방법 논문

잉크젯으로 인쇄 된 폴리 비닐 알코올 다층

DOI:

10.3791/55093

⸱

2017년 5월 11일

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

이 논문에서

요약

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

잉크젯 프린터는 폴리 비닐 알코올 다층을 제조하는데 사용되었다. 폴리 비닐 알콜 수성 잉크를 제조하고 주요 물성을 조사 하였다.

초록

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

잉크젯 프린팅은 폴리머 가공을위한 현대적인 방법이며이 작업에서이 기술로 폴리 비닐 알콜 (PVOH) 다층 구조를 생산할 수 있음을 입증합니다. 폴리 비닐 알콜 수용액을 조제 하였다. 표면 장력, 점도, pH 및 시간 안정성과 같은 잉크의 고유 특성을 조사했습니다. PVOH 계 잉크는 39.3 mN / m의 표면 장력 및 7.5 cP의 점도를 갖는 중성 용액 (pH 6.7)이었다. 잉크는 저 전단 속도에서 가소성 (비 뉴톤 식 전단 묽어 짐) 거동을 나타내었고 전체적으로 우수한 시간 안정성을 나타 냈습니다. 상이한 기판상의 잉크의 습윤성이 조사되었고,이 특정 경우에 유리가 가장 적합한 기판으로 확인되었다. 독점적 인 3D 잉크젯 프린터를 사용하여 폴리머 다층 구조를 제조했습니다. 잉크젯 인쇄 된 다중 층의 형태, 표면 프로파일 및 두께 균일 성을 광학 현미경.

서론

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

폴리 비닐 알콜은 반 결정질이며 인위적이며 독성이 없으며 수용성이며 대부분의 유기 용제에는 녹지 않으며 생체 내 분해가 가능하며 인체 조직에는 생체 적합성이 있으며 우수한 가스 차단 성을 나타냅니다 1 . 또한, PVOH는 많은 유용한 특성 때문에 많은 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 요즘 PVOH는 세척 및 세제 제품, 식품 포장 산업, 수처리, 섬유, 농업 및 건설 (첨가물)의 제조에 사용됩니다 1 . 그러나 PVOH는 최근 약물 사용 2 (약물 전달) 및 의학 응용 3 , 4 ( 예 : 상처 드레싱, 소프트 콘택트 렌즈, 안약 및 연골 대체 용 연성 임플란트)에 대한 관심이 증가하고 있습니다. PVOH 필름은 용융물 또는 용액 형태로 생산됩니다. 용융 처리가 호환 됨가수 분해 수준이 낮은 PVOH 또는 극도로 가소 화 된 PVOH로만 가능합니다. 따라서이 경로를 사용할 때 일부 특성이 희생 될 수 있습니다 1 . 다른 한편, PVOH 층은 드롭 캐스팅 (drop casting) 5 , 스핀 코팅 (spin coating) 6 또는 전기 방사 (electrospinning) 7 에 의해 용액 형태를 통해 증착 될 수있다. 그러나, 이들 방법은 원하지 않는 물질의 낭비 측면에서 여러 가지 한계가있다. 예를 들어, 스핀 코팅의 경우, 재료의 95 %가 낭비되는 것으로보고되었다. 또한, 이러한 방법은 설계 / 피쳐 (패터닝 기능 없음)의 관점에서 상당히 엄격하며 전체적인 처리 비용이 높습니다. 기존 솔루션 처리의 한계를 극복하기 위해 여기서는 재료 및 응용 모두에 강한 영향을 미치는 폴리 비닐 알코올 (PVOH) 다층 구조를 생산하기위한 새로운 플랫폼을 제공하기 위해 잉크젯 인쇄 기술의 잠재력을 연구합니다.의학 관점.

최근 제조 부문의 발전은 저렴하고 간단하며 친환경적이며 에너지 절약적인 프로세스에 초점을 맞추고 있습니다. 잉크젯 인쇄 (IJP)는이 프레임 워크 내에서 완벽하게 맞는 현대의 제조 공정입니다. IJP 기술의 주요 이점은 재료 사용 효율, 디지털 (마스크없는) 및 부가 패터닝, 대용량 기능, 강성 / 유연성 기판과의 호환성 및 저렴한 비용입니다.

