Towards omnimaterial printing : Expanding the material palette of acoustophoretic printing

• Main Author: Kjellman, Jacob
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH) 2019
• Subjects: Acoustophoretic printing; Drop on Demand; Superamphiphobic nozzle; Surface functionalization; Coating; Candle soot template; Chemical Engineering; Kemiteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-251006

Dropp-genereringstekniker är viktiga för industrier som läkemedelsindustrin, livsmedelsindustrin, kosmetikindustrin etc. Traditionella droppgenereringstekniker är dock begränsade i mängden av material som kan processas till droppform. Ett exempel inkjet som är en väletablerad teknik för att generera droppar med hög hastighet (1-10 kHz) och precision (10-20 μm), men kan bara stöta ut vätskor med låga viskositet, ungefär 10-100 gånger viskositeten av vattnet. Akustophoretisk utskrift motiv är att övervinna denna materialbegränsning och har framgångsrikt avkopplat dropputstötning från bläckviskositet. Metoden utnyttjar ickelinjära akustiska krafter för att skriva ut en stor mängd av material med hög kontroll, med viskositet som sträcker sig över fyra storleksordningar (0,5 mPa · s till 25 000 mPa · s). Emellertid är utstötningen baserad på bildandet av en hängande droppe, och i den aktuella prototypen begränsas materialpaletten av akustophoretisk utskrift genom sprider sig över munstycket, vilket begränsar den minsta tillåtnas ytspänningen till ungefär 60 mN / m. I detta arbete införs en munstycksbeläggningsteknik för att expandera mängden av utskrivbara material, med tillåtna ytspänningar så låga som 25 mN / m. Genom att utnyttja generera nanostrukturer med låg ytenergi på munstyckspetsen, tillverkas superavstötande beläggning. Grunden för nanostrukturerna genererades med hjälp av sot från ett paraffin-vaxljus. Ett robust tillverkningsprotokoll har etablerats, och beläggningen fysikaliska egenskaper och prestanda har karaktäriserats. Tre nya tillämpningsområden undersöktes, vilket demonstrerade noviteten hos denna nya metod. Detta arbete banar vägen för en ny uppsättning material som ska behandlas i en droppe-per droppe metodik. === Droplet generation techniques are essential for industries such as the pharmaceutical, food industry, cosmetic industry, etc. However, traditional droplet generation techniques are limited in the palette of materials that can processed in a droplet form. For example, inkjet which is a well-established technology to generate droplets of high speed (1-10 kHz) and precision (10-20 μm), but can only eject fluids with low viscosities, roughly 10-100 folds the one of water. Acoustophoretic printing aims to overcome this material limitation and have successfully decoupled droplet ejection from ink viscosity. The method harnesses nonlinear acoustic forces to print a wide range of materials on demand, spanning over four orders of magnitudes (0.5 mPa·sto 25,000 mPa·s). However, the ejection is based on the formation of a pendant drop, and in the current prototype, the material palette of acoustophoretic printing is limited by nozzle wetting, limiting the allowable minimum surface tension to about 60 mN/m. In this work, a nozzle coating technique is introduced in order to expand the material window by processing fluid with a surface tension as low as 25 mN/m. By leveraging self-assembling of nanostructures on the nozzle tip, superamphiphobic coating is successfully manufactured by using a candle soot template.A robust manufacturing protocol has been established, and the coating characterized in its physics and performance.