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

המחברים מודים תמיכה כספית מFQRNT (Le Fonds קוויבק de la משוכלל ונדיר sur la טבע et les טכנולוגיות). המחברים מבקשים להודות לתמיכת הייעוץ של פרופ &#39;מרטין לווסק, פרופ&#39; שלי עלי אל Khakani וד&quot;ר Brahim עיסא.

1. המצאה של 3D Microfluidic רשתות <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ממסים את הדיו נמלט על 80 מעלות צלזיוס ולטעון אותו לתוך חבית מזרק 3 מיליליטר. הערה: הדיו הנמלט הוא תערובת בינארית של שעוות מייקרו וזלין עם שיעור משקל של 40:60. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר זרבובית בתצהיר בהתאם לקוטר החוט הרצוי (הקוטר למשל פנימי (ID) = 150 מיקרומטר). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התקן את הזרבובית על חבית המזרק המכילה את חומר הדיו ולעלות אותו על בעל המזרק של הרובוט מחלק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בתכנית Excel לעצב את נתיב העברתו של הרובוט מחלק לייצור של מבנה פיגום 3D הרצוי. הערה: ממדיו הכוללים של מבנה דיו 3D ומרווח &#39;סיבים בשכבת נתונה ניתן לתכנת בקלות, במקרה זה, את הממדים הם 60 מ&quot;מ אורך, 7.5 מ&quot;מ ברוחב, ו1.7 מ&quot;מ עובי עם 0.25 מ&quot;מ מרווח אופקי בין כל חוט להט. </li><li&gt; הגדר את הלחץ בתצהיר על וסת הלחץ ומהירות מחלק הרובוט. הערה: קוטר נימה הדיו הנמלט משתנה בהתאם לקוטר הנחיר, לחץ בתצהיר, צמיגות דיו ומהירות מחלק. כאן, קוטר החוט הוא ~ 150 מיקרומטר למהירות תצהיר של 4.7 מ&quot;מ / שנייה בלחץ שחול של 1.9 מגפ&quot;ס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התחל את הייצור של microscaffold עם התצהיר של הסיבים מבוססי דיו על מצע אפוקסי, מה שמוביל לדפוס 2D (איור 2 א). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להפקיד את השכבות לאחר מכן על ידי ברציפות להגדיל כל z-המיקום של פייה מחלק בסכום השווה לקוטר של החוטים (איור 2b). הערה: מבני 3D תמיכה עצמית בגיאומטריות אחרות ושכבות רבות (לדוגמא: כמה שכבות מאות) יכול להיות בנויה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערבבים את שני חלקי אפוקסי (כלומר השרף והמקשה) המשמש לאנקפסולציה ודגת epתערובת Oxy תחת ואקום במשך זמן מוגדר (כאן, 0.15 רף 30 דקות) כדי להסיר את הבועות שנלכדו במהלך הערבוב של רכיבי אפוקסי. שים לב: בפעם degassing עשויה להשתנות עם זמן ג &#39;של תערובת אפוקסי. למערכת אפוקסי שונה, זמן degassing הנדרש עשוי להיות קצר או ארוך יותר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את שרף אפוקסי לתוך חבית מזרק 3 מיליליטר באמצעות מתקן נוזל על ידי הפעלת לחץ שלילי ולאחר מכן לעלות זרבובית קנס (למשל ID = 0.51 מ&quot;מ) לתוך חבית המזרק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מקום טיפות של אפוקסי על מבנה הפיגום נוטה בקצה העליון שלה תוך שימוש באותו מתקן הנוזל ורכוב נחיר כדי למזער את הסיכון להשמנת בועה במהלך אנקפסולציה אפוקסי. הערה: אפוקסי אז זורם לתוך החללים הריקים בין חוטים, מונעים על ידי כוחות הכבידה ונימים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> המשך הצבת טיפות של אפוקסי על הפיגום עד החלל הריק בין חוטי פיגום מלא לחלוטין. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בואו EPO encapsulatingPrecure XY בטמפרטורת חדר למשך 24 שעות ולאחר מכן לשים את המבנה בתנור להודעה ריפוי-ב 60 ° C (איור 2 ג). הערה: לוח הזמנים של תרופה שונה עשויים להיות מיושמים למערכת אפוקסי שונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותכים את החלקים העודפים של אפוקסי באמצעות מסור דיוק לאחר ריפוי מלא. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקדוח שני חורים בשני קצוות של המבנה ולהכניס שני צינורות פלסטיק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את הדיו נמלט מהמבנה כדלקמן: <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שים את הדגימות בתנור בחום של C ° 90 ל30 דקות לעיבוי הדיו (איור 2). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> זמן קצר לאחר נטילת הדגימות מהתנור, לשטוף את רשת הערוץ עם השאיבה של מים מזוקקים חמים דרך הצינורות מחוברים לערוצים נפתחו למשך 5 דקות ואחריו הקסאן למשך 5 דקות נוספות. הערה: הסרת הדיו מניבה רשת microfluidic 3D ביניהם (איור 5). לאחר ניקוי של הרשתות באמצעות הקסאן מבוצע על מנת להסיר את possiעקבות שיורי ble של הדיו מקירות הערוץ. </li></ol></li></ol> 2. Nanocomposite הכנה הערה: nanocomposites מוכן על ידי ערבוב תרופה כפולה שרף תרמופלסטיים (אולטרה סגול / חום לריפוי), או שרף אפוקסי או שרף מבוסס urethane וnanofillers (כאן, צינורות פחמן אחת חומה) בעומסים שונים. