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 erkjenner økonomisk støtte fra FQRNT (Le Fonds Québéc de la Recherche sur la nature et les Technologies). Forfatterne ønsker å takke rådgivning støtte av professor Martin Levesque, Prof My Ali El Khakani og Dr. Brahim Aissa.

En. Fabrikasjon av 3D Microfluidic Networks <ol><li> Smelt rømling blekk ved 80 ° C og legger det inn i en 3 ml sprøyte fat. Merk: rømling blekk er en binær blanding av en mikrokrystallinsk voks og en vaselin med en vekt andel 40:60. </li><li> Velg en avsetning dyse, avhengig av filamentdiameter ønsket (f.eks indre diameter (ID) = 150 pm). </li><li> Monter dysen på sprøytesylinderen som inneholder blekket materiale og montere den på sprøyten innehaveren av utleverings robot. </li><li> Bruk en Excel-program for å utforme den bevegelige banen av utleverings robot for fremstilling av den ønskede 3D stillaset struktur. Merk: De generelle dimensjoner av 3D blekk struktur og filamenter &#39;avstand i et gitt lag kan enkelt programmeres, i dette tilfellet, dimensjonene er 60 mm i lengde, 7,5 mm i bredde og 1,7 mm i tykkelse med 0,25 mm horisontal avstand mellom hvert filament. </li><li&gt; Sett deponering press på trykkregulatoren og roboten utlevering hastighet. Merk: rømling blekk filament diameter varierer avhengig av diameter munnstykket, deponering press, blekk viskositet og utlevering hastighet. Her er diameteren filament ~ 150 mikrometer for en avsetning hastighet på 4,7 mm / sek ved en ekstruderings trykk på 1,9 MPa. </li><li> Begynn fabrikasjonen av microscaffold med avsetting av blekkbaserte filamenter på en epoksy-substrat, noe som fører til et 2D-mønster (fig. 2a). </li><li> Innskudd de etterfølgende lag ved suksessivt å inkrementere den z-posisjonen av utleveringsmunnstykket ved en mengde som er lik diameteren av filamentene (figur 2b). Merk: Selv støttet 3D-strukturer med andre geometrier og mange lag (f.eks et par flere hundre lag) kan bygges. </li><li> Bland de to delene av epoksy (dvs. harpiks og herder) som benyttes for innkapsling og avgasse epoxy blandingen under vakuum i en definert tid (her, 0,15 bar i 30 minutter) for å fjerne bobler fanget under blanding av epoksy-komponenter. Merk: avgassingstiden kan variere med geltid av epoxy blanding. For en annen epoksy-system, kan den nødvendige avgassingstiden være kortere eller lengre. </li><li> Laste epoksyharpiksen til en 3 ml sprøytesylinderen ved hjelp av en fluid-dispenser ved å bruke et negativt trykk, og deretter montere en fin dyse (for eksempel ID = 0,51 mm) inn i sprøytesylinderen. </li><li> Place dråper av epoxy over tilbøyelig stillaset strukturen ved sin øvre ende ved hjelp av det samme fluiddispenser og montert munnstykke for å minske risikoen for boble overlapping under epoxy innkapsling. Merk: epoxy deretter renner inn tomrommene mellom filamenter, drevet av tyngdekraften og kapillære krefter. </li><li> Fortsett å plassere dråper epoxy over stillaset til den tomme plassen mellom stillaset filamenter er helt fylt. </li><li> La innkapsle epoxy Precure ved romtemperatur i 24 timer og deretter sette strukturen i en ovn for etterherding ved 60 ° C (figur 2c). Merk: En annen kur tidsplan kan søkes om en annen epoxy system. </li><li> Skjær de overflødige deler av epoxy ved hjelp av en presisjon sag etter fullstendig herding. </li><li> Bor to hull på begge endene av struktur og sette inn to plastrør. </li><li> Fjern det diffuse blekk fra strukturen som følgende: <ol><li> Sett prøvene i en ovn ved 90 ° C i 30 min for blekket flytendegjøring (figur 2d). </li><li> Kort tid etter å ha tatt prøven ut av ovnen, vaskes kanalnett med suge med varmt destillert vann gjennom rørene er festet til de åpne kanaler i 5 min, etterfulgt av heksan for ytterligere 5 min. Merk: Blekket fjerning gir en sammenhengende 3D ​​microfluidic nettverk (figur 5). Post-rensing av nettene ved hjelp av heksan blir utført for å fjerne evenBLE gjenværende rester av blekk fra