IJP는 용매에 분산 된 고분자 물질을 사용하는 증착 방법입니다. 지금까지, 기능성 고분자 - 9 , 세라믹 - 10 , 전도성 나노 재료 - 11 , 2D - 12 , 생물학적 - 및 약제 - 기반 재료가 성공적으로 증착되었다. 최근에, IJP는 전자 장치의 일부로서 구성 요소의 침착에 관여하고 있으며,트랜지스터 (14) , 센서 ( 15) , 태양 전지 ( 16) , 및 메모리 장치 ( 17 )뿐만 아니라 전자 패키징 ( 18)

잉크, 카트리지 및 인쇄물은 인쇄 공정에서 사용되는 똑같이 중요한 구성 요소입니다. 첫째, 표면 장력 및 유변학 적 성질 ( 예 : 전단 점도)과 같은 잉크의 물리적 성질은 인쇄 성 행동에 중요한 영향을 미칩니다. 또한 pH는 용액 ( 예 : 건조, 거품 및 점도) 및 IJP 인쇄 카트리지의 수명에 중요한 역할을합니다. 둘째, 카트리지 (압전기)의 경우, 구동 전압 파형은 액체 방울의 방향 형성 및 균일 성 모두를 실질적으로 드롭 형성을 정의한다. 마지막으로, 잉크 / 기판 상호 작용이 해상도와 정확도가 매우 잘 이해되는 것이 필수적입니다이 인터페이스에 강하게 의존하고 있습니다. 용매 증발, 액체에서 고체로의 상 변화 및 화학 반응은 유체 방울과 기질 사이에서 발생하는 주요 과정입니다. 잉크 특성에서 드롭 / 기질 메커니즘에 이르기까지 IJP와 관련된 모든 측면이 Hutchings 19 및 Derby 20의 검토 논문에서 강조되었습니다.

이 연구에서는 폴리 비닐 알콜 멀티 레이어를 제조하기 위해 IJP의 기능을 탐구합니다. 먼저, PVOH 수용성 잉크를 제조하고 유변학 적 거동, 표면 장력 및 pH와 같은 주요 물성을 조사 하였다. 이 작업에서는 압전 잉크젯 프린터를 사용하여 적절한 파형 매개 변수를 확인했습니다. PVOH 다층을 인쇄하고, 광학 현미경으로 품질 및 표면 / 두께 프로파일을 평가 하였다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

프로토콜

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

1. 잉크 제형

  1. 60 ℃로 가열 된 정제수에 폴리 비닐 알콜 (PVOH 8 중량 %)을 용해시켜 IJP 용 용액을 준비합니다.
  2. 보습 성분 인 모노 프로필렌 글리콜 (MPG) 10g (물에 모노 프로필렌 글리콜 10 중량 %)을 용액에 첨가한다.
    참고 : 보습제의 역할은 프린트 헤드의 막힘을 방지하는 것입니다.
  3. 균질성을 보장하기 위해 몇 시간 동안 용액을 저어주고 노즐을 막을 수있는 미립자를 제거하기 위해 5μm 필터로 여과하십시오.
  4. 균질성, 특히 침강의 발생률에 대해 잉크를 육안으로 평가합니다. 침강이 관찰되면, 용액을 오랜 시간 (일) 동안 교반 / 초 음파 처리하거나 저 분자량의 PVOH로 새로운 수성 용액을 제조하십시오.
    참고 : 밀봉 한 비커에 모든 유체를 실온에서 보관하십시오.