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מוסיף את הכמות הרצויה של צינורות לפתרון של 0.1 מ&quot;מ של שטח (IX האבץ protoporphyrin) או באצטון או dichloromethane 14 (איור 6). הערה: כאן, 150 מ&quot;ג של CNTs התווסף לפתרון (~ 50 מיליליטר) על מנת להכין nanocomposite עם ריכוז Nanotube סופי של WT 0.5%. זה צריך להיות גם ציינו שהשימוש בממסי טמפרטורת רתיחה גבוהה כמו DMF יש להימנע בשל חום ריפוי אפשרי של UV-אפוקסי השתמש במחקר זה בטמפרטורות מעל 60 מעלות צלזיוס במהלך האידוי הממס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Sonicate suspension באמבטיה קולי ל30 דקות לdebundle מצרפי Nanotube (איור 6). הערה: מאמצים נוספים כגון סינון או ultracentrifugation של פתרון Nanotube צריכים להיעשות כדי להסיר את האשכולות גדולים שנותרו לפני הערבוב עם השרף. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערבבים את השרף (או אפוקסי או urethane) עם ההשעיה Nanotube לאורך צלחת חמה ערבוב מגנטי בטמפרטורה נמוכה מעט מטמפרטורת רתיחת הממס (למשל C ° 50 לפתרון אצטון) למשך 4 שעות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את תערובת nanocomposite לאמבטיה ultrasonication ובו זמנית חל sonication וחימום (40-50 ° C) במשך שעה 1 (איור 6). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בואו להתאדות ממס שיורי על ידי חימום nanocomposite ב30 מעלות צלזיוס במשך שעה 12 ולאחר מכן על 50 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות תחת ואקום (~ בר 0.1). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> גזירה לערבב את חומרי nanocomposite ידי העביר אותם דרך פער קטן בין הלחמניות במיקסר טחנה שלושה מתגלגלי ביורדוr לשבור אגרגטים Nanotube גדולים (איור 6). שמור על חלק של nanocomposite לפני שלושה מתגלגלי ערבוב לשם השוואה בתחילת מחקר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את הפרמטרים של שלושה רול ערבוב (כלומר פערים ומסתובב במהירות). הערה: כאן, מהירות קבועה של 250 סל&quot;ד משמשת לרול הסינר. עם זאת, הפערים בין הלחמניות מופחתים בעיבוד של שלושה שלבים כדלקמן: 5 עובר ב25 מיקרומטר, 5 עובר ב10 מיקרומטר, ו10 עובר ב5 מיקרומטר, בהתאמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> דגה התערובת הסופית תחת ואקום של ~ 0.1 רף 24 שעות באמצעות ייבוש להסיר בועות האוויר שנלכדו במהלך הערבוב. </li></ol> 3. Nanocomposite הסתננות (הזרקה) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את nanocomposites, שהוכן בסעיף 2, לתוך חבית מזרק 3 מיליליטר באמצעות מנפק הנוזל על ידי הפעלת לחץ שלילי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס זרבובית קנס (למשל ID = 0.51 מ&quot;מ) שמתאימה לצינורות הפלסטיק המחוברים לערוצים נפתחו (אותו צינורות משמשיםלהסרת הדיו) ולעגן אותה לתוך חבית המזרק המכילה את חומרי nanocomposite. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את הלחץ הרצוי (כלומר לחץ חיובי) במתקן בלחץ. הערה: הנה, את לחץ הזרקת nanocomposite מוגדר ב400 kPa. הערה: ואקום (לחץ שלילי כלומר) יכול להיות מיושם על הצד השני (כלומר צד יציאה) כדי לסייע למילוי הרשת. ברגע שהלחץ מוחל, רשת microfluidic, שנבנתה בשנת 1 לפרוטוקול, מתמלאת על ידי השעיה nanocomposite, שנכנסה לרשת דרך צינורות הפלסטיק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> זמן קצר לאחר ההזרקה, לחשוף את הקורות מרוכבים מלא nanocomposite לתאורת UV של מנורת UV למשך 30 דקות לprecuring. שים לב: הוא חשב פעולת precuring זה כדי להפחית את ההשפעה של תנועה הבראונית על הנטייה האפשרית CNTs. זה גם מקטין את הצטמקות מושרה בחום (איור 7) </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פוסט לרפא את הקורות מיוצרות בתנורב, במקרה של UV-אפוקסי, 80 מעלות צלזיוס במשך שעה 1 ואחריו 130 מעלות צלזיוס במשך עוד שעה 1 (איור 7). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותכים את חלקי אפוקסי העודפים באמצעות מסור ולאחר מכן ללטש את הקורות לממדים הרצויים (כאן, ~ 60 מ&quot;מ אורך, ~ 6.8 מ&quot;מ ברוחב, ו~ 1.6 מ&quot;מ בעובי של הקורות יוצרו על מנת להקל על אפיון מכאני). </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>