kanalveggene. </li></ol></li></ol> 2. Nanocomposite Forberedelse Merk: De nanocomposites er forberedt ved å blande en dobbel kur (ultrafiolett / varme kureres) harpiks, enten en epoksyharpiks eller en uretan basert harpiks og nanofillers (her, single-vegger karbon nanorør) ved ulike belastninger. <ol><li> Til den ønskede mengde av nanorør til en oppløsning av 0,1 mM av et overflateaktivt middel (sink protoporfyrin IX) enten i aceton eller i diklormetan 14 (figur 6). Merk: Her ble 150 mg av CNTs tilsatt til løsningen (~ 50 ml) for å fremstille en nanokompositt med en endelig nanorør konsentrasjon på 0,5 vekt-%. Det bør også nevnes at bruken av høye koketemperatur oppløsningsmidler som DMF bør unngås på grunn av mulig varme-herding av den UV-epoxy brukt i denne studien ved temperaturer over 60 ° C i løpet av oppløsningsmidlet fordamper. </li><li> Sonicate suspension i et ultralydbad i 30 min til debundle nanorør aggregater (figur 6). MERK: Ytterligere tiltak som for eksempel filtrering eller ultrasentrifugering av nanorør oppløsningen bør gjøres for å fjerne de gjenværende store klaser før blanding med harpiksen. </li><li> Bland-harpiks (enten epoksy-eller uretan) med nanorør suspensjonen over en magnetisk rørevarmeplate med en temperatur litt under det løsningsmiddel koketemperatur (for eksempel 50 ° C i aceton-løsning) i 4 timer. </li><li> Plasser nanocomposite blandingen i ultrasonication bad og samtidig anvende sonikering og oppvarming (40-50 ° C) i 1 time (figur 6). </li><li> La den gjenværende løsningsmiddel fordamper ved oppvarming av nanokompositt ved 30 ° C i 12 timer og deretter ved 50 ° C i 24 timer under vakuum (~ 0,1 bar). </li><li> Skjær blande de nanocomposite materialer ved å føre dem gjennom et lite gap mellom valsene i en tre-valsemølle blande in order å bryte store nanorør aggregater (figur 6). Før en del av nanocomposite før tre-rull blanding i referanse sammenligning. </li><li> Sett de tre kast miksing parametre (dvs. hull og roterende hastighet). Merk: Her blir en konstant hastighet på 250 rpm som brukes for forkle rull. Imidlertid er avstanden mellom ruller ned i tre-trinns behandling som følger: 5 går ved 25 mikrometer, 5 går på 10 mikrometer, og 10 passerer på 5 mikrometer, henholdsvis. </li><li> Avgasse endelige blandingen under vakuum på ~ 0,1 bar i 24 timer ved hjelp av en eksikator for å fjerne luftbobler fanges under blandingen. </li></ol> Tre. Nanocomposite Infiltrasjon (Injection) <ol><li> Laste nanocomposites, utarbeidet i kapittel 2, i en 3 ml sprøyte fat ved hjelp av væskebeholderen ved å bruke et negativt press. </li><li> Sett inn en fin dyse (f.eks ID = 0,51 mm) som passer inn i plastrørene som er knyttet til de åpnede kanaler (samme rør som brukesfor blekkfjerning) og montere den i sprøytesylinderen som inneholder nanocomposite materialer. </li><li> Innstilling av ønsket trykk (det vil si positivt trykk) på trykkdispenser. Merk: Her blir nanocomposite innsprøytningstrykk satt til 400 kPa. Merk: Et vakuum (dvs. undertrykk) kunne benyttes på den andre enden (dvs. utløpsside) for å hjelpe til nettverket fylling. Når trykket påføres, microfluidic nettverk, bygget i protokoll 1, er fylt med nanocomposite suspensjon, som kommer inn i nettverket gjennom plastrørene. </li><li> Kort etter injeksjon, eksponere nanocomposite fylte komposittbjelker for UV-belysning av en UV-lampe i 30 minutter for precuring. Merk: Denne precuring operasjonen er tenkt å redusere effekten av Brownske bevegelser på CNTs mulig orientering. Det reduserer også den varmeinduserte krympning (figur 7) </li><li> Post-kurere de produserte bjelker i ovnenat, i tilfelle av UV-epoxy, 80 ° C i 1 time etterfulgt av 130 ° C i ytterligere 1 time (figur 7). </li><li> Kutt de overskytende deler ved hjelp av en epoxy-sagen og deretter polerer bjelkene til de ønskede mål (her, ~ 60 mm i lengde, ~ 6,8 mm i bredden, og ~ 1,6 mm i tykkelse av strålene ble fremstilt for å 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 erklært.