2. 잉크 특성화

  1. 모든 잉크 문자를 수행하십시오.클린 룸 환경에서 실온에서의 자화 테스트.
  2. 점도계를 사용하여 용액의 점도를 측정하십시오.
    참고 :이 테스트는 공식화 된 잉크가 IJP 하드웨어와 호환되는지 확인하기 위해 필요합니다. 잉크젯 프린팅 공정은 4-20 cP의 저점도 용액이 필요합니다. 회전 점도계를 사용하여 전단 율의 함수로서 잉크의 점도를 측정합니다.
  3. 펜던트 드롭 방식을 사용하여 실온에서 잉크의 표면 장력을 테스트합니다. 장력 계와 같은 적절한 측정 도구를 사용하십시오. 제조업체의 프로토콜을 사용하십시오.
    참고 : 잉크젯 인쇄의 일반적인 솔루션은 표면 장력이 30-40 mN / m입니다.
  4. pH 미터를 사용하여 pH를 시험하십시오. 제조업체의 프로토콜을 사용하십시오.
    참고 : pH는 수성 잉크의 필수 매개 변수입니다. 공식화 된 솔루션의 특성과 안정성에 대한 필수 정보를 제공하기 때문입니다. pH가 7 인 중성 용액은 안정적인 pH를 보장합니다.인쇄 헤드의 양호한 수명을 보장합니다.
  5. 정착 낙하 실험을 통해 접촉각을 측정하여 다른 기판에서 잉크의 젖음성을 평가합니다. 장력 계를 사용하여 가능한 기판 ( 예 : 유리, 플라스틱 및 종이)의 표면 에너지를 측정합니다. 장력 측정기 제조업체가 제공 한 프로토콜을 사용하여 표면 에너지를 측정합니다.
    참고 : 잉크 방울과 인쇄물 사이의 상호 작용은 인쇄 품질에 큰 영향을줍니다. 기판에 대한 잉크의 양호한 접착을 보장하기 위해, 기판의 표면 에너지는 잉크의 표면 장력을 10-15 mN / m 초과해야한다.

3. 잉크젯 인쇄

참고 : 모든 잉크젯 인쇄 침착은 실온에서 수행되었습니다. PVOH 다층은 압전 하이브리드 잉크젯 인쇄기를 사용하여 증착되었다. 512 개의 노즐 (256 x 2 행), 30 μm 노즐 직경 및 42-pL 잉크 방울 크기를 가진 프린트 헤드가 사용되었습니다이 작품에서.

  1. 인쇄하기 전에 아세톤 / 메탄올 / 이소프로판올 및 디 물로 유리 기판을 완전히 닦아냅니다. N 2 건으로 기판을 건조시킵니다.
  2. 인쇄물 위에 인쇄물을 놓고 단단히 고정 시키십시오.
  3. 프린트 헤드를 통해 잉크를 플러시하여 카트리지를 준비하십시오. 저장소 및 노즐에서 공기 또는 세제를 제거하십시오.
  4. 카트리지를 프린터에 넣으십시오. 헤드 개성 보드를 통해 프린트 헤드를 글로벌 잉크젯 시스템 (GIS) 인쇄 관리자에 연결하십시오.
  5. 카트리지 위에있는 150 mL 주사기에 용액을 넣고 밀폐 된 캡으로 주사기를 밀봉하십시오.
  6. 퍼지 버튼을 눌러 노즐을 통해 잉크를 퍼지합니다.
    참고 : 노즐 - 기판 거리는 제트 궤적에 영향을 미치므로 인쇄 된 패턴의 품질에 영향을 미칩니다. 따라서 분사 소프트웨어를 줄이기 위해 프린터의 소프트웨어를 사용하여 노즐 - 기판 거리를 조정하십시오.
  7. 세트GIS 인쇄 소프트웨어와 표 2 를 사용하여 파형 및 인쇄 매개 변수를 높입니다.
    참고 : GIS 소프트웨어 인터페이스를 사용하면 그리기 및 해제 진폭과 너비를 모두 제어 할 수 있습니다.
  8. GIS 인쇄 관리자 소프트웨어를 사용하여 인쇄 할 이미지 파일을로드하십시오.
  9. 디지털 프로세스를 시작하고 이미지 패턴을 인쇄물 위에 인쇄하십시오.