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

הליך הניסוי שהוצג כאן הוא שיטת ייצור חדשה וגמישה כדי להתאים את הביצועים מכאניים של חומרים מבוססי פולימרים למטרות עיצוב חומר. באמצעות שיטה זו, ניתן להשיג תכונות הרצויות המבוססות על הבחירה הנכונה של רכיבים (חומרים הסתננו כלומר מטריצה ​​ועיקרית), כמו גם הנדסת המבנים מרוכבים. ראשית, הטכניקה מאפשרת ייצור של חומר אחד, מורכב מפולימרי תרמופלסטיים שונים, המייצג את תכונת טמפרטורה תלויה ייחודית אשר שונה מאלו של הרכיבים bulks 15. יתרון נוסף של השיטה הנוכחית על טכניקות ייצור nanocomposite אחרות שבי nanofillers מופץ באופן אחיד דרך כל המטריצה ​​הוא היכולת להציב מרחבית החיזוקים במקומות רצויים בקורות מרוכבים מחוזק 3D אלה. בשל יכולת מיצוב זה, כמות נמוכה יותר של ננו אולי היקריש צורך בחומרים מילוי להשיג 13 ביצועים מכאניים ספציפיים. מאז דפוס החיזוק מציית ישירה הכתיבה המקורית של פיגום הדיו, הריווח &#39;הסיבים בשכבה נתון מוגבל לכעשר פעמים קוטר חוטי דיו בשל מאפייני viscoelastic של הדיו הנמלט. מצד השני, מרווח קטן עלול להגביל את הזרימה של אפוקסי הנוזלי במהלך שלב אנקפסולציה אפוקסי. יתר על כן, בקוטר של נימה הדיו צריך להיות גדול מספיק (למשל, מעל 50 מיקרומטר), כדי להקל על ייצור (לדוגמא חול של דיו צמיג גבוה) וצעדי ייצור הבאים כגון חדירת nanocomposite לרשתות microfluidic. פוטנציאל נוסף של השיטה הנוכחית עשוי להיות היכולת של יישור CNTs הפרט או nanofillers אחר בכיוון הזרימה בזרימת גזירה 16 ידי חדירת nanocomposite במהירויות / לחצים גבוהים יותר, אם nanofillers היטבפיזור בבמהלך תהליך nanocomposite ערבוב. עם זאת, רמה גבוהה של יישור יכולה להיות מושגת רק בלחצים גבוהים מאוד חדירות (בשל קוטר ערוץ קטן), שעלול לגרום ללכידת אוויר ברשת בזמן החדירה. תמונות אופטיות נציג באיור 6 מראות nanocomposites שהוכן על ידי הליך הערבוב שהוצג בפרוטוקול 2 (שתי תמונות בחלק התחתון של הדמות). הכתמים הכהים שנצפו נחשבים אגרגטים Nanotube. לnanocomposite ultrasonicated, אגרגטים בגודל מיקרון בקוטר של עד ~ 7 מיקרומטר נמצאים תוך שינוי דרסטי של הגודל של המצרפים (עם ממוצע של ~ 1 מיקרומטר) הוא ציין לnanocomposite הגזירה מעורבת. מאז פיזור nanofiller משפיע על התכונות מכאניות וחשמליות של קורות nanocomposite 3D מיוצרים, פיזור משופר צריך להיות מושגת לקחת את מלוא היתרונות של מיקום 3D של נאןofillers באמצעות טכניקת הייצור הנוכחית. לכן, יש צורך במחקר נוסף כדי לחקור באופן שיטתי מדינות הפיזור של צינוריות ושימוש בnanofillers האחר, אשר יכול להיות מפוזר בקלות רבה יותר בתוך מטריצת אפוקסי. טכניקת הייצור הנוכחית עשויה לאפשר העיצוב של מוצרי nanocomposite 3D פונקציונליים ליישום microengineering 17. הטכניקה אינה מוגבלת לחומרים המשמשים במחקר זה. לכן, היישום של טכניקה זו ניתן יהיה להאריכו על ידי הניצול של חומרי תרמוסטית אחרים וnanofillers. בין מספר יישומים, ניטור בריאות מבני, מוצרי ספיגת רעידות והמיקרואלקטרוניקה יכול להיות מוזכרת.

