Article de méthode

Multilayers à l'alcool polyvinylique imprimé par jet d'encre

DOI :

10.3791/55093

⸱

11 mai 2017

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1Emerging Technologies Research Centre (EMTERC), De Montfort University, 2WMG, University of Warwick, 3PVOH Polymer Ltd.

Dans cet article

Résumé

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Une imprimante à jet d'encre a été utilisée pour fabriquer des multicouches d'alcool polyvinylique. L'encre à base d'eau alcool polyvinylique a été formulée et les principales propriétés physiques ont été étudiées.

Résumé

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L'impression par jet d'encre est une méthode moderne pour le traitement des polymères, et dans ce travail, nous démontrons que cette technologie est capable de produire des structures multicouches d'alcool polyvinylique (PVOH). Une solution aqueuse d'alcool polyvinylique a été formulée. Les propriétés intrinsèques de l'encre, telles que la tension de surface, la viscosité, le pH et la stabilité du temps, ont été étudiées. L'encre à base de PVOH était une solution neutre (pH 6,7) avec une tension superficielle de 39,3 mN / m et une viscosité de 7,5 cP. L'encre a présenté un comportement pseudoplastique (amincissement de cisaillement non newtonien) à des taux de cisaillement réduits, et dans l'ensemble, il a démontré une bonne stabilité au temps. On a étudié la mouillabilité de l'encre sur différents substrats et on a identifié le verre comme le substrat le plus approprié dans ce cas particulier. Une imprimante à jet d'encre 3D propriétaire a été utilisée pour fabriquer des structures multicouches polymères. La morphologie, le profil de surface et l'uniformité des épaisseurs des multicouches imprimées à l'encre ont été évalués par microscopie optique.

Introduction

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L'alcool polyvinylique est semi-cristallin, artificiel, non toxique, hydrosoluble, insoluble dans la plupart des solvants organiques, biodégradable et biocompatible dans les tissus humains et présente d'excellentes propriétés de barrière aux gaz 1 . En outre, en raison de ses nombreuses propriétés utiles, PVOH est largement utilisé dans un grand nombre d'applications. De nos jours, PVOH est utilisé dans: la fabrication de produits de nettoyage et de détergents, l'industrie de l'emballage alimentaire, le traitement de l'eau, le textile, l'agriculture et la construction (en tant qu'additifs) 1 . Cependant, le PVOH a récemment attiré une attention accrue pour les utilisations pharmaceutiques 2 ( c'est-à-dire la délivrance de médicaments) et dans les applications médicales 3 , 4 ( p. Ex., Pansement , lentilles de contact doux, gouttes pour les yeux et implants doux pour le remplacement du cartilage). Les films PVOH sont produits soit par une forme de fusion ou de solution. Le traitement de fusion est compatibleSeulement avec du PVOH à faible taux d'hydrolyse ou PVOH fortement plastifié. Ainsi, lors de l'utilisation de cette voie, certaines propriétés peuvent être sacrifiées 1 . D'autre part, une couche de PVOH peut être déposée par la forme de la solution par coulée par gouttage 5 , revêtement d'essorage 6 ou électrospinning 7 . Cependant, ces méthodes ont un certain nombre de limitations en termes de perte de matériel indésirable. Par exemple, dans le cas du revêtement par centrifugation, on a signalé 8 que 95% du matériel était gaspillé. En outre, ces méthodes sont assez rigides en termes de conception / fonctionnalités (sans capacité de pattern) et ont des coûts de traitement globaux élevés. Afin de surmonter la limitation du traitement de la solution conventionnelle, nous explorons ici le potentiel de la technologie d'impression par jet d'encre pour fournir une nouvelle plate-forme pour produire des structures multicouches d'alcool polyvinylique (PVOH) qui ont un fort impact sur le matériau et l'applicationPerspectives de communication.

Les développements récents dans le secteur de la fabrication se sont concentrés sur des processus peu coûteux, simples, écologiques et économes en énergie. L'impression jet d'encre (IJP) est un processus de fabrication moderne qui s'intègre parfaitement dans ce cadre. Les principaux avantages de la technologie IJP sont l'efficacité de l'utilisation des matériaux, le modèle numérique (sans masquage) et additif, la grande capacité de la zone, la compatibilité avec les supports rigides / flexibles et le faible coût.

IJP est une méthode de dépôt qui utilise des matériaux polymères dispersés dans un solvant. À ce jour, des matériaux fonctionnels à base de polymère 9 , céramique 10 , nanomatériaux conducteurs - 11 , 2D 12 , biologiques et pharmaceutiques 13 ont été déposés avec succès. Récemment, il a été signalé que IJP était impliqué dans le dépôt de composants dans le cadre de dispositifs électroniques,Tels que les transistors 14 , les capteurs 15 , les cellules solaires 16 et les dispositifs de mémoire 17 , ainsi que dans les emballages électroniques 18 .