4. 인쇄 된 패턴 분석

  1. 광학 현미경을 사용하여 인쇄 된 패턴의 품질을 조사하십시오. 인쇄 된 피처에 결함이 있는지 확인하고 더 많은 레이어를 인쇄 할 때 품질이 향상되는지 평가하십시오.
  2. 3D 광학 현미경을 통해 비접촉 3D 표면 프로파일 미터 (백색광 간섭계 기반)를 사용하여 잉크젯 인쇄 멀티 레이어의 표면 토폴로지 및 두께 프로파일을 평가합니다.
    참고 : 공식화 / 인쇄 및 특성화에 사용 된 측정 및 계측기에 대한 자세한 내용인쇄 된 패턴은 참고 문헌 21 에 제시되어있다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

결과

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

표면 장력, 점도 / 유동 학적 거동, pH, 습윤 및 시간 안정성과 같은 PVOH 수성 잉크의 물리적 특성을 조사했습니다. 이 작업에 사용 된 잉크의 점도는 7.5 cP이고 표면 장력은 39.3 mN / m이었다. 또한, 배합 된 잉크는 중성 (pH 7)이며, 결과는 표 1 에 요약되어있다.

잉크 표면 장력 (mN / m) 점도 (cP) 1 분 / 25 rpm pH
PVOH_ink

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

토론

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

이 작업에서 폴리머 멀티 레이어를 증착하는 잉크젯 프린팅 기술의 능력을 성공적으로 입증했습니다. 레올 로지 거동을 조사한 결과, 공식화 된 잉크는 가소성 전단 묽어 짐 거동을 보여 주었다. 또한, PVOH 잉크는 중성 용액 (pH 7)이며 시간 경과에 따른 양호한 안정성을 나타낸다. 특히, IJP 기술이 폴리 비닐 알콜 다층 구조를 생산할 수 있다는 것이 성공적으로 입증되었지만, 인쇄 범위와 전반적인 품질을 더욱 향상시킬 필요가 있습니다.

또한, 인쇄 된 패턴의 정확성을 향상시키기 위해, 인접한 층들 사이뿐만 아니라 잉크와 기판 사이의 상호 작용에 대한 더 나은 이해와 분사 동작의보다 효과적인 제어가 필요하다.

DOD (Drop-on-demand) IJP는 재료를 증착하는 데 사용되는 현대적인 방법으로 최근에는 마개가 있습니다연구 공동체의 주목을 끌었다. 국방부 IJP 기술은 고분자에서부터 의약품까지 광범위한 재료를 증착 할...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

공개 사항

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

저자는 공개 할 것이 없습니다.

감사의 글

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

저자는 DIRECT (33417-239227) 및 PCAP (27508-196153) 프로젝트에 따라이 연구에 자금을 지원하여 Innovate UK를 인정하고자합니다. 저자는 또한이 작업 동안 재료 및 전문 지침을 제공 한 PVOH Polymers Ltd.와 Unilever, AkzoNobel 및 Carclo Technical Plastics의 지원에 감사드립니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
폴리비닐 알코올 PVOH Polymers Ltd, 영국Poval 4-88
모노-프로필렌 글리콜 Sigma Aldrich, 영국W29004
DV2T 점도계 브룩필드
Attension Theta 광학 텐시오미터 Biolin Scientific, 스웨덴
HANNA pH 측정기 HANNA Instruments, 영국
산업용 잉크젯 XYPrint100Z산업용 잉크젯 Ltd, 영국
ContourGT-K 3D 광학 현미경 Bruker Corp, 미국
영국

참고문헌

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

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재인쇄 및 허가

이 JoVE 논문의 텍스트 또는 그림 재사용 허가 요청

허가 요청

태그

Inkjet PrintingMultilayer StructuresInk FormulationSubstrate WettabilityOptical MicroscopyViscosity MeasurementContact Angle AnalysisPseudoplastic BehaviorTime Stability

관련 논문