nanocomposites פולימרים באמצעות ננו, במיוחד צינורות פחמן (CNTs) שולב מטריצות פולימר כוללים מאפיינים רב תכליתיים 1 עבור יישומים פוטנציאליים כגון חומרים מרוכבים מבניים 2, מערכות מייקרו 3 (למשל microsensors), ופולימרים חכמים 4. כמה מדרגות עיבוד הכוללים טיפול CNT וnanocomposite ערבוב שיטות עשויות להידרש desirably לפזר CNTs לתוך המטריצה. מאז יחס הממדים &#39;CNTs, טיפול המדינה ובשטח הפיזור שלהם בעיקר להשפיע על הביצועים החשמליים ומכאניים, הליך עיבוד nanocomposite עשוי להשתנות תלוי בתכונות הרצויות ליישום 5 ממוקד. יתר על כן, לתנאי העמסה ספציפיים, יישור CNTs לאורך כיוון רצוי וגם מיצוב החיזוקים במקומות רצויים לאפשר שיפור נוסף של התכונות מכאניות ו / או חשמליות של אלה nanocomposites. כמה טכניקות כגון זרימת הגזירה 6-7 ושדות אלקטרומגנטיים 8 כבר בשימוש כדי ליישר את CNTs לאורך כיוון רצוי במטריצת פולימר. יתר על כן, הנטייה CNT הנגרמת על ידי מגביל ממדי, במיוחד בחד ממד (1D) ושני מימדים (2D), נצפה במהלך העיבוד / יוצרים של חומרי nanocomposite 9-11. עם זאת, התפתחויות חדשות בתהליכי הייצור יש צורך עדיין כדי לאפשר שליטה מספקת של הנטייה תלת ממדי (3D) ו / או מיקום של חיזוק Nanotube במהלך הייצור של מוצר לתנאים אופטימליים. במאמר זה, אנו מציגים פרוטוקול לייצור קורות מרוכבים מחוזק 3D באמצעות חדירה מכוונת והמקומית של רשת microfluidic 3D עם השעיות nanocomposite הפולימר (איור 1). ראשית, הייצור של 3D מחובר microfluidicהרשת באה לידי ביטוי, הכוללת את הייצור הישיר לכתוב של סיבי דיו הנמלט 12-13 על מצעי אפוקסי (2a דמויות ו2b), ואחריו אנקפסולציה אפוקסי (איור 2 ג) והסרת הקרבת דיו (איור 2). השיטה ישירה לכתוב מורכבת מרובוט מבוקר מחשב שזז מנפק נוזל לאורך x, y, z וגרזנים (איור 3). טכניקה זו מספקת דרך מהירה וגמישה לפברק microdevices 3D עבור פוטוניים, MEMS ויישומי ביוטכנולוגיה (איור 4). לאחר מכן, הכנת nanocomposite הוא הוכיח, יחד עם החדירה שלה (או הזרקה) לרשת נקבובית תחת לחצים מבוקרים וקבועים שונים לייצור חומרים מרוכבים מחוזק 3D multiscale (2e דמויות ו2F). לבסוף, כמה תוצאות נציג יחד עם היישומים הפוטנציאליים שלהם מוצגות.

