Articolo metodologico

Multistrati in polistirene stampato a getto d'inchiostro

DOI:

10.3791/55093

⸱

11 maggio 2017

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

In questo articolo

Sommario

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Una stampante a getto d'inchiostro è stata utilizzata per la produzione di multistrati di alcool polivinilico. L'inchiostro a base di alcool polivinilico è stato formulato e le principali proprietà fisiche sono state studiate.

Abstract

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La stampa a getto d'inchiostro è un metodo moderno per l'elaborazione del polimero e in questo lavoro dimostriamo che questa tecnologia è in grado di produrre strutture multistrato di alcool polivinilico (PVOH). Viene formulata una soluzione acquosa di alcool polivinilico. Sono state studiate le proprietà intrinseche dell'inchiostro, quali tensione superficiale, viscosità, pH e stabilità del tempo. L'inchiostro a base PVOH era una soluzione neutra (pH 6,7) con una tensione superficiale di 39,3 mN / m e una viscosità di 7,5 cP. L'inchiostro ha mostrato comportamento pseudoplastico (non-Newtoniano di taglio del taglio) a bassi tassi di taglio e, in generale, ha dimostrato una buona stabilità del tempo. La wettabilità dell'inchiostro su substrati diversi è stata studiata e il vetro è stato identificato come il substrato più adatto in questo caso particolare. Una stampante a getto d'inchiostro proprietaria 3D è stata impiegata per produrre strutture polimeriche multistrato. La morfologia, il profilo di superficie e l'uniformità dello spessore dei multistrati stampati a getto d'inchiostro sono stati valutati mediante microscopia ottica.

Introduzione

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L'alcool polivinilico è semicristallino, artificiale, non tossico, solubile in acqua, insolubile nella maggior parte dei solventi organici, biodegradabile e biocompatibile nei tessuti umani e ha eccellenti proprietà del gas-barriera 1 . Inoltre, grazie alle sue molteplici proprietà utili, PVOH è ampiamente utilizzato in un gran numero di applicazioni. Oggi PVOH è utilizzato in: la fabbricazione di prodotti per la pulizia e detergenti, l'industria dell'imballaggio alimentare, il trattamento dell'acqua, il tessile, l'agricoltura e la costruzione (come additivi) 1 . Tuttavia, PVOH ha recentemente attirato una maggiore attenzione per gli usi farmaceutici 2 ( cioè la consegna di farmaci) e nelle applicazioni mediche 3 , 4 ( ad es., Salviettine , lenti a contatto morbide, gocce oculari e morbidi impianti per la sostituzione della cartilagine). I film PVOH vengono prodotti sia attraverso una forma di fusione o di soluzione. L'elaborazione della fusione è compatSolo con PVOH con bassi livelli di idrolisi o PVOH fortemente plastificati. Così, quando si utilizza questo percorso, alcune proprietà possono essere sacrificate 1 . D'altra parte, uno strato di PVOH può essere depositato attraverso la forma di soluzione mediante colata a goccia 5 , spin coating 6 o elettrospinning 7 . Tuttavia, questi metodi hanno una serie di limitazioni in termini di spreco di materiale indesiderato. Ad esempio, nel caso del rivestimento a spin, è stato riportato che il 95% del materiale viene sprecato. Inoltre, questi metodi sono piuttosto rigidi in termini di design / caratteristiche (nessuna capacità di patterning) e hanno elevati costi di elaborazione complessivi. Al fine di superare la limitazione dell'elaborazione della soluzione convenzionale, esploriamo il potenziale della tecnologia di stampa a getto d'inchiostro per fornire una nuova piattaforma per produrre strutture multistrato di alcool polivinilico (PVOH) che hanno un forte impatto sul materiale e sull'applicazioneProspettive di licazione.

I recenti sviluppi nel settore manifatturiero si sono concentrati su processi economici, economici, ecologici e risparmio energetico. La stampa a getto d'inchiostro (IJP) è un processo di fabbricazione moderno che si inserisce perfettamente in questo quadro. I principali vantaggi della tecnologia IJP sono l'efficienza dell'utilizzo dei materiali, il modello digitale (senza maschere) e il pattern di additivi, la grande capacità di area, la compatibilità con i supporti rigidi / flessibili e il basso costo.

IJP è un metodo di deposizione che utilizza materiali polimerici dispersi in un solvente. Fino ad oggi sono stati depositati con successo depositi di materiali nanomateriali 11 , 2D- 12 , biologici e farmaceutici basati sul polimero 9 , ceramici 10. Recentemente, è stato riferito che IJP è stato coinvolto nella deposizione di componenti come parte di dispositivi elettronici,Quali i transistori 14 , i sensori 15 , le celle solari 16 e i dispositivi di memoria 17 , nonché nell'imballaggio elettronico 18 .