Den eksperimentelle fremgangsmåten presentert her er en ny og fleksibel produksjon fremgangsmåte for å skreddersy mekanisk utførelse av polymerbaserte materialer for material designen. Ved hjelp av denne metoden, kan ønskede egenskaper oppnås basert på det riktige valg av komponenter (dvs. infiltrert materialer og hoved matrise) så vel som å konstruere de sammensatte konstruksjoner. For det første gjør det mulig teknikk for fremstilling av et enkelt materiale, sammensatt av forskjellige termoherdende polymerer, som representerer et unikt temperaturavhengig funksjon som er forskjellig fra de av komponentene bulks 15. En annen fordel ved den foreliggende teknikk i forhold til andre nanocomposite fabrikasjonsteknikker hvorved nanofillers er jevnt fordelt gjennom hele matriksen, er muligheten til å romlig plassere armeringer på ønskede steder i disse 3D-armert komposittbjelker. På grunn av denne posisjoneringsevne, en lavere mengde av eventuelt kostbare nanofyllstoffer som er nødvendig for å oppnå en spesifikk mekanisk ytelse 13.. Siden armeringsmønsteret adlyder den opprinnelige direkte skriving av blekk stillaset, er filamenter &#39;mellomrom i et gitt lag begrenset til omtrent ti ganger blekkfilamenter diameter på grunn av de viskoelastiske egenskapene til det diffuse blekk. På den annen side kan en liten avstand begrense strømmen av flytende epoxy under epoxy innkapsling trinn. Videre bør blekket filament diameter være stort nok (f.eks over 50 mikrometer) for enkel fremstilling (for eksempel ekstrudering av høy viskøst blekk) og etterfølgende produksjonstrinn som nanocomposite infiltrering inn i microfluidic nettverk. En annen mulig ved den foreliggende fremgangsmåte kan være evnen til å justere de individuelle CNTs eller andre nanofillers i strømningsretningen under skjæring strømmen 16 ved hjelp av nanokompositt infiltrering ved høyere turtall / trykk, hvis nanofillers er godt-Dispergert i løpet av nanocomposite blandeprosessen. Imidlertid, kan en høy grad av innretting bare oppnås ved meget høye infiltrasjons trykk (på grunn av små kanaldiameter), som kan føre til luftbobler i nettverket under infiltrering. Representative optiske bilder i figur 6 viser nanocomposites fremstilt ved blandefremgangsmåten presentert i protokoll 2 (to bilder på bunnen av figuren). De observerte mørke flekker er tenkt å være nanorør aggregater. For ultrasonicated nanokompositt, den mikron-størrelse aggregater med en diameter på opp til ~ 7 mikrometer er tilstede, mens en drastisk forandring av størrelsen på aggregatene (med et gjennomsnitt på ~ 1 mikrometer) er observert for skjærblandet nanokompositt. Siden nanofiller dispersjon påvirker de mekaniske og elektriske egenskaper av de produserte 3D nanocomposite bjelker, bør en forbedret dispersjon oppnås for å dra den fulle fordel av 3D plassering av nanofillers ved hjelp av den foreliggende produksjonsteknikk. Derfor er en ytterligere studie for å undersøke systematisk sprednings tilstander av nanorør og bruk av andre nanofillers, som kan være lettere dispergert i epoksy-grunnmasse. Den nåværende produksjonsteknikken kan gjøre det mulig utforming av funksjonelle 3D nanocomposite produkter for Microengineering program 17. Teknikken er ikke begrenset til de materialene som brukes i denne studien. Derfor kan bruk av denne teknikken bli utvidet ved utnyttelse av andre herdeplast materialer og nanofillers. Blant flere programmer, kan strukturelle helseovervåking, vibrasjonsabsorbering produkter og mikroelektronikk nevnes.