<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

קורות מרוכבים microstructured חיזקו עם מורכב בתלת ממד (3D) סיבים מיקרוסקופים nanocomposite דוגמת מיוצרים באמצעות חדירת nanocomposite של 3D מחובר רשתות microfluidic. הייצור של הקורות חיזוק מתחיל בייצור של רשתות microfluidic, הכולל תצהיר שכבה אחר שכבה של סיבי דיו נמלטים באמצעות רובוט מחלק, ממלא את החלל הריק שבין חוטים באמצעות שרף צמיגות נמוך, ריפוי השרף ולבסוף הסרת דיו. מבני 3D הנתמכים עצמיים בגיאומטריות אחרות ושכבות רבות (לדוגמא: כמה שכבות מאות) יכולים להיות בנויים בשיטה זו. אז רשתות microfluidic צינורי וכתוצאה מכך הם הסתננו עם השעיות nanocomposite תרמופלסטיים המכילות nanofillers (למשל צינורות פחמן אחת חומה), ולאחר מכן נרפאו. ההסתננות נעשית על ידי יישום הדרגתי בלחץ בין שני קצוות של n הריקetwork (בין אם על ידי הפעלת ואקום או microinjection בסיוע ואקום). לפני החדירה, השעיות nanocomposite מוכנות על ידי פיזור nanofillers למטריצות פולימר באמצעות ultrasonication ושלושה מתגלגלי ערבוב שיטות. Nanocomposites (כלומר החומרים שחדר) אז התגבש תחת תרופת חשיפת UV / חום, וכתוצאה מכך מבנה מורכב חיזק-3D. הטכניקה המוצגת כאן מאפשרת את התכנון של מוצרים מקרוסקופית nanocomposite פונקציונליים ליישומי microengineering כגון מפעילים וחיישנים.

