מאמר שיטה

הזרקת דיו מודפסים Polyvinyl אלכוהול Multilayers

DOI:

10.3791/55093

⸱

11 במאי 2017

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

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מדפסת הזרקת דיו שימש לייצור multivayers polyvinyl אלכוהול. דיו פוליוויניל המבוסס על מים, נוסח, והתכונות הפיזיות העיקריות נחקרו.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הדפסה הזרקת דיו היא שיטה מודרנית לעיבוד פולימרים, וגם בעבודה זו, אנו מדגימים כי טכנולוגיה זו מסוגלת לייצר מבנים polyvinyl אלכוהול (PVOH) multilayer. פתרון מימי פוליוויניל מימי התגבש. נחקרו המאפיינים הפנימיים של הדיו, כגון מתח פני השטח, צמיגות, pH ויציבות זמן. דיו מבוסס PVOH היה פתרון ניטרלי (pH 6.7) עם מתח פני השטח של 39.3 mN / m וצמיגות של 7.5 cP. הדיו המוצג pseudoplastic (שאינו ניוטוני גזירה) התנהגות בשיעורי גזירה נמוכה, הכוללת, זה הוכיח יציבות זמן טוב. את הרטיבות של הדיו על מצעים שונים נחקרה, זכוכית זוהתה כמצע המתאים ביותר במקרה זה בפרט. מדפסת קניינית 3D הזרקת היה מועסק לייצור מבנים multilayer פולימר. מורפולוגיה, פרופיל פני השטח, ואת אחידות עובי של מודפסים דיו מודפס דיו נבדקו באמצעות מיקרוסקופיה אופטית.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אלכוהול פוליוויניל הוא semicrystalline, מלאכותי, לא רעיל, מסיס במים, מסיס במרבית ממיסים אורגניים, מתכלה, biocompatible ברקמות האדם ויש לו מעולה מאפייני המכשול גז 1 . יתר על כן, בשל תכונות שימושיות רבות שלה, PVOH נעשה שימוש נרחב במספר רב של יישומים. כיום, PVOH משמש: ייצור של מוצרי ניקוי דטרגנט, תעשיית אריזות מזון, טיפול במים, טקסטיל, חקלאות, ובנייה (כתוספים) 1 . עם זאת, PVOH לאחרונה משך כמות מוגברת של תשומת לב לשימוש התרופות 2 ( כלומר, משלוח תרופות) וביישומים רפואיים 3 , 4 ( למשל, הפצע חבישה, עדשות מגע רך, טיפות עיניים, שתלים רכים החלפת סחוס). סרטים PVOH מיוצרים באמצעות טופס להמיס או פתרון. עיבוד להמיס הוא תאימותIble רק עם PVOH עם רמות hydrolysis נמוך או PVOH מפלסטיק בכבדות. לכן, בעת שימוש במסלול זה, כמה תכונות ניתן להקריב 1 . מצד שני, שכבת PVOH ניתן להפקיד באמצעות טופס פתרון על ידי ירידה הליהוק 5 , ציפוי ספין 6 , או electrospinning 7 . עם זאת, שיטות אלה יש מספר מגבלות במונחים של בזבוז של חומר לא רצוי. לדוגמה, במקרה של ציפוי ספין, כבר דיווחו 8 כי 95% של החומר מבוזבז. בנוסף, שיטות אלה הם די נוקשה בטווח של עיצוב / תכונות (ללא יכולת דפוס) ויש להם עלויות עיבוד גבוהות. על מנת להתגבר על המגבלה של עיבוד פתרון קונבנציונאלי, אנחנו כאן לחקור את הפוטנציאל של טכנולוגיית ההדפסה דיו כדי לספק פלטפורמה חדשנית לייצר אלכוהול פוליוויניל (PVOH) רב שכבתיים מבנים שיש להם השפעה חזקה על החומר ואת היישום- פרספקטיבה.