Polymer nanocomposites bruker nanomaterialer, særlig karbon nanorør (CNTs) innlemmet i polymer matriser har multifunksjonelle egenskaper en for potensielle applikasjoner som strukturelle kompositter 2, mikroelektromekaniske systemer 3 (f.eks micro), og smarte polymerer fire. Flere prosesstrinn, inkludert behandling og CNT nanocomposite blandemetoder kan være nødvendig for å dispergere fortrinn CNTs inn i matrisen. Siden CNTs &#39;sideforhold, deres spredning staten og overflatebehandling hovedsakelig påvirke den elektriske og mekaniske ytelsen, kan nanocomposite behandlingsprosedyre variere avhengig av ønskede egenskaper for et målrettet program fem. Dessuten, for bestemte belastningsforhold, rette CNTs langs en ønsket retning, og også å anbringe de forsterkninger på ønskede steder muliggjøre ytterligere forbedring av de mekaniske og / eller elektriske egenskaper for disse nanocomposites. Noen teknikker som for eksempel skjærflyt 6-7 og elektromagnetiske felt 8 er benyttet for å justere CNTs langs en ​​ønsket retning i en polymer matriks. Videre CNT orientering indusert av dimensjonale begrensende, spesielt i ett-dimensjon (1D) og to-dimensjon (2D), har blitt observert under behandling / forming av nanocomposite materialer 9-11. Imidlertid, er nye fremskritt på de produksjonsprosesser fremdeles nødvendig for å tillate tilstrekkelig kontroll av de tre-dimensjonale (3D) orientering og / eller posisjonering av nanorør forsterkning under fremstillingen av et produkt for optimale betingelser. I denne artikkelen presenterer vi en protokoll for produksjon av 3D-forsterkede komposittbjelker via regissert og lokaliserte infiltrasjon av en 3D microfluidic nettverk med polymer nanocomposite suspensjoner (Figur 1). Først ved fremstilling av en 3D koplet mikrofluidNettverket er vist, som omfatter en direkte-skriver fremstilling av de flyktige blekk filamentene 12-13 på epoksy-substrater (figur 2a og 2b), etterfulgt av epoksy-innkapsling (figur 2c) og offerblekkfjerning (figur 2d). Den direkte-skrive-metoden består av en datastyrt robot som beveger en fluiddispenser langs x-, y-og z-aksene (fig. 3). Denne teknikken gir en rask og fleksibel måte å dikte 3D Microdevices for fotoniske, MEMS og bioteknologi (figur 4). Deretter blir nanokompositt preparatet demonstrert, sammen med dens infiltrering (eller injeksjon) inn i den porøse nettverk under forskjellige kontrollerte og konstant trykk for å produsere 3D-armerte kompositter Multiskala (fig. 2e og 2f). Endelig er noen representative resultater sammen med sine potensielle bruksområder 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