8a דמויות ו8b מראה תמונה מייצגת של קורות מיוצרות ותמונה אופטית של החתך שלה, בהיקף של תשע שכבות של סיבי nanocomposite. 8C הדמויות ו8D להראות תמונות טיפוסיות SEM של פני השטח שבר מיוצר קורות ותמונה בהגדלה גבוהה יותר של ערוצים מלאים (כלומר microfibers nanocomposite המוטבע), בהתאמה. מאחר שלא debonding נתפסת בקיר הערוצים, זה הוגן לומר כי אפוקסי שמסביב והחומרים הסתננו הם דבקו גם כתוצאה מניקוי הנכון של הערוצים עם הקסאן לאחר הסרת הדיו. איור 9 מראה תמונה אופטית נציג של קרן נשברה במהלך הבדיקה מכאנית שבי הקסאן אינו משמש במהלך הסרת הדיו. debonding סיבים, כתוצאה מממשק מכאני עני הוא ציינה שייתכן שדבר נובעעקבות דיו נמלטים נותרו לאחר ניקוי רשת. איור 10 מציג את מודול האחסון, E &#39;, של דגימות יצוקות אפוקסי בתפזורת (כמו מבחני ביצועים) והקורות מחוזקים 3D. התוצאות מראות מגמות ייחודיות לקורות מיוצרות בו הם השילוב של מוטבע וחומרי אפוקסי שמסביב עם מאפיינים מעולים עם הנוכחות של רק ~ WT 0.18. CNTs%. איור 11 מציג את תוצאות בדיקת כיפוף שלוש נקודות של הקורות מרוכבים מיוצרות באמצעות DMA. כתוצאה ממיצוב CNTs, מודול לכפיפה של 3D חיזק קורות הראו גידול של 34% בהשוואה ל( אפוקסי השלם) הטהור חדר אפוקסי קורות. <img alt="איור 1" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig1highres.jpg" width="500" /> איור 1. ייצוג סכמטי של 3D-rnanocomposite einforced מיוצר על ידי גישת microinfiltration. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig1highres.jpg" target="_blank">לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</a> <img alt="איור 2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig2highres.jpg" width="500" /> איור 2. ייצוג סכמטי של הייצור של קורות מתכת 3D. (א) בתצהיר ישיר נימה דיו באמצעות רובוט מחלק, (ב) בתצהיר של מספר שכבות על גב אחד את השני על ידי הגדלת זרבובית הניפוק בכיוון-z, (ג ) ממלא את החלל הנקבובית בין סיבים באמצעות שרף צמיגות נמוך, (ד) אם ניקח את הדיו אל מחוץ לרשת על ידי עיבוי שלה, וכתוצאה מכך הייצור של ערוצי microfluidic. (ה) מילוי הרשת הריקה עםההשעיה nanocomposite אחרי ריפוי, ו( ​​ו) חיתוך חלקי אפוקסי העודפים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig2highres.jpg" target="_blank">לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</a> <img alt="איור 3" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig3highres.jpg" width="500" /> איור 3. תמונה של הבמה בתצהיר רובוטית בהיקף של רובוט מבוקר מחשב, מנגנון ניפוק, ומצלמה בשידור חי. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig3highres.jpg" target="_blank">לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</a> <img alt="איור 4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig4highres.jpg" width="500" /> איור 4. כמה תמונות של microstructures מיוצרות על ידי עאסם הישיר לכתובבליי. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig4highres.jpg" target="_blank">לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</a> <img alt="איור 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig5highres.jpg" width="500" /> איור 5. מבט איזומטרי ותמונת SEM הרשת הריקה microfluidic מחובר-3D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig5highres.jpg" target="_blank">לחצו כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</a> <img alt="איור 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig6highres.jpg" width="500" /> איור 6. Nanocomposite ערבוב אסטרטגיות כוללים functionalization Nanotube noncovalent, ultrasonication, ו / או ערבוב טחנה שלושה מתגלגלי אשר להוביל Nanotube תפוצות עם איכויות שונות (תמונות אופטיות של סרטי nanocomposite). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig6highres.jpg" target="_blank">לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</a> <img alt="איור 7" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig7highres.jpg" width="500" /> איור 7. Nanocomposite ריפוי תחת תאורת UV של UV-מנורה ואחריו לאחר ריפוי בתנור. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig7highres.jpg" target="_blank">לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</a> <img alt="איור 8" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig8highres.jpg" width="500" /> איור 8. (א) אני sometric תמונה של קרן חיזקה-3D, (ב) חתך אופייני של קרן הזריק nanocomposite, (ג) תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק בר משטח קורה, ו( <stron<html> g&gt; ד) תקריב של (ג). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig8highres.jpg" target="_blank">לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</a> <img alt="איור 9" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig9highres.jpg" width="500" /> איור 9. תמונת פני השטח של שבר הקורה הסתנן nanocomposite פוליאוריטן. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig9highres.jpg" target="_blank">לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</a> <img alt="איור 10" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig10highres.jpg" width="500" /> איור 10 נכסים. טמפרטורה תלויה מכאניים (מודול אחסון) של אפוקסי בתפזורת והקורות מיוצרות באמצעות מנתח מכאני דינמי./ &quot;= היעד&quot; _blank www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig10highres.jpg &quot;&gt; לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר. <img alt="איור 11" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig11highres.jpg" width="500" /> איור 11. מאפיינים מעין סטטי מכאניים (כפיפה) של אפוקסי בתפזורת וקורות מיוצרות (מבחן כיפוף שלוש נקודות). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig11highres.jpg" target="_blank">לחצו כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</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

קורות תלת ממדי (3D) microstructured מרוכבים מיוצרים באמצעות החדירה המכוונת והמקומית של nanocomposites לרשתות microfluidic נקבוביים 3D. הגמישות של שיטת ייצור זו מאפשרת הניצול של חומרי תרמופלסטיים שונים וnanofillers כדי להשיג מגוון רחב של מוצרי nanocomposite חיזקו 3D הפונקציונלי מקרוסקופית.

ייצור של Nanocomposites microstructured תלת ממדי באמצעות Microfluidic הסתננות

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

הכנה של חלקיקי סיליקה באמצעות חומצה קטליזה בסיוע מיקרוגל

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

הובלה של פחמן-שונה Surface דרך טור קרקע

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

כימית גנים כזרימה דרך מערכות הידרותרמיות טבעיות כורי מדמה

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

הפקת מעבדה של דלק ביולוגי ביוכימיים מתוך שמן לפתית באמצעות מרת פיצוח קטליטי

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

אפיון תחבורה אלקטרון דרך חיים Biofilms

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

ממולקולות חומרים: הנדסה בגבישים נוזליים יוניים חדש דרך הלוגן מליטה

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

Microfluidic יבש-ספינינג ואפיון של סיבי Fibroin משי מחדש

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

בדיית טיפות צמיגות גבוהה באמצעות המכשיר נימי Microfluidic עם שלב-היפוך זרימה ושיתוף מבנה

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

Microfluidic הכנת Elastomer גבישי נוזלי מפעילים

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

הייצור מוספים שלילי של קומפלקס בצורת Carbides בורון

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