ההתפתחויות האחרונות במגזר היצרני התמקדו בתהליכים זולים, פשוטים, ידידותיים לסביבה וחוסכים באנרגיה. Inkjet הדפסה (IJP) הוא תהליך ייצור מודרני שמתאים בצורה מושלמת במסגרת זו. היתרונות העיקריים של טכנולוגיית IJP הם היעילות של שימוש בחומרים, הדיגיטלי (ללא מסכה) ותבניות דפוסים, יכולת שטח גדול, תאימות עם מצעים קשיחים / גמישים, ואת העלות הנמוכה.

IJP היא שיטת בתצהיר המשתמשת בחומרים פולימריים המפוזרים ממס. עד כה, פונקציונלית פולימר 9 , קרמיקה -10 , מוליך ננו -11 , 2-12 , ביולוגית, ו pharmaceutically מבוססי 13 חומרים הופקדו בהצלחה. לאחרונה, דווח כי IJP היה מעורב בתצהיר של רכיבים כחלק ממכשירים אלקטרוניים,כגון טרנזיסטורים 14 , חיישנים 15 , תאים סולאריים 16 , והתקני זיכרון 17 , כמו גם באריזה אלקטרונית 18 .

דיו, מחסנית, המצע הם מרכיבים חשובים באותה מידה, כי הם מועסקים בתהליך ההדפסה. ראשית, המאפיינים הפיזיים של הדיו, כגון מתח פני השטח ואת המאפיינים rheological ( כלומר צמיגות גזירה), יש השפעה משמעותית על התנהגות printability. כמו כן, pH משחק תפקיד חשוב על הפתרון ( למשל, ייבוש, קצף, צמיגות) ועל החיים של מחסנית ההדפסה IJP. שנית, עבור המחסנית (piezoelectric), גל מתח המתח למעשה מגדיר את היווצרות טיפה וגם את הכיווניות ואת האחידות של סילון נוזלי. לבסוף, זה הכרחי כי הדיו / אינטראקציה המצע הוא הבין היטב, כמו את ההחלטה ואת הדיוקשל האובייקט המודפס תלויים מאוד בממשק זה. אידוי ממיסים, שינויי פאזה מנוזל מוצק, ותגובות כימיות הם התהליכים העיקריים המתרחשים בין טיפת הנוזל לבין המצע. כל ההיבטים המעורבים ב- IJP, ממאפייני הדיו ועד למנגנוני התשתית / המצע, מודגשים בכתבי העת של Hutchings 19 ודרבי 20 .

במחקר זה, אנו חוקרים את היכולות של IJP לייצור multylayers polyvinyl אלכוהול. ראשית, נחקק דיו המבוסס על מים מסוג PVOH, ונבדקו התכונות הפיזיות העיקריות, כגון התנהגות ריאולוגית, מתח פני השטח ו- pH. בעבודה זו, מדפסת הזרקת דיו piezoelectric היה מועסק, ופרמטרים waveform המתאים זוהה אז. PVOH multilayers הודפסו, ואת איכות פני השטח / עובי פרופילים הוערכו על ידי מיקרוסקופיה אופטית.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. דיו דיונון

  1. הכן את הפתרון עבור IJP על ידי המסת אלכוהול polyvinyl (8% wt. PVOH במים) במים מטוהרים מחומם ל 60 מעלות צלזיוס.
  2. הוסף 10 גרם של גליקול מונו פרופילן (MPG) (10% wt. מונו פרופילן גליקול במים), כמו humectant, לפתרון.
    הערה: התפקיד של humectant היא למנוע חסימות בראש ההדפסה.
  3. מערבבים את הפתרון במשך מספר שעות כדי להבטיח הומוגניות ולאחר מכן לסנן אותו דרך מסנן 5 מיקרומטר כדי להסיר כל חלקיקים שעשויים לחסום את חרירי.
  4. ראייה להעריך את הדיו עבור הומוגניות, במיוחד עבור כל שכיחות של שקיעה. אם משקעים הוא ציין, אז או מערבבים / אולטרה sonicate הפתרון במשך זמן רב (ימים) או לגבש פתרון חדש מבוסס מים עם PVOH עם משקל מולקולרי נמוך.
    הערה: אחסנו את כל הנוזלים בחביות אטומות בטמפרטורת החדר.