L'inchiostro, la cartuccia e il substrato sono elementi altrettanto importanti che vengono impiegati nel processo di stampa. In primo luogo, le proprietà fisiche dell'inchiostro, come la tensione superficiale e le proprietà reologiche ( vale a dire, la viscosità di taglio), hanno un impatto significativo sul comportamento di stampabilità. Inoltre, il pH svolge un ruolo importante sia sulla soluzione ( es. Essiccazione, schiumatura e viscosità) sia per la durata della cartuccia di stampa IJP. In secondo luogo, per la cartuccia (piezoelettrica), la forma d'onda della tensione di guida definisce effettivamente la formazione di goccia e sia la direzionalità che l'uniformità del getto liquido. Infine, è indispensabile che l'interazione tra inchiostro e substrato sia ben compreso, come la risoluzione e l'accuratezzaDell'oggetto stampato dipendono fortemente da questa interfaccia. L'evaporazione del solvente, la fase cambia da liquido a solido e le reazioni chimiche sono i principali processi che si verificano tra la goccia di fluido e il substrato. Tutti gli aspetti coinvolti nel IJP, dalle proprietà dell'inchiostro al meccanismo di caduta / substrato, sono evidenziati in documenti di revisione da parte di Hutchings 19 e Derby 20 .

In questo studio esploriamo le capacità della IJP per la produzione di multistrati di polivinilcloruro. In primo luogo, è stato formulato un inchiostro a base acqua PVOH e sono state studiate le principali proprietà fisiche, come il comportamento reologico, la tensione superficiale e il pH. In questo lavoro è stata impiegata una stampante piezoelettrica a getto d'inchiostro e sono stati identificati i parametri d'onda appropriate. I multilayer PVOH sono stati stampati e i profili di qualità e di superficie / spessore sono stati valutati mediante microscopia ottica.

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Protocollo

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1. Formulazione dell'inchiostro

  1. Preparare la soluzione per IJP sciogliendo l'alcool polivinilico (8% PVOH in acqua) in acqua purificata riscaldata a 60 ° C.
  2. Aggiungere 10 g di mono-propilenglicole (MPG) (10% in peso di mono-propilenglicole in acqua), come umettante, alla soluzione.
    NOTA: Il ruolo dell'umettantante è quello di prevenire blocchi nella testina di stampa.
  3. Mescolare la soluzione per diverse ore per garantire l'omogeneità e quindi filtrare attraverso un filtro da 5 μm per rimuovere eventuali particolati che potrebbero bloccare gli ugelli.
  4. Valutare visivamente l'inchiostro per l'omogeneità, in particolare per qualsiasi incidenza della sedimentazione. Se si osserva la sedimentazione, quindi mescolare / ultra-sonicare la soluzione per un lungo periodo (giorni) o formulare una nuova soluzione a base acquosa con una PVOH a basso peso molecolare.
    NOTA: Conservare tutti i liquidi in bicchieri chiusi a temperatura ambiente.

2. Caratterizzazione dell'inchiostro

  1. Eseguire tutto il carattere dell'inchiostroIn ambiente ambiente pulito a temperatura ambiente.
  2. Misurare la viscosità della soluzione usando un viscosimetro.
    NOTA: Questo test è necessario per garantire che l'inchiostro formulato sia compatibile con l'hardware IJP. Il processo di stampa a getto d'inchiostro richiede una soluzione a bassa viscosità di 4-20 cP. Misurare la viscosità dell'inchiostro in funzione della velocità di taglio usando un viscosimetro rotativo.
  3. Testare la tensione superficiale dell'inchiostro a temperatura ambiente usando il metodo della goccia pendente. Utilizzare uno strumento di misura appropriato, ad esempio un tensiometro. Utilizzare il protocollo del produttore.
    NOTA: Una soluzione tipica per la stampa a getto d'inchiostro ha una tensione superficiale di 30-40 mN / m.
  4. Testare il pH utilizzando un misuratore pH. Utilizzare il protocollo del produttore.
    NOTA: il pH è un parametro essenziale in inchiostri a base acqua, in quanto fornisce informazioni essenziali sia sulle proprietà che sulla stabilità delle soluzioni formulate. Una soluzione neutra di pH 7 garantisce una stabilità pRocess e una buona durata della testina di stampa.
  5. Valutare la bagnabilità dell'inchiostro su diversi substrati misurando l'angolo di contatto attraverso un esperimento di goccia sessile. Utilizzare un tensiometro per misurare l'energia superficiale dei possibili substrati ( ad es. Vetro, plastica e carta). Misurare l'energia di superficie utilizzando il protocollo fornito dal produttore del tensiometro.
    NOTA: L'interazione tra la goccia e il substrato ha un forte impatto sulla qualità di stampa. Per garantire una buona adesione dell'inchiostro al supporto, l'energia superficiale del substrato dovrebbe superare la tensione superficiale dell'inchiostro di 10-15 mN / m.

