Surface modification of 3D printed polylactic acid objects

Abstract

Bu çalışmada, 3D yazıcılarda kullanılan biyopolimer filament olan polilaktik asit (PLA) kullanılarak suyu iten (süperhidrofobik, SH) PLA yüzeyler elde edilmiştir. Bu amaçla, faz ayrımı, silan kaplama, litografi ve kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemleri kullanılmıştır. Faz ayrımı yönteminde, PLA için çözücü ve çöktürücü çiftleri Hansen çözünürlüklerine göre seçildi ve hazırlanan polimer çözeltisine düzleştirilmiş PLA plakayı daldırma yöntemiyle kaplama yapıldı, ancak bu yöntemle SH kaplama elde edilemedi. Silan kaplama yönteminde ise 3- aminopropiltrietoksisilan'ın (APTES), etanol içerisinde çözülerek hazırlanan çözeltiye düz PLA daldırılması yapıldı ve ardından bunun üzerinde n-propiltriklorosilan kullanılarak (NPTS) gaz fazında filament büyütme işlemi uygulandı. Bu yöntemle, hem düz PLA, hem de APTES'le modifiye edilmiş düz PLA örneklerden SH-PLA yüzeyler elde edildi. Öte yandan, en başarılı sonuçlar fotolitografi, soft-litografi ve CVD yöntemlerinin kombine olarak kullanılmasıyla elde edildi. Bu yöntemde öncelikle krom maske tasarlandı ve yazdırıldı. Farklı çap ve aralık değerlerine sahip 12 mikro-desen çalışıldı. Krom maskeden fotolitografiyle poliepoksi (SU-8) kalıplar üretildi. Bu kalıp üzerine polidimetilsiloksan (PDMS) dökülerek yumuşak negatif kalıplar elde edildi. Düzleştirilmiş ince PLA levhalar, sıcak presleme ile PDMS kalıplara basılarak 12 farklı PLA mikro-desen elde edildi ancak bunların temas açıları 150o den küçük çıktı. Bu desenler üzerine, CVD yöntemiyle dimetildiklorosilan (DMDCS), NPTS ve (Tridekafloro-1,1,2,2-tetrahidrooktil) triklorosilan (TDFS) gaz fazında kaplanarak en az 6 ay dayanıklı olan SH-PLA yüzeyler elde edildi. Bu yüzeylerin karakterizasyonu için ilerleyen, gerileyen ve görünür temas açısı ölçümleri ve temas açısı karmaşası analizi yapıldı, optik mikroskop ve bazı örnekler için de taramalı elektron mikroskopi (SEM) görüntüleri çekildi, mikro desenlerin temas açısı sonuçlarına etkisi ve nedenleri tartışıldı.In this study, superhydrophobic (SH) surfaces were obtained from biopolymer polylactic acid (PLA) used in 3D printers. Phase separation, coating with silanes, lithographical patterning and subsequent hydrophobization with chemical vapor deposition (CVD) methods were investigated. In the "phase separation" method, Hansen solubility parameters were used to select suitable solvent/non-solvent pairs for PLA and flattened PLA sheets were dip-coated without success to obtain SH surfaces. In the "coating with silanes" method, 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) solution in ethanol was used to coat flat PLA by dipping and filament growth in the gas phase was applied afterwards using n-propyltrichlorosilane (NPTS). Successful SH-PLA samples were obtained on both uncoated and APTES-modified PLA samples with this method. However, the best SH-PLA results were achieved with the combined use of photolithography, soft-lithography and CVD methods. 12 micro-pattern polyepoxy (SU-8) molds with different diameter and pillar distances were prepared by photolithography using chrome masks and then negative soft-molds were obtained by pouring polydimethylsiloxane (PDMS) on these SU-8 molds. Afterwards, flattened thin PLA sheets were heat-pressed onto these PDMS molds and micropatterned PLA samples were obtained where contact angles were less than 150o. Then, dimethyldichlorosilane (DMDCS), NPTS and (Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl) trichlorosilane (TDFS) coating were formed on these PLA micropatterns via gas phase CVD method giving successful SH-PLA samples which were stable for at least 6 months. The effects of micropatterns on advancing, receding, apparent water contact angles and contact angle hysteresis on these SH-PLA surfaces were discussed in comparison with optical and scanning electron microscopy images.