L'encre, la cartouche et le substrat sont des composants tout aussi importants qui sont utilisés dans le processus d'impression. Tout d'abord, les propriétés physiques de l'encre, telles que la tension superficielle et les propriétés rhéologiques ( c.-à-d., La viscosité du cisaillement), ont un impact important sur le comportement d'impression. En outre, le pH joue un rôle important à la fois sur la solution ( par exemple, le séchage, le moussage et la viscosité) et sur la durée de vie de la cartouche d'impression IJP. Deuxièmement, pour la cartouche (piézoélectrique), la forme d'onde de la tension d'entraînement définit réellement la formation de gouttes et à la fois la directionnalité et l'uniformité du jet de liquide. Enfin, il est impératif que l'interaction encre / substrat soit très bien comprise, car la résolution et la précisionDe l'objet imprimé dépendent fortement de cette interface. L'évaporation par solvant, les changements de phase du liquide au solide et les réactions chimiques sont les principaux processus qui se produisent entre la goutte de fluide et le substrat. Tous les aspects impliqués dans l'IJP, des propriétés de l'encre aux mécanismes de chute / substrat, sont mis en évidence dans les articles de revue de Hutchings 19 et de Derby 20 .

Dans cette étude, nous explorons les capacités de l'IJP à fabriquer des multicouches d'alcool polyvinylique. Tout d'abord, une encre à base d'eau PVOH a été formulée et les principales propriétés physiques, telles que le comportement rhéologique, la tension de surface et le pH, ont été étudiées. Dans ce travail, une imprimante à jet d'encre piézoélectrique a été utilisée, et les paramètres de forme d'onde appropriés ont ensuite été identifiés. Les multicouches PVOH ont été imprimées, et la qualité et les profils surface / épaisseur ont été évalués par microscopie optique.

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Protocole

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1. Formulation d'encre

  1. Préparer la solution pour l'IJP en dissolvant de l'alcool polyvinylique (8% en poids de PVOH dans l'eau) dans de l'eau purifiée chauffée à 60 ° C.
  2. Ajouter 10 g de mono-propylène glycol (MPG) (10% en poids de mono-propylène glycol dans l'eau), comme humectant, à la solution.
    REMARQUE: Le rôle de l'humectant est d'éviter les blocages dans la tête d'impression.
  3. Remuez la solution pendant plusieurs heures pour assurer l'homogénéité, puis filtrez-la dans un filtre de 5 μm pour éliminer toute particule qui pourrait bloquer les buses.
  4. Évaluer visuellement l'encre pour l'homogénéité, en particulier pour toute incidence de sédimentation. Si la sédimentation est observée, soit agiter ou soigner la solution pendant plus longtemps (jours), soit formuler une nouvelle solution à base d'eau avec un PVOH à faible poids moléculaire.
    REMARQUE: Conservez tous les fluides dans les béchers scellés à température ambiante.

2. Caractérisation de l'encre

  1. Effectuez tout le caractère d'encreÀ la température ambiante dans un environnement de salle blanche.
  2. Mesurer la viscosité de la solution en utilisant un viscosimètre.
    REMARQUE: ce test est requis afin de s'assurer que l'encre formulée est compatible avec le matériel IJP. Le processus d'impression par jet d'encre nécessite une solution à faible viscosité de 4-20 cP. Mesurer la viscosité de l'encre en fonction de la vitesse de cisaillement à l'aide d'un viscosimètre rotatif.
  3. Testez la tension superficielle de l'encre à température ambiante en utilisant la méthode de chute pendante. Utilisez un outil de mesure approprié tel qu'un tensiomètre. Utilisez le protocole du fabricant.
    REMARQUE: Une solution typique pour l'impression par jet d'encre a une tension superficielle de 30 à 40 mN / m.
  4. Testez le pH à l'aide d'un pH-mètre. Utilisez le protocole du fabricant.
    REMARQUE: Le pH est un paramètre essentiel dans les encres à base d'eau, car il fournit des informations essentielles sur les propriétés et la stabilité des solutions formulées. Une solution neutre pH de 7 garantit une stabilité pEt une bonne durée de vie pour la tête d'impression.
  5. Évaluer la mouillabilité de l'encre sur différents substrats en mesurant l'angle de contact par une expérience de chute sessile. Utilisez un tensiomètre pour mesurer l'énergie de surface des substrats possibles ( p. Ex. Verre, plastique et papier). Mesurer l'énergie de surface en utilisant le protocole fourni par le fabricant du tensiomètre.
    REMARQUE: l'interaction entre la goutte et le substrat a un impact important sur la qualité d'impression. Pour assurer une bonne adhérence de l'encre au substrat, l'énergie de surface du substrat doit dépasser 10 à 15 mN / m de la tension superficielle de l'encre.

