) Deposition af flere lag oven på hinanden ved at forøge det dispenseringsdysen i z-retning, (c ) Fyldning porerummet mellem filamenter med en lav viskositet harpiks, (d) at tage blæk ud af nettet sin fortætning, hvilket resulterer i fremstillingen af mikrofluidkanaler. (E) Fyldning den tomme netværk mednanokompositten suspension efterfulgt af saltning, og (f) Udskæring de overskydende epoxy. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig2highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se større billede.</a> <img alt="Figur 3" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig3highres.jpg" width="500" /> Figur 3.. Et billede af robot deposition trin består af en computerstyret robot, en dispenserapparat, og et live-kamera. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig3highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se større billede.</a> <img alt="Figur 4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig4highres.jpg" width="500" /> Fig. 4. Et par billeder af mikrostrukturer, der er fremstillet ved direkte skrive monteBly. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig4highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se større billede.</a> <img alt="Figur 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig5highres.jpg" width="500" /> Figur 5. Isometrisk og et SEM billede 3D-tilsluttede mikrofluid tom netværk. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig5highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se større billede.</a> <img alt="Figur 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig6highres.jpg" width="500" /> Figur 6.. Nanocomposite blande strategier, herunder nanorør-kovalent funktionalisering, ultralyd og / eller tre-roll mølle blanding, der fører til nanorør dispersioner med forskellige kvaliteter (optiske billeder af nanocomposite film). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig6highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se større billede.</a> <img alt="Figur 7" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig7highres.jpg" width="500" /> Figur 7. Nanokomposit hærdning under UV-belysning af en UV-lampe, efterfulgt af post-hærdning i ovnen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig7highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se større billede.</a> <img alt="Figur 8" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig8highres.jpg" width="500" /> Fig. 8. (a) Jeg sometric billede af en 3D-forstærket bjælke, (b) Typisk tværsnit af et nanokompositmateriale injiceret stråle (c) En stråle overflade fraktur SEM billede, og ( <stron<html> g&gt; d) Et nærbillede af (c). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig8highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se større billede.</a> <img alt="Figur 9" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig9highres.jpg" width="500" /> Figur 9.. Fracture overflade billede af en polyurethan nanocomposite-infiltreret stråle. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig9highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se større billede.</a> <img alt="Figur 10" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig10highres.jpg" width="500" /> Figur 10. Temperaturafhængige mekaniske egenskaber (storage modulus) af bulk epoxy og de ​​fremstillede bjælker ved hjælp af en dynamisk mekanisk analysator./ Www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig10highres.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klik her for at se større billede. <img alt="Figur 11" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig11highres.jpg" width="500" /> Figur 11. Kvasistatiske mekaniske egenskaber (bøjnings) af bulk epoxy og de ​​fremstillede bjælker (tre-punkts bøjning test). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig11highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se større billede.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration at JoVE.com

Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration

Tre-dimensionelle (3D) mikrostrukturerede kompositbjælker er fremstillet gennem instrueret og lokaliserede infiltration af nanokompositter i 3D porøse mikrofluide netværk. Fleksibiliteten af ​​denne fremstillingsmetode muliggør udnyttelsen af ​​forskellige termohærdende materialer og nanofyldstoffer med henblik på at opnå en række funktionelle 3D armerede nanocomposite makroskopiske produkter.

Fremstilling af tredimensionelt Mikrostrukturerede Nanocomposites gennem Mikrofluid Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite ...

Research

JoVE Journal

Chemistry

Preparation of Silica Nanoparticles Through Microwave-assisted Acid-catalysis

Microwave-assisted synthetic techniques were used to quickly and reproducibly produce silica nanoparticle sols using an acid catalyst with nanoparticle ...

Transport of Surface-modified Carbon Nanotubes through a Soil Column

Transport af overflademodificeret kulstofnanorør gennem en Soil kolonne

Carbon nanotubes (CNTs) are widely manufactured nanoparticles, which are being utilized in a number of consumer products, such as sporting goods, ...

Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems

Kemiske haver som Flow-through Reactors simulere naturlig Hydrotermiske Systems

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment ...

Laboratory Production of Biofuels and Biochemicals from a Rapeseed Oil through Catalytic Cracking Conversion

Laboratorium Produktion af biobrændstoffer og biokemikalier fra en Rapsolie gennem Catalytic Cracking Conversion

The work is based on a reported study which investigates the processability of canola oil (bio-feed) in the presence of bitumen-derived heavy gas oil ...

Characterizing Electron Transport through Living Biofilms

Kendetegner elektron Transport gennem levende biofilm

Here we demonstrate the method of electrochemical gating used to characterize electrical conductivity of electrode-grown microbial biofilms under ...

From Molecules to Materials: Engineering New Ionic Liquid Crystals Through Halogen Bonding

Fra molekyler til materialer: Engineering nye ionisk væske krystaller gennem Halogen limning

Herein, we demonstrate that a bottom-up approach, based on halogen bonding (XB), can be successfully applied for the design of a new type of ionic liquid ...

Microfluidic Dry-spinning and Characterization of Regenerated Silk Fibroin Fibers

Mikrofluid tør-spinning og karakterisering af folier silke Fibroin fibre

The protocol demonstrates a method for mimicking the spinning process of silkworm. In the native spinning process, the contracting spinning duct enables ...

Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure

Opdigte høj viskositet Droplets bruger mikrofluid kapillær enhed med fase-inversion Co flow struktur

The generation of monodisperse droplets with high viscosity has always been a challenge in droplet microfluidics. Here, we demonstrate a phase-inversion ...

Microfluidic Preparation of Liquid Crystalline Elastomer Actuators

Mikrofluid fremstilling af flydende krystallinske Elastomer aktuatorer

This paper focuses on the microfluidic process (and its parameters) to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. The preparation ...

Negative Additive Manufacturing of Complex Shaped Boron Carbides

Negative tilsætningsstof fremstilling af komplekse formet Boron metalcarbider

Boron carbide (B4C) is one of the hardest materials in existence. However, this attractive property also limits its machineability into complex shapes for ...