Pembuatan aditif dari struktur pasir silika yang kuat yang dimungkinkan oleh pengikat polietilenimin

Pembuatan aditif dari struktur pasir silika yang kuat yang dimungkinkan oleh pengikat polietilenimin

Binder Jet Additive Manufacturing (BJAM) adalah teknik AM serbaguna yang dapat membentuk bagian dari berbagai bahan bubuk termasuk logam, keramik, dan polimer. BJAM menggunakan pencetakan inkjet untuk secara selektif mengikat partikel bubuk ini bersama-sama untuk membentuk geometri yang kompleks. Adopsi BJAM terbatas karena ketidakmampuannya untuk membentuk bagian hijau yang kuat menggunakan pengikat konvensional. 

Kami melaporkan penemuan pengikat polietilenimin (PEI) serbaguna untuk pasir silika yang melipatgandakan kekuatan lentur bagian menjadi 6,28 MPa dibandingkan dengan pengikat konvensional, membuatnya lebih kuat daripada beton tanpa tulangan (~4,5 MPa) dalam pembebanan lentur. Selanjutnya, kami menunjukkan bahwa PEI pada bagian yang dicetak dapat direaksikan dengan etil sianoakrilat melalui infiltrasi sekunder, yang menghasilkan peningkatan kekuatan lentur hingga 52,7 MPa. Bagian-bagian tercetak yang kuat ditambah dengan kemampuan untuk pencucian korban menghadirkan potensi untuk merevolusi AM dalam berbagai aplikasi termasuk konstruksi dan perkakas.

Manufaktur aditif (AM) memungkinkan pembuatan struktur tak tertandingi dari bahan umum1,2,3,4,5 dan menyediakan jalur untuk memproduksi alat dan cetakan khusus untuk manufaktur industri. Manufaktur aditif jet pengikat (BJAM) sangat cocok untuk pembuatan alat dan cetakan ini karena tingkat produksinya yang tinggi, beban operator yang rendah, resolusi tinggi, dan kemampuan untuk memproses bahan baku berbiaya rendah, seperti pasir6. BJAM adalah proses AM yang menggunakan proses pengikatan polimer lapis demi lapis untuk secara cepat memproduksi alat tiga dimensi yang kompleks dan mati pada throughput yang jauh lebih tinggi jika dibandingkan dengan metode AM pengikatan energi terarah6,7. 

Inkjetting selektif digunakan untuk mengirimkan polimer pengikat ke dalam lapisan bubuk untuk mengikat bahan bubuk bersama-sama (Gbr. 1)6,8. Proses membentuk preform berpori (yaitu, bagian hijau) setelah curing pada suhu tinggi. Bagian hijau kemudian dapat diproses pasca dengan berbagai cara, termasuk sintering atau infiltrasi polimer, untuk menghasilkan bahan padat dengan kekuatan mekanik yang lebih tinggi9. Pasir silika adalah bahan bubuk yang menarik yang dapat dengan mudah diproses menggunakan BJAM, dan sangat cocok untuk membuat alat dan cetakan karena koefisien ekspansi termal (CTE) yang rendah ditambah dengan biayanya yang rendah10,11,12. Namun, kelemahan mekanis dari bagian hijau telah menjadi hambatan utama, mencegah meluasnya penggunaan BJAM pasir silika untuk perkakas.

Di BJAM, pengikat bertanggung jawab atas kekuatan mekanik bagian hijau. Pengikat mutakhir untuk pasir silika saat ini adalah sistem pengikat tanpa pemanggangan atau pengerasan sendiri, berdasarkan polimerisasi alkohol furfuril atau reaksi fenol-formaldehida. Pengikat ini memberikan kekuatan mekanik yang relatif rendah, membuat pembuatan perkakas fungsional menjadi tantangan13. Kekuatan mekanik yang rendah dari sistem no-bake dapat dikaitkan dengan interaksi antarmuka yang terbatas antara polimer dan pasir. Oleh karena itu, penting untuk mengembangkan pengikat yang memiliki interaksi antarmuka yang kuat dengan pasir yang akan menghasilkan bagian hijau yang kuat.

Dalam studi berikut, kami melaporkan pengikat serbaguna, hyperbranched polyethyleneimine (PEI), untuk BJAM yang memiliki interaksi antarmuka yang kuat karena adanya gugus amina primer dan sekundernya. Fungsionalitas tersebut memungkinkan pengikat PEI untuk membentuk bagian hijau yang kuat dengan pasir silika, memungkinkan infiltrasi sekunder reaktif, dan menunjukkan fungsionalitas washout. Struktur hyperbranched PEI juga memberikan viskositas rendah, kelarutan tinggi, dan kristalinitas terbatas, sehingga ideal untuk proses inkjetting drop-on-demand (DOD) piezoelektrik yang digunakan dalam BJAM14,15,16. 