2. אפיון דיו

  1. בצע את כל תו הדיובדיקות איזיון בטמפרטורת החדר בסביבת חדר נקי.
  2. מדוד את צמיגות של הפתרון באמצעות viscometer.
    הערה: בדיקה זו נדרשת על מנת לוודא שהדיו המתואם תואם לחומרה IJP. תהליך ההדפסה דיו דורש פתרון צמיגות נמוכה של 4-20 cp. למדוד את צמיגות הדיו כפונקציה של קצב הגזירה באמצעות viscometer סיבובית.
  3. בדוק את מתח הפנים של הדיו בטמפרטורת החדר באמצעות שיטת טיפה תליון. השתמש בכלי מדידה מתאים כגון טנסיומטר. השתמש בפרוטוקול של היצרן.
    הערה: פתרון טיפוסי להדפסה הזרקת דיו יש מתח פני השטח של 30-40 mN / m.
  4. בדוק את ה- pH באמצעות מד pH. השתמש בפרוטוקול של היצרן.
    הערה: ה- pH הוא פרמטר חיוני בדיו על בסיס מים, שכן הוא מספק מידע חיוני הן על המאפיינים והן על היציבות של הפתרונות המתגבשים. תמיסה נייטרלי של pH של 7 ערבויות יציבה pRocess וחיים טובים עבור ראש ההדפסה.
  5. להעריך את wettability של הדיו על מצעים שונים על ידי מדידת זווית המגע באמצעות ניסוי ירידה נינוחה. השתמש טנסיומטר למדוד את האנרגיה פני השטח של מצעים אפשריים ( למשל, זכוכית, פלסטיק, נייר). למדוד את האנרגיה על פני השטח באמצעות פרוטוקול המסופק על ידי יצרן טנסיומטרים.
    הערה: לאינטראקציה בין הירידה לבין המצע יש השפעה רבה על איכות ההדפסה. כדי להבטיח את הידבקות טובה של הדיו על המצע, אנרגיית פני השטח של המצע צריך לעלות על מתח פני השטח של הדיו על ידי 10-15 mN / m.

3. הדפסה הזרקת דיו

הערה: כל התדפיסים להדפסה בדיו בוצעו בטמפרטורת החדר. PVOH multilayers הופקדו באמצעות מכונת דיו היברידית פיזואלקטריים מכונת הדפוס. ראש הדפסה עם חרירי 512 (256 x 2 שורות), קוטר נחיר 30 מיקרומטר, וכן 42-pL ירידה בגודל היה להשתמשד בעבודה זו.

  1. לפני ההדפסה, לנקות ביסודיות את מצעי הזכוכית עם אצטון / מתנול / איזופרונול ומים די. יבש את מצעים עם אקדח N 2 .
  2. טען את המצע על המיטה להדפיס לאבטח אותו בחוזקה.
  3. הכן את המחסנית על ידי שטיפת הדיו דרך ראש ההדפסה. הסר את כל האוויר או פתרון ניקוי מן המאגר ואת החרירים.
  4. הכנס את המחסנית למדפסת. חבר את ראש ההדפסה למנהל ההדפסה של מערכות הזרקת דיו (GIS) באמצעות לוח האישיות הראשי.
  5. טען את הפתרון לתוך מזרק 150 מ"ל ממוקם מעל מחסנית חותם את המזרק עם מכסה אטום.
  6. לניקוי הדיו באמצעות הזרבובית על ידי לחיצה על כפתור הטיהור.
    הערה: למרחק המצע של הנחיר יש השפעה חזקה על מסלול הסילון ולכן על איכות התבנית המודפסת. לכן, כוונן את מרחק המצע-זרבובית באמצעות תוכנת המדפסת כדי להקטין את התפשטות הסילון.
  7. מַעֲרֶכֶתאת הפרמטרים waveform ופרמטרים הדפסה באמצעות תוכנת ההדפסה GIS ואת טבלה 2 .
    הערה: ממשק התוכנה של GIS מאפשר שליטה הן במשרעת הציור והן בשחרור וברוחב.
  8. טען את קובץ התמונה הרצוי להדפסה באמצעות תוכנת מנהל ההדפסה של GIS.
  9. התחל את התהליך הדיגיטלי והדפס את תבנית התמונה על גבי המצע.

