하이드로플라스틱 마이크로몰딩 공정 (2D 물질)

2D 시트는 그래핀, 그래핀 옥사이드 및 MoS2 와 같이 원자 단위의 얇은 재료입니다. 2D 시트는 뛰어난 물리적 및 화학적 특성으로 거시적 관점에서 뛰어난 성능으로 이어질 것으로 예상되었습니다. 또한 2D 시트를 원하는 구조로 고정밀 도로 처리하는 것은 조립품의 제작 및 적용에 매우 중요합니다. 그러나 가공되지 않은 2D 시트는 고유한 층간 상호 작용으로 인해 가공성이 떨어집니다. 

 

이러한 단점을 극복하기 위해 계면 활성제 또는 표면 개질에 의해 도움이되는 균질 분산 용액 처리로 가공됩니다. 주조, 방직 및 첨가제의 제조를 포함한 용액 처리 방법, 희석 분산액을 필름, 섬유 및 에어로젤과 같은 거시적 형태로 처리하는 데 사용되었습니다. 2D 시트의 균질 분산액의 함량은 일반적으로 높은 종횡비와 일반적인 용매와의 낮은 분산성으로 인해 0.1 ~ 5.0 wt % 범위로 제한됩니다. 건조 과정에서 이러한 희박한 2D 고체 재료는 압축 모세관 응력에 견디기에는 너무 약하고 상당한 부피 수축 비율을 나타내며 최대 1000 (0.1 wt % 분산의 경우)입니다. 

2D 시트의 하이드로 플라스틱 성형을 설명 및 그 가공성 시연 . 2D 매크로 어셈블리의 가소화 프로세스 및 층간 팽창의 메커님즘의 개략도 .

 더 중요한 것은 2D 시트의 비대칭으로 인해 상당한 이방성 수축이 발생하여 임의의 형태로 건조된 고체가 생성됩니다. 습식 방적 그래핀 옥사이드 (GO) 섬유의 경우, 고체 섬유의 평균 직경은 방 사구 크기의 1/3에 불과하며 섬유 섹션은 타원 또는 가장자리가 거친 불규칙한 모양입니다. 현재까지 일반적인 솔루션 처리 방법은 높은 충실도와 같은 요구 사항을 직면해 있습니다. 따라서 2D 소재로 미세 구조를 쉽게 구성할 수 있는 가공 전략이 절실히 요구되고 있습니다.

플라스틱 성형은 금속 단조 및 폴리머 성형을 모두 포함하여 산업에서 널리 사용되는 강력한 가공 방법입니다. 나노 임프린팅에 의해 대표되는, 높은 프로세싱 속도 및 큰 부피 외에도 공간 정밀도를 크게, 마이크로 및 나노 제작이 가능하도록 개선되었다. 하지만, 성형 플라스틱 광범위 새롭게 2D 시트 부상에 적용되지 않았다. 일반적인 소성 성형 기술 (예: 단조, 압연 및 임프린팅)은 벌크 재료의 소성 변형을 통해 작동하여 설계 부품으로 성형합니다. 가소성은 금속의 입자 경계 슬라이딩 또는 전위 활공에서 발생합니다. 대부분의 2D 시트 솔리드는 소성 변형에 대한 기본 요구 사항을 충족하지 않는 고유 취성으로 온도 독립적인 탄성을 가집니다. 이러한 취성은 2D 시트의 치수 효과로 인해 시트의 움직임이 제한되기 때문입니다. 

여기에서는 용매 삽입에 의해 유도된 2D 시트의 일반적인 플라스틱 거의 고체 상태를 보고하고 마이크로 미터 미만의 크기 해상도로 플라스틱 제조를 보여줍니다. 연구 모델로 산화 그래 핀 종이 (GOP)를 사용하여, 우리는 하이드로 플라스틱 GO 종이 (Hp-GOP)가 취성 상태에서 연성 상태로 전환되고 용매 삽입이 확장됨에 따라 극한 인장 변형률이 500 % 증가함을 보여줍니다 (0.85 ~ 1.3 nm의 층간 간격 기준).

이는 활성화된 층간 슬라이딩은 Hp-GOP에 전역 및 국부 소성 변형 능력을 부여합니다. 이로써 우리는 200 µm ~ 390 nm 범위의 크기 분해능을 가진 종이 접기, 엠보싱 및 주기적 배열을 포함한 어셈블리의 미세 구조를 얻기 위해 하이드로 플라스틱 2D 시트에 마이크로 임프린팅 프로세스를 가능하게 합니다. 이러한 마이크로 몰딩 전략은 2D 시트 어셈블리의 미세 구조를 정밀하게 제조하고 표면 친수성, 이온 수송 및 광흡수를 포함한 특성의 변조를 가능하게 합니다.

Hp-GOP 의 미세 각인 / 직경이 390nm 인 스루홀 AAO 템플릿을 사용한 미세 임프린팅 공정의 개략도.우측 그래프는 일정하게 적용된 힘 (35kN) 하에서 유지 시간에 대한 길이를 표기 (직경 비율). 

하이드로 플라스틱 성형은 2D 시트의 가공성을 확장하고 조립된 구조의 크기 분해능 제약을 더욱 극복하여 보다 광범위한 응용 분야에 새로운 가능성을 열어줍니다.  하이드로 플라스틱 성형은 2D 시트의 가공성을 확장하고 조립된 구조의 크기 해상도 제약을 더욱 극복하여 광범위한 응용 분야를 위한 높은 정밀도로 합리적인 구조 설계에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다. 

하이드로 플라스틱 몰딩을 사용하면 복잡한 공간 구조 (널링, 종이 접기) 및 미세 각인된 관형 구조를 390nm 직경까지 우수한 충실도로 제작할 수 있습니다. 이 방법은 구조적 정확성을 향상시키고 2D 매크로 어셈블리의 구조적 다양성을 강화하여 전기적, 광학적 및 기타 기능적 특성을 조정할 수있는 실행 가능한 전략을 제공합니다. 또한 2D 어셈블리의 하이드로 플라스틱 재 처리는 높은 크기 정확도, 제어 가능성, 효율성 및 일반적인 실행 가능성을 보여줍니다.

 

나노 크기의 튜브 어레이를 사용하여 각인 된 종이의 표면 다기능성 / 독특한 표면, 광학 및 전기적 특성의 개략도.

 

< 출 처 >

 

Guo, Fan, et al. "Hydroplastic Micromolding of 2D Sheets." Advanced Materials (2021): 2008116.

 

논문 제목: Hydroplastic Micromolding of 2D Sheets

 

저 자: Fan Guo, Yue Wang, Yanqiu Jiang, Zeshen Li, Zhen Xu, Xiaoli Zhao, Tingbiao Guo, Wei Jiang, Chao Gao

 

연결 링크: https://doi.org/10.1002/adma.202008116