3. Stampa a getto d'inchiostro

NOTA: Tutte le deposizioni di stampa a getto d'inchiostro sono state eseguite a temperatura ambiente. I multilayer PVOH sono stati depositati utilizzando una macchina di stampa a getto d'inchiostro ibrido piezoelettrico. È stata utilizzata una testina di stampa con 512 ugelli (256 x 2 righe), un diametro dell'ugello da 30 μm e una dimensione di goccia di 42 pllD in questo lavoro.

  1. Prima della stampa, pulire accuratamente i substrati di vetro con acetone / metanolo / isopropanolo e acqua di Di. Asciugare i substrati con una pistola N 2 .
  2. Caricare il substrato sul letto di stampa e fissarlo saldamente.
  3. Preparare la cartuccia sciacquando l'inchiostro attraverso la testina di stampa. Rimuovere qualsiasi soluzione di aria o di pulizia dal serbatoio e dagli ugelli.
  4. Inserito la cartuccia nella stampante. Collegare la testina di stampa al gestore di stampa globale dei sistemi a getto d'inchiostro (GIS) tramite la scheda di personalità della testa.
  5. Caricare la soluzione nella siringa da 150 ml situata sopra la cartuccia e sigillare la siringa con un tappo a tenuta stagna.
  6. Spurgare l'inchiostro attraverso l'ugello premendo il pulsante di spurgo.
    NOTA: la distanza del supporto dell'ugello ha una forte influenza sulla traiettoria del getto e quindi sulla qualità del modello stampato. Pertanto, regolare la distanza del supporto dell'ugello utilizzando il software della stampante per ridurre la diffusione del getto.
  7. ImpostatoLa forma d'onda e i parametri di stampa utilizzando il software di stampa GIS e la Tabella 2 .
    NOTA: L'interfaccia software GIS consente di controllare sia l'ampiezza di dissipazione e di rilascio e la larghezza.
  8. Caricare il file immagine desiderato per la stampa utilizzando il software di gestione stampa GIS.
  9. Avviare il processo digitale e stampare il modello di immagine sul supporto.

4. Analisi del modello stampato

  1. Indagare la qualità dei modelli stampati utilizzando un microscopio ottico. Verificare la presenza di difetti nelle funzioni stampate e valutare il miglioramento della qualità quando sono stati stampati più strati.
  2. Valutare la topologia di superficie e il profilo di spessore dei multistrati stampati a getto d'inchiostro utilizzando un profilometro a superficie 3D non a contatto (basato su interferometria a luce bianca) tramite un microscopio ottico 3D.
    NOTA: Ulteriori dettagli sulle misurazioni e sugli strumenti utilizzati per formulare / stampare e caratterizzareI modelli stampati sono presentati nel riferimento 21 .

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Risultati

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Sono state studiate le proprietà fisiche dell'inchiostro a base acqua PVOH, come la tensione superficiale, il comportamento viscosità / reologico, il pH, la bagnatura e la stabilità del tempo. La viscosità dell'inchiostro utilizzato in questo lavoro è stata di 7,5 cP e la tensione superficiale era di 39,3 mN / m. Inoltre, l'inchiostro formulato era neutro (pH 7), con i risultati riassunti nella tabella 1 .

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Discussione

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In questo lavoro abbiamo dimostrato con successo la capacità della tecnologia di stampa a getto d'inchiostro di depositare i multistrati di polimeri. Il comportamento reologico è stato studiato e i risultati sperimentali dimostrano che l'inchiostro formulato presenta un comportamento pseudo-plastico di taglio del taglio. Inoltre, l'inchiostro PVOH è una soluzione neutra (pH 7) e mostra una buona stabilità nel tempo. In particolare, è stato dimostrato con successo che la tecnologia IJP è in grado di produrre ...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno niente da rivelare.

Ringraziamenti

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Gli autori vorrebbero riconoscere Innovate UK per finanziare questa ricerca in base ai progetti DIRECT (33417-239227) e PCAP (27508-196153). Gli autori ringraziano anche PVOH Polymers Ltd. per fornire materiali e orientamenti professionali durante questo lavoro, e per il loro sostegno a Unilever, AkzoNobel e Carclo Technical Plastics.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Alcool polivinilico PVOH Polymers Ltd, Regno UnitoPoval 4-88
Glicole monopropilenico Sigma Aldrich, Regno UnitoViscosimetro W29004
DV2T Brookfield, Regno Unito
Tensiometro ottico Attension Theta Biolin Scientific, Svezia
Misuratore di pH HANNAHANNA Instruments, Regno Unito
Getto d'inchiostro industriale XYPrint100ZGetto d'inchiostro industriale Ltd, Regno Unito
Microscopio ottico 3D ContourGT-K.Bruker Corp, Stati Uniti

Riferimenti

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