Microstructured komposittbjelker forsterket med komplekse tredimensjonalt (3D) mønstrede nanokompositte microfilaments er fabrikkert via nanocomposite infiltrasjon av 3D koblet microfluidic nettverk. Produksjonen av de forsterkede bjelker begynner med fremstillingen av microfluidic nett, som omfatter lag-for-lag avsetning av flyktige blekkfilamenter ved hjelp av en dispenseringsrobot, fylle det tomme rom mellom filamentene ved hjelp av en harpiks med lav viskositet, herding av harpiksen, og til slutt å fjerne blekk. Selv støttet 3D-strukturer med andre geometrier og mange lag (f.eks et par flere hundre lag) kan bygges ved hjelp av denne metoden. De resulterende rørformede microfluidic nettverk er så infiltrert med thermo nanocomposite suspensjoner som inneholder nanofillers (f.eks single-vegger karbon nanorør), og senere kurert. Den infiltrering skjer ved påføring av en trykkgradient mellom to ender av det tomme network (enten ved å bruke en vakuum-eller vakuum-assistert mikroinjeksjon). Forut for infiltrering, er nanocomposite suspensjoner fremstilt ved å dispergere nanofillers inn i polymergrunnmasser ved hjelp ultrasonication og tre-rull blandemetoder. De nanocomposites (dvs. materialer infiltrert) blir så størknet under UV eksponering / varmeherding, noe som resulterer i en 3D-armert komposittstruktur. Den teknikk som presenteres her muliggjør utformingen av funksjonelle nanocomposite makroskopiske produkter for Microengineering applikasjoner som aktuatorer og sensorer.