3. Impression jet d'encre

REMARQUE: Tous les dépôts d'impression jet d'encre ont été effectués à température ambiante. Les multicouches PVOH ont été déposées à l'aide d'une machine d'impression à jet d'encre hybride piézoélectrique. Une tête d'impression avec 512 buses (256 x 2 rangées), un diamètre de buse de 30 μm et une taille de goutte de 42 pL a été utiliséeD dans ce travail.

  1. Avant l'impression, nettoyer soigneusement les substrats de verre avec de l'acétone / méthanol / isopropanol et de l'eau Di. Séchez les substrats avec un pistolet N 2 .
  2. Chargez le substrat sur le lit d'impression et fixez-le fermement.
  3. Préparez la cartouche en rinçant l'encre à travers la tête d'impression. Retirez toute solution d'air ou de nettoyage du réservoir et des buses.
  4. Imbibé la cartouche dans l'imprimante. Connectez la tête d'impression au gestionnaire d'impression des systèmes jet d'encre globaux (GIS) via le panneau de personnalité de la tête.
  5. Chargez la solution dans la seringue de 150 mL située au-dessus de la cartouche et scellez la seringue avec un capuchon hermétique.
  6. Purgez l'encre à travers la buse en appuyant sur le bouton de purge.
    REMARQUE: La distance entre la buses et le substrat a une forte influence sur la trajectoire du jet et donc sur la qualité du motif imprimé. Par conséquent, ajustez la distance entre le bus et le bus avec le logiciel de l'imprimante afin de réduire l'étalement du jet.
  7. EnsembleHaut de la forme d'onde et des paramètres d'impression à l'aide du logiciel d'impression GIS et du tableau 2 .
    REMARQUE: l'interface logicielle SIG permet de contrôler l'amplitude de tirage et de sortie et la largeur.
  8. Chargez le fichier image souhaité pour l'impression en utilisant le logiciel GIS print manager.
  9. Démarrez le processus numérique et imprimez le motif d'image sur le substrat.

4. Analyse du motif imprimé

  1. Étudier la qualité des motifs imprimés à l'aide d'un microscope optique. Vérifiez la présence de défauts dans les caractéristiques imprimées et évaluez l'amélioration de la qualité lors de l'impression de plus de couches.
  2. Évaluez la topologie de la surface et le profil d'épaisseur des multicouches imprimées à l'encre à l'aide d'un profilomètre 3D sans contact (basé sur l'interférométrie de la lumière blanche) à l'aide d'un microscope optique 3D.
    REMARQUE: Plus de détails sur les mesures et les instruments utilisés pour formuler / imprimer et caractériser lesLes modèles imprimés sont présentés dans la référence 21 .

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Résultats

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Les propriétés physiques de l'encre à base d'eau PVOH, telles que la tension de surface, la viscosité / comportement rhéologique, le pH, le mouillage et la stabilité du temps, ont été étudiées. La viscosité de l'encre utilisée dans ce travail était de 7,5 cP, et la tension superficielle était de 39,3 mN / m. De plus, l'encre formulée était neutre (pH 7), les résultats étant résumés dans le tableau 1 .

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Discussion

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Dans ce travail, nous avons démontré avec succès la capacité de la technologie d'impression jet d'encre de déposer des multicouches polymères. Le comportement rhéologique a été étudié, et les résultats expérimentaux démontrent que l'encre formulée présente un comportement d'éclaircie par cisaillement pseudoplastique. En outre, l'encre PVOH est une solution neutre (pH 7) et présente une bonne stabilité dans le temps. Notamment, il a été démontré avec succès que la technologie IJP est capable de produi...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

Remerciements

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Les auteurs souhaitent remercier Innovate UK pour avoir financé cette recherche dans le cadre des projets DIRECT (33417-239227) et PCAP (27508-196153). Les auteurs souhaiteraient également remercier PVOH Polymers Ltd., pour leur fourniture de matériel et d'orientation professionnelle au cours de ce travail, et Unilever, AkzoNobel et Carclo Technical Plastics, pour leur soutien.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Alcool polyvinylique  ;PVOH Polymers Ltd, Royaume-UniPoval 4-88
Mono-propylène glycol  ;Sigma Aldrich, Royaume-UniW29004
DV2T viscosimètre  ;Brookfield, Royaume-Uni
  ;Biolin Scientific, Suède
HANNA pH-mètre  ;HANNA Instruments, Royaume-Uni
optique 3D ContourGT-KBruker Corp, États-Unis
Tensiomètre optique thêta d’attension à Microscope

Références

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Mots-clés

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