4. ניתוח דפוס מודפס

  1. לחקור את האיכות של דפוסים מודפסים באמצעות מיקרוסקופ אופטי. בדוק את נוכחותם של פגמים בתוך תכונות מודפסות להעריך את השיפור באיכות כאשר נדפסו יותר שכבות.
  2. להעריך את טופולוגיית פני השטח ואת הפרופיל עובי של multilayers מודפס דיו באמצעות משטח ללא מגע 3D Profilometer (מבוסס על אינטרפרומטריה אור לבן) באמצעות מיקרוסקופ אופטי 3D.
    הערה: פרטים נוספים על מדידות והמכשירים ששימשו לגיבוש / הדפסה ולאפיוןדפוסים מודפסים מוצגים בהפניה 21 .

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המאפיינים הפיזיים של דיו מבוססי מים של PVOH, כגון מתח פני השטח, צמיגות / התנהגות ראולוגית, pH, הרטבה ויציבות זמן, נחקרו. צמיגות הדיו ששימשה בעבודה זו הייתה 7.5 cP, ומתח פני השטח היה 39.3 mN / m. בנוסף, הדיו המנוסח היה נייטרלי (pH 7), והתוצאות הסוכמו בטבלה 1 .

דְיוֹ

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בעבודה זו, אנחנו בהצלחה הוכיח את היכולת של טכנולוגיית ההדפסה הזרקת להפקיד multilayers פולימר. ההתנהגות הריאולוגית נחקרה, והתוצאות הניסוייות מדגימות כי הדיו המנוסח מציג התנהגות מדלדלת של פסאודופלסטיקה. כמו כן, דיו PVOH הוא פתרון ניטרלי (pH 7) ומראה יציבות טובה לאורך זמן. יש לציין, זה הוכח בהצלחה כי טכנולוגיית IJP מסוגל לייצר מבנים רב שכבתית polyvinyl אלכוהול, אבל שיפורים נוספים בסיקור ההדפסה ואת האיכות הכוללת נדרשים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים היו רוצים להודות Innovate בריטניה למימון מחקר זה תחת DIRECT (33417-239227) ו PCAP (27508-196153) פרויקטים. המחברים גם רוצים להודות PVOH פולימרים בע"מ, על אספקת חומרים והדרכה מקצועית במהלך עבודה זו, יוניליוור, AkzoNobel, וקרלו טכני פלסטיקה, על תמיכתם.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
אלכוהול פוליוויניל PVOH פולימרים בע"מ, בריטניהPoval 4-88
מונו-פרופילן גליקול סיגמא אולדריץ', בריטניהW29004
DV2T ויסקומטר ברוקפילד, בריטניה
טנסיומטר אופטי תטא Biolin Scientific, שוודיה
מד pH HANNA HANNA Instruments, בריטניה
הזרקת דיו תעשייתית XYPrint100Zהזרקת דיו תעשייתית בע"מ, בריטניה
ContourGT-K מיקרוסקופ אופטי תלת מימד Bruker Corp, ארצות הברית