Figurene 8a og 8b viser et representativt bilde av ferdige bjelker og et optisk bilde av sitt tverrsnitt, som består av ni lag av nanocomposite filamenter. Tall 8c og 8d viser typiske SEM bilder av en produsert bjelker bruddflaten og en høyere forstørrelse av fylte kanaler (dvs. innebygde nanokompositte mikrofiber), henholdsvis. Siden ingen debonding ses på kanalene veggen, er det rimelig å si at det omkringliggende epoksy og infiltrert materialer er vel holdt som et resultat av riktig rengjøring av kanaler med heksan etter blekkfjerning. Fig. 9 viser en representativ optisk bilde av en stråle brytes under mekanisk testing hvori heksan brukes ikke under blekkfjerning. Fiber debonding, som et resultat av dårlig mekanisk grensesnitt er observert som kan være på grunndiffuse blekk spor igjen etter nettverk rengjøring. Figur 10 viser lagringsmodul, E &#39;, av de støpte masse epoxy prøver (som referanseverdier) og 3D-forsterkede bjelker. Resultatene viser unike tendenser for de ferdige bjelker som er en kombinasjon av den innebygde og omkringliggende epoxymaterialer med overlegne egenskaper med tilstedeværelse av bare ~ 0,18 wt. % CNTs. Figur 11 viser de tre-punkts bøying testresultater av de produserte sammensatte bjelker ved hjelp av en DMA. Som et resultat av CNTs posisjonering, bøyemodul på 3D-forsterkede bjelker viste en økning på 34% sammenlignet med den rene epoksy-infiltrert (hele epoxy)-overføringer. <img alt="Figur 1" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig1highres.jpg" width="500" /> Figur 1. Skjematisk fremstilling av en 3D-reinforced nanokompositt produsert av microinfiltration tilnærming. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig1highres.jpg" target="_blank">Klikk her for å se større bilde.</a> <img alt="Fig. 2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig2highres.jpg" width="500" /> Figur 2. Skjematisk fremstilling av produksjon av 3D-armerte bjelker. (A) Ink filament direkte avsetning ved hjelp av en dispenseringsrobot, (b) Påføring av flere lag oppå hverandre ved inkrementering utmatningsdysen i z-retning, (c ) Fylling av pore-rommet mellom filamentene ved hjelp av en lettflytende harpiks, (d) Ved å ta blekket ut av nettverket ved sin flytendegjøring, som resulterer i fremstillingen av microfluidic kanaler. (E) fylling av tomme nettverk mednanocomposite suspensjon fulgt av herding, og (f) Cutting overflødig epoxy deler. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig2highres.jpg" target="_blank">Klikk her for å se større bilde.</a> <img alt="Figur 3" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig3highres.jpg" width="500" /> Figur 3. Et bilde av robot deponering scenen består av en datastyrt robot, en dispenserapparat, og en live kamera. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig3highres.jpg" target="_blank">Klikk her for å se større bilde.</a> <img alt="Figur 4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig4highres.jpg" width="500" /> Figur 4. Noen få bilder av mikrostrukturer produsert av direkte-skrive assemBly. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig4highres.jpg" target="_blank">Klikk her for å se større bilde.</a> <img alt="Figur 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig5highres.jpg" width="500" /> Figur 5. En isometrisk perspektiv og en SEM-bilde til 3D-tilkoblede microfluidic tom nettverk. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig5highres.jpg" target="_blank">Klikk her for å se større bilde.</a> <img alt="Figur 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig6highres.jpg" width="500" /> Figur 6. Nanocomposite blande strategier inkludert nanorør ikke-covalent funksjonalisering, ultrasonikering, og / eller tre-valsemølle blanding som fører til nanorør dispersjoner med forskjellige egenskaper (optiske bilder av nanocomposite filmer). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig6highres.jpg" target="_blank">Klikk her for å se større bilde.</a> <img alt="Figur 7" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig7highres.jpg" width="500" /> Figur 7. Nanokompositt herding under UV-belysning av en UV-lampe etterfulgt av post-herding i ovnen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig7highres.jpg" target="_blank">Klikk her for å se større bilde.</a> <img alt="Figur 8" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig8highres.jpg" width="500" /> Figur 8. (A) I sometric bilde av en 3D-armert bjelke, (b) Typisk tverrsnitt av en nanokompositt-injisert bjelke, (c) en stråleflate fraktur SEM-bilde, og ( <stron<html> g&gt; d) Et nærbilde av (c). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig8highres.jpg" target="_blank">Klikk her for å se større bilde.</a> <img alt="Figur 9" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig9highres.jpg" width="500" /> Figur 9. Bruddflaten bilde av en polyuretan nanocomposite-infiltrert stråle. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig9highres.jpg" target="_blank">Klikk her for å se større bilde.</a> <img alt="Fig. 10" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig10highres.jpg" width="500" /> Figur 10. Temperaturavhengig mekaniske egenskaper (lagring modulus) av bulk epoksy og de ​​produserte bjelker ved hjelp av en dynamisk mekanisk analysator./ Www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig10highres.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klikk her for å se større bilde. <img alt="Figur 11" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig11highres.jpg" width="500" /> Figur 11. Kvasi-statiske mekaniske egenskaper (bøye) av bulk epoksy og de ​​produserte bjelker (trepunkts bøyetest). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig11highres.jpg" target="_blank">Klikk her for å se større bilde.</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

Tredimensjonale (3D) microstructured sammensatte bjelker er fabrikkert gjennom regissert og lokaliserte infiltrasjon av nanocomposites i 3D porøse microfluidic nettverk. Fleksibiliteten av denne fremstillingsmetode gjør det mulig å utnytte forskjellige termoherdende materialer og nanofillers for å oppnå en rekke funksjonelle 3D-armerte nanocomposite makroskopiske produkter.

Produksjon av tredimensjonalt Microstructured Nanocomposites gjennom Microfluidic Infiltrasjon

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 av Surface-modifisert karbonnanorør gjennom 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

Kjemiske Gardens som Gjennomstrømning Reaktorer simulere Natur Hydrotermale 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

Laboratory produksjon av biodrivstoff og biokjemikalier fra en rapsolje gjennom 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

Karakterisere elektronet Transport gjennom 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 ioniske flytende krystaller gjennom Halogen bånd

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 tørr-spinning og karakterisering av gjenfødte silke Fibroin fiber

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

Fabrikere høy viskositet dråper bruker Microfluidic kapillær enhet med fase-inversjon co flyt

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 utarbeidelse av flytende krystallinsk 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

Negativ additiv produksjon av komplekse formet Boron karbider

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