Sifat-sifat ini, bersama dengan berat molekul rendah (~800 g/mol), memungkinkan PEI untuk terdispersi dalam campuran pelarut dengan berbagai muatan padat, yang memungkinkan kontrol yang baik dari kandungan polimer dalam bagian hijau untuk menyesuaikan kekuatan untuk berbagai aplikasi. Untuk memahami berbagai faktor yang mempengaruhi kekuatan hijau, dilakukan karakterisasi ekstensif pada antarmuka PEI-pasir dan mengungkapkan interaksi antarmuka yang unik antara PEI dan pasir silika. Kekuatan hijau kemudian dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan infiltrasi sekunder reaktif memanfaatkan gugus amina sisa di bagian hijau. Selain itu, fungsi washout pengikat PEI ditunjukkan, yang memungkinkan bagian yang dicetak dengan PEI berfungsi sebagai alat pengorbanan untuk geometri dan struktur yang ringan.

hasil dan Diskusi

Setiap sistem pengikat harus memiliki viskositas dan tegangan permukaan yang disesuaikan dengan campuran pelarut untuk pembentukan tetesan yang optimal, dan juga harus diimbangi dengan kinetika penetrasi pengikat ke dalam lapisan bubuk. Penetrasi pengikat ke dalam bubuk penting karena mengontrol laju dan volume pengikatan pengikat ke bagian hijau, yang mempengaruhi waktu cetak dan kekuatan mekanik bagian hijau. Dalam pengertian ini, pengikat konvensional memiliki rentang formulasi terbatas, memberikan kemampuan terbatas untuk mengubah waktu cetak dan kekuatan hijau17, sedangkan pengikat PEI memiliki berbagai kemungkinan formulasi. Untuk partikel pasir silika, PEI 15 wt% dalam 75:25 air: 1-propanol diidentifikasi sebagai formulasi pengikat yang optimal 

Menguji berbagai pemuatan PEI dalam tinta mengoptimalkan kemampuan cetak, serta penetrasi pengikat ke tempat tidur bubuk tetapi tidak menjelaskan volume optimal PEI di bagian untuk kekuatan hijau maksimal. Untuk menemukan kekuatan maksimum, peningkatan volume PEI dimasukkan ke dalam bagian hijau, menghasilkan peningkatan kekuatan hijau yang hampir linier. Sampel dengan beban bersih PEI 5,5 wt% di bagian tersebut, yang dikeringkan dalam oven yang diatur pada 180 °C selama 2 jam (jam), mencapai kekuatan hijau maksimum 6,28 MPa. 

Ada penurunan kekuatan hijau yang diamati pada pemuatan PEI 6 wt%, yang kemungkinan disebabkan oleh kombinasi faktor-faktor seperti adsorpsi cairan ke dalam lapisan bubuk, kinetika penguapan pelarut, dan perpindahan panas selama pengawetan. Kekuatan lentur maksimum yang dicapai sebesar 6,28 MPa melebihi kekuatan bagian pasir silika yang dicetak menggunakan pengikat polimer komersial (pengikat ExOne), diukur pada 1,82 MPa, dan sistem pengikat furan saat ini, pada 3,60 MPa dalam kondisi pemrosesan yang dioptimalkan. Kekuatan lentur bagian pasir silika yang dicetak dengan PEI melampaui campuran polimer pasir lainnya, bahkan beton tanpa tulangan, bahan konstruksi yang paling umum digunakan di bumi, yang rata-rata memiliki kekuatan lentur 4,5 MPa18,19. Kekuatan suku cadang hijau ini memungkinkan pembuatan suku cadang berkekuatan tinggi yang kompleks untuk perkakas menggunakan pasir silika berbiaya rendah pada throughput tinggi, yang dapat merevolusi perkakas untuk industri otomotif, dirgantara, dan konsumen.

Langkah pengawetan di BJAM sangat penting dalam mencapai kekuatan tinggi di bagian hijau, karena bagian pengawetan dalam oven yang disetel pada suhu di bawah 180 °C memberikan kekuatan hijau yang jauh lebih rendah dari bagian PEI, seperti 0,14 MPa dengan pengawetan 2 jam pada 150 °C. Untuk menjelaskan bagaimana curing mempengaruhi kimia PEI, resonansi magnetik nuklir karbon-13 (13C-NMR) dan spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FT-IR) dilakukan pada PEI yang tidak diawetkan dan PEI yang diawetkan pada 180 °C dari 10 min hingga 5,5 h. 

