采用喷墨打印机制造聚乙烯醇多层结构。配制了以水为基的聚乙烯醇墨水，并研究了其主要物理性质。
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本文内容
摘要
摘要
喷墨打印是一种现代的高分子材料加工方法，本研究展示了该技术能够制备聚乙烯醇（PVOH）多层结构。配制了聚乙烯醇水溶液，并对其墨水的固有性质（如表面张力、黏度、pH值和时间稳定性）进行了研究。基于PVOH的墨水为中性溶液（pH 6.7），表面张力为39.3 mN/m，黏度为7.5 cP。该墨水在低剪切速率下表现出假塑性（非牛顿剪切稀化）行为，整体具有良好的时间稳定性。研究了墨水在不同基底上的润湿性，结果表明在此特定情况下，玻璃是最适宜的基底材料。采用一种专有的3D喷墨打印机来制造高分子多层结构。通过光学显微镜对喷墨打印多层结构的形貌、表面轮廓和厚度均匀性进行了评估。
引言
聚乙烯醇是一种半结晶性、人工合成、无毒、水溶性材料，不溶于大多数有机溶剂，具有生物可降解性和在人体组织中的生物相容性，并具有优异的气体阻隔性能1。此外，由于其多种优良特性，聚乙烯醇（PVOH）被广泛应用于众多领域。目前，聚乙烯醇已用于清洁剂和洗涤剂产品的制造、食品包装行业、水处理、纺织、农业以及建筑领域（作为添加剂）1。然而，近年来聚乙烯醇在药物应用2（即药物递送）和医学应用3,4（例如伤口敷料、软性隐形眼镜、滴眼液以及软性软骨替代植入物）方面受到了越来越多的关注。聚乙烯醇薄膜可通过熔融或溶液形式制备。熔融加工仅适用于低醇解度或高度增塑的聚乙烯醇。因此，采用该方法时，某些性能可能会受到影响1。另一方面，聚乙烯醇层可通过溶液形式以滴涂5、旋涂6或静电纺丝7的方式沉积。然而，这些方法在不必要材料浪费方面存在诸多局限性。例如，据报道8，旋涂过程中约有95%的材料被浪费。此外，这些方法在设计/特征方面灵活性较差....
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方案
1. 墨水配制
- 通过将聚乙烯醇（8 wt.% PVOH 溶于水）溶解于加热至 60 °C 的纯水中，制备用于 IJP 的溶液。
- 向该溶液中加入 10 g 单丙二醇（MPG）（10 wt.% 单丙二醇水溶液），作为保湿剂。
注意：保湿剂的作用是防止喷头堵塞。 - 搅拌溶液数小时以确保均匀性，然后通过 5 µm 滤膜过滤，以去除可能堵塞喷嘴的任何颗粒物。
- 目视评估墨水的均匀性，特别注意是否发生沉降。若观察到沉降现象，则需长时间（数天）搅拌或超声处理溶液，或使用低分子量 PVOH 重新配制新的水基溶液。
注意：所有液体应储存于密封烧杯中，置于室温下。
2. 墨水表征
- 在洁净室环境中，于室温下进行所有墨水表征测试。
- 使用粘度计测量溶液的粘度。
注意：为确保配制的油墨与IJP硬件兼容，必须进行此项测试。喷墨打印过程需要4-20 cP的低粘度溶液。使用旋转粘度计测量油墨在不同剪切速率下的粘度。 - 使用悬滴法在室温下测试墨水的表面张力。采用适当的测量仪器，如表面张力仪，并遵循制造商提供的操作规程。
注意：喷墨打印的典型溶液表面张力为30-40 mN/m。 - 使用pH计检测pH值。按照生产商提供的操作规程进行。
注意：pH 值是水性油墨中的一个关键参数....
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结果
研究了PVOH水性油墨的物理性质，如表面张力、黏度/流变行为、pH值、润湿性及时间稳定性。本研究中所用油墨的黏度为7.5 cP，表面张力为39.3 mN/m。此外，配制的油墨呈中性（pH 7），结果总结于表1中。
| 墨水 | 表面张力 (mN/m) | 黏度 (cP) 1 分钟/25 rpm | pH | ||||
| PVOH_ink | 平均值 = 39.5；标准误 = 0.2 | ||||||
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讨论
在本研究中，我们成功展示了喷墨打印技术沉积聚合物多层结构的能力。研究了油墨的流变行为，实验结果表明所配制的油墨表现出假塑性剪切稀化特性。此外，聚乙烯醇（PVOH）油墨为中性溶液（pH 7），且随时间表现出良好的稳定性。值得注意的是，已成功证明喷墨打印（IJP）技术能够制备聚乙烯醇多层结构，但打印覆盖率和整体质量仍需进一步改进。
此外，为了提高打印图案的准确性，有必要更好地理解墨水与基底之间以及相邻层之间的相互作用，并更有效地控制喷射行为。
按需喷墨（DOD IJP）是一种用于沉积材料的现代方法，近年来已引起研究界的广泛关注。DOD IJP 技术能够沉积多种材料，范围涵盖聚合物、金属乃至药物。然而，该技术仍面临诸多挑战，例如实现无缺陷的打印层、获得高分辨率图案26，以及制备厚度小于 1 µm 的多层结构。值得注意的是，打印分辨率由喷射液滴的体积决定，目前可分散的最大液滴体积约为 1 pL。不过，预计在不久的将来会取得进一步发展。此外，在 DOD 打印过程中，墨水和打印头均起着同等关.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢英国创新署（Innovate UK）通过 DIRECT（33417-239227）和 PCAP（27508-196153）项目对本研究提供的资助。作者还感谢PVOH Polymers有限公司在本工作中提供的材料和专业指导，以及联合利华（Unilever）、阿克苏诺贝尔（AkzoNobel）和Carclo Technical Plastics公司的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 聚乙烯醇 | PVOH Polymers Ltd, UK | Poval 4-88 | |
| 单丙二醇 | Sigma Aldrich, UK | W29004 | |
| DV2T 黏度计 | Brookfield, UK | ||
| Attension Theta 光学张力仪 | Biolin Scientific, Sweden | ||
| HANNA pH 计 | HANNA Instruments, UK | ||
| 工业喷墨 XYPrint100Z | Industrial Inkjet Ltd, UK | ||
| ContourGT-K 三维光学显微镜 | Bruker Corp, USA |
参考文献
- Goodship, V., Jacobs, D. Polyvinyl Alcohol: Materials, Processing and Applications. Rapta Review Reports. 16, (2008).
- Marin, E., Rojas, J., Ciro, Y. A review of polyvinyl alcohol derivatives: Promising materials for pharmaceutical and biomedical applications. Afr J Pharm Pharmacol. 8 (24), 674-684 (2014).
- Baker, M. I., Walsh, S. P., Schwartz, Z., Boyan, B. D.
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