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Goodship, V., Jacobs, D. Polyvinyl Alcohol: Materials, Processing and Applications. Rapta Review Reports. 16, (2008).
  2. 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).
  3. Baker, M. I., Walsh, S. P., Schwartz, Z., Boyan, B. D. A review of polyvinyl alcohol and its uses in cartilage and orthopedic applications. J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater. 100 (5), 1451-1457 (2012).
  4. Gaaz, T. S., et al. Properties and Applications of Polyvinyl Alcohol, Halloysite Nanotubes and Their Nanocomposites. Molecules. 20, 22833-22847 (2015).
  5. Birck, C., Degoutin, S., Tabary, N., Miri, V., Bacquet, M. New crosslinked cast films based on poly(vinyl alcohol): Preparation and physico-chemical properties. eXPRESS Poly Lett. 8 (12), 941-952 (2014).
  6. Kitsara, M., et al. Spin coating of hydrophilic polymeric films for enhanced centrifugal flow control by serial siphoning. Microfluid Nanofluid. 16, 691(2014).
  7. Supaphol, P., Chuangchote, S. On the electrospinning of poly(vinyl alcohol) nanofiber mats: A revisit. J. Appl. Polym. Sci. 108 (2), 969-978 (2008).
  8. Micro Magazine. , Available from: http://micromagazine.fabtech.org/archive/05/04/pham.html (2016).
  9. Hoath, S. D., et al. Links between Ink rheology, drop-on-demand jet formation, and printability. J Imaging Sci Technol. 53 (4), 1-8 (2009).
  10. Pan, Z., et al. Recent development on preparation of ceramic inks in ink-jet printing. Ceram Int. 41, 12515-12528 (2015).
  11. Kamyshny, A., Magdassi, S. Conductive nanomaterials for printed electronics. Small. 10 (17), 3515-3535 (2014).
  12. Li, J., Lemme, M. C., Östling, M. Inkjet Printing of 2D Layered Materials. ChemPhysChem. 15, 3427-3434 (2014).
  13. Choi, H. W., Zhou, T., Singh, M., Jabbour, G. E. Recent developments and directions in printed nanomaterials. Nanoscale. 7, 3338-3355 (2015).
  14. Basirico, L., Cosseddu, P., Fraboni, B., Bonfiglio, A. Inkjet printing of transparent, flexible, organic transistors. Thin Solid Films. 520 (4), 1291-1294 (2011).
  15. Komuro, N., Takaki, S., Suzuki, K., Citterio, D. Inkjet printed (bio)chemical sensing devices. Anal.Bioanal.Chem. 405 (17), 5785-5805 (2013).
  16. Cherrington, R., Wood, B. M., Salaoru, I., Goodship, V. Digital printing of titanium dioxide for dye sensitized solar cells. J. Vis. Exp. , (2016).
  17. Nelo, M., et al. Inkjet-printed memristor: Printing process development. Jpn. J. Appl. Phys. 52, 1-6 (2013).
  18. Jacot-Descombes, L., Gullo, R. M., Mastrangeli, M., Cadarso, V. J., Brugger, J. Inkjet-printed SU-8 Hemispherical Microcapsules and Silicon chip Embedding. IET Micro & Nano Letters. 8 (10), 633-636 (2013).
  19. Martin, G. D., Hoath, S. D., Hutchings, I. M. Inkjet printing - the physics of manipulating liquid jets and drops. J Phys Conf Series. 105, 012001(2008).
  20. Derby, B. Inkjet printing of functional and structural materials: Fluid properties requirements, feature stability and resolution. Annu. Rev. Mater. Res. 40, 395-414 (2010).
  21. Salaoru, I., Zhou, Z., Morris, P., Gibbons, G. J. Inkjet printing of polyvinyl alcohol multilayers for additive manufacturing applications. J. Appl. Polym. Sci. 133, 43572(2016).
  22. Pillar Tech. , Available from: http://www.pillartech.com/Surface-Treatment/Technical-Info/Useful-Information/Surface-Tension-Phenomenon (2016).
  23. Deegan, R. D., et al. Capillary flow as the cause of the ring stains from dried liquid drops. Nature. 389, 827-829 (1997).
  24. Yunker, P. J., Still, T., Lohr, M. A., Yodh, A. G. Suppression of the coffee-ring effect by shape-dependent capillary interactions. Nature. 476, 308-311 (2011).
  25. Famili, A., Palkar, S. A., Baldy, W. J. First drop dissimilarity in drop-on-demand inkjet devices. Phys Fluids. 23, 1-6 (2011).
  26. Park, J., et al. Prediction of drop-on-demand (DOD) pattern size in pulse voltage-applied electrohydrodynamic (EHD) jet printing of Ag colloid ink. Appl. Phys. A. 117, 2225(2014).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Inkjet PrintingMultilayer StructuresInk FormulationSubstrate WettabilityOptical MicroscopyViscosity MeasurementContact Angle AnalysisPseudoplastic BehaviorTime Stability

מאמרים קשורים