Dalam spektrum 13C-NMR, puncak karbon yang terkait dengan delapan jenis gugus amina dalam unit etilen imina dapat dilihat sebelum proses curing. Puncak ini terdiri dari karbon yang berasosiasi dengan amina tersier, amina sekunder, dan amina primer. Pergeseran dan pelebaran puncak ini pada proses curing  menunjukkan bahwa PEI teroksidasi selama curing. Munculnya gugus fungsi C=O dan C=C pada 1655 cm−1 pada FTIR dan pada 167–158 ppm dan 138-120 ppm pada 13C-NMR semakin menegaskan oksidasi PEI selama proses pengawetan. Produk oksidasi ini, terutama C=O, diketahui berfungsi sebagai akseptor hidrogen (H), dan spektrum FT-IR mengidentifikasi adanya peningkatan ikatan H pada 3100–3400 cm−1 dengan waktu curing yang lebih lama.

Untuk mendukung pengukuran spektroskopi linier, spektroskopi generasi frekuensi getaran spesifik permukaan (SFG) digunakan untuk memahami bagaimana PEI berinteraksi dengan permukaan silika untuk memberikan peningkatan kekuatan mekanik yang disebutkan di atas. Pertama, kami menyelidiki spektrum SFG dari PEI yang tidak diawetkan pada antarmuka kuarsa yang diplot pada Gambar. 3d sebagai jejak hitam pekat. Di sini kita menemukan karakteristik CH2 membentang dari PEI antarmuka konsisten dengan harapan. Setelah pengawetan, getaran CH2 yang tajam menghilang, dan puncak dominan baru muncul pada ~2900 cm−1 (jejak merah). 

Untuk mengidentifikasi spesies yang terbentuk setelah pengawetan, gugus NH pada PEI dideuterasi (ND), yang secara isotop menggeser frekuensi regangan N/D dari polimer yang tidak diawetkan keluar dari jendela spektral ini. Spektrum sampel ND yang diawetkan (jejak biru) tidak menunjukkan puncak yang intens pada ~2900 cm−1, menunjukkan bahwa pita yang menonjol dalam sampel PEI yang diawetkan disebabkan oleh gugus NH pada antarmuka yang sangat bergeser. Pergeseran yang kuat seperti itu menggambarkan ikatan-H kuat yang sesuai yang terbentuk antara PEI yang diawetkan dan silika saat diawetkan. Perubahan ikatan-H ini disertai dengan hilangnya tanda vibrasi CH2 yang sesuai yang dominan dalam spektrum PEI yang tidak diawetkan. 

Karena SFG terutama sensitif terhadap gugus fungsi yang disejajarkan dari bidang antarmuka, hasilnya memberikan indikasi yang jelas tentang penyelarasan antarmuka. Lapisan PEI yang tidak diawetkan diadsorpsi ke antarmuka silika dalam konformasi yang memungkinkan hanya beberapa ikatan-H, di mana gugus CH2 umumnya ditunjukkan keluar dari bidang antarmuka. Setelah pengawetan, struktur diatur ulang untuk memaksimalkan jumlah ikatan-H (dibuktikan dengan peningkatan kuat pada puncak NH pada ~2900 cm−1), yang memaksa gugus CH2 dalam PEI untuk berubah menjadi struktur seperti bergelombang untuk mengakomodasi Jangkar ikatan-H. Dengan demikian, kelompok CH2 berorientasi lebih sejajar dengan bidang antarmuka dan dengan demikian menghasilkan sinyal SFG yang lebih lemah. Struktur antarmuka bergelombang ini memfasilitasi interaksi ikatan-H yang padat dan terikat erat dari >N–H···O–Si antara PEI yang diawetkan dan kuarsa yang mengarah pada peningkatan kekuatan mekanik yang dijelaskan di atas.

Kekuatan bagian hijau pasir silika dapat lebih ditingkatkan melalui pasca-pemrosesan menggunakan infiltrasi polimer sekunder. Infiltrasi dimungkinkan karena porositas yang melekat pada bagian BJAM, yang memungkinkan polimer atau monomer dengan viskositas rendah untuk menyerap ke dalam struktur. Di sini etil sianoakrilat (ECA) digunakan untuk menyusup ke bagian hijau PEI karena diharapkan dapat menginduksi reaksi adisi Michael dengan gugus amina pada PEI. Infiltrasi ECA sekunder menghasilkan peningkatan kekuatan lentur dengan faktor delapan menjadi 52,74 ± 2,18 MPa dari 6,28 ± 0,48 MPa dan penurunan porositas menjadi 8,92% dari 9,90% . 

Bagian PEI yang diinfiltrasi ECA dibandingkan dengan bagian pasir silika yang dicetak menggunakan pengikat furan no-bake dan diinfiltrasi dengan ECA dengan metode yang sama. Bagian pasir furan yang diinfiltrasi ECA menunjukkan peningkatan kekuatan lentur yang tidak signifikan menjadi 3,70 ± 0,24 MPa dari 3,60 ± 0,45 MPa. Kekuatan bagian PEI yang diinfiltrasi ECA menunjukkan terjadinya infiltrasi reaktif, seperti reaksi adisi Michael antara PEI dan ECA, diikuti dengan polimerisasi rantai ECA. 1H-NMR digunakan untuk mempelajari pencampuran ECA dan PEI (rasio ECA terhadap PEI 5:1) dan mengkonfirmasi terjadinya reaksi adisi Michael antara ECA dan gugus amina bebas residu PEI di dalam bagian berpori. 

Resonansi yang terkait dengan ikatan rangkap akrilat di ECA menghilang, sedangkan resonansi yang terkait dengan molekul PEI masih ada setelah reaksi. Campuran yang bereaksi menunjukkan munculnya dua resonansi baru. Satu resonansi mewakili pembentukan hubungan amina-akrilat oleh adisi Michael pada 3,6 ppm, yaitu, jembatan metilen antara amina sekunder atau tersier PEI dan atom karbon yang berasal dari ikatan C=C di ECA. Resonansi baru kedua sekitar 1,4 ppm menunjukkan terjadinya polimerisasi adisi anionik ECA. Secara mekanis, gugus siano dan ester yang menarik dua elektron dalam ECA membantu memicu serangan nukleofilik oleh PEI pada ikatan rangkap untuk memulai polimerisasi rantai. Reaksi penghubung antara ECA dan PEI ini mengarah pada kekuatan tinggi yang diamati pada bagian tersebut. Kekuatan lentur yang tinggi dari bagian pasir silika cetak PEI yang terinfiltrasi, ~53 MPa, melampaui bahan konstruksi seperti struktur pasangan bata atau bata dan mortir, dengan kemampuan untuk menopang setidaknya 300 kali beratnya sendiri

LAYANAN ADY WATER

Jual zeolit untuk filter air jenis Batu, Pasir, dan Tepung. Kemasan zeolit per karung 20 kilogram dan eceran 4 kilogram. Sudah suplai zeolit ke industri Food and Beverage, berbagai BUMN, kebutuhan softener (Pelunak Air / Pengurang Kesadahan Air) rumah tangga. Ready Stock, kemampuan suplai hingga puluhan ton rutin per bulan

Jual karbon aktif dengan merek import: HAYCARB, JACOBI, CALGON, dan NORIT. Merek karbon aktif lokal: KARBON AKTIF ADY WATER. Kemasan karbon aktif 25 kg per karung untuk karbon import, untuk karbon lokal 25 kg per karung dan 20 kg per karung. Menyediakan karbon aktif lokal eceran kiloan, untuk import tidak eceran. Fungsi karbon aktif untuk filter air bersih, filter air minum, filter air aquarium, filter air kolam, filter air proses industri, filter air lingkungan, dekolorisasi, gula rafinasi, pemulihan emas (gold recovery), menghilangkan klorin, bau pada air, dll.

Jual silica gel minimal pembelian 1 kg. Ukuran sachet silica gel yang dijual 1 gram, 2 gram, 5 gram, 10 gram, 25 gram, 50 gram, 100 gram, 250 gram, 500 gram, 1 kilogram. Jual silica gel curah per karung 25 kilogram. Sudah suplai silica gel untuk kebutuhan bandara, industri sepatu, makanan (FOOD GRADE), gas separasi / kromatografi kolom, aquarium, kebutuhan pribadi, dll

Nomor WA Sales Yang Mudah Dihubungi

Senang dapat membantu Anda, Semoga kami dapat segera menyelesaikan masalah air yang sedang Anda hadapi. Terimakasih

1. Ghani 0821 2742 4060

2. Yanuar 0812 2165 4304

3. Rusmana 0821 2742 3050

4. Fajri 0821 4000 2080

5. Kartiko 0812 2445 1004

6. Andri 0812 1121 7411

Alamat kantor/gudang Ady Water yang bisa dikunjungi langsung. 

Silahkan Bapak/Ibu mengunjungi alamat kantor/gudang kami. Kami akan melayani Anda dengan senang hati dan semoga dapat membantu masalah air yang sedang Anda hadapi. 

1. Alamat Bandung:

Jalan Mande Raya No. 26, RT/RW 01/02 Cikadut-Cicaheum, Bandung 40194

2. Alamat Jakarta Timur

Jalan Tanah Merdeka No. 80B, RT.15/RW.5 Rambutan, Ciracas, Jakarta Timur 13830

3. Alamat Jakarta Barat

Jalan Kemanggisan Pulo 1, No. 4, RT/RW 01/08, Kelurahan Pal Merah, Kecamatan Pal Merah, Jakarta Barat, 11480

Katalog Ady Water

http://bit.ly/KatalogAdyWater