Artykuł metodologiczny

Wielowarstwowe polialkohol winylowy z nadrukiem atramentowym

DOI:

10.3791/55093

⸱

11 maja 2017

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Drukarka atramentowa została użyta do produkcji wielowarstwowych poliwarstw alkoholu winylowego. Opracowano tusz na bazie wody na bazie alkoholu poliwinylowego i zbadano główne właściwości fizyczne.

Streszczenie

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

Druk atramentowy to nowoczesna metoda przetwarzania polimerów, a w tej pracy pokazujemy, że ta technologia jest w stanie wytworzyć wielowarstwowe struktury z polialkoholu winylowego (PVOH). Opracowano wodny roztwór alkoholu poliwinylowego. Zbadano wewnętrzne właściwości tuszu, takie jak napięcie powierzchniowe, lepkość, pH i stabilność w czasie. Tusz na bazie PVOH był roztworem obojętnym (pH 6,7) o napięciu powierzchniowym 39,3 mN/m i lepkości 7,5 cP. Atrament wykazywał pseudoplastyczne (nienewtonowskie rozrzedzenie ścinaniem) przy niskich szybkościach ścinania i ogólnie wykazywał dobrą stabilność w czasie. Zbadano zwilżalność tuszu na różnych podłożach i zidentyfikowano szkło jako najbardziej odpowiednie podłoże w tym konkretnym przypadku. Do produkcji wielowarstwowych struktur polimerowych wykorzystano autorską drukarkę atramentową 3D. Morfologię, profil powierzchni i jednorodność grubości wielowarstwowych drukowanych atramentowo oceniano za pomocą mikroskopii optycznej.

Wprowadzenie

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

Alkohol poliwinylowy jest półkrystaliczny, sztuczny, nietoksyczny, rozpuszczalny w wodzie, nierozpuszczalny w większości rozpuszczalników organicznych, biodegradowalny i biokompatybilny w tkankach ludzkich oraz ma doskonałe właściwości bariery gazowej1. Ponadto, ze względu na wiele użytecznych właściwości, PVOH jest szeroko stosowany w wielu zastosowaniach. Obecnie PVOH jest stosowany w: produkcji środków czyszczących i detergentów, przemyśle opakowań do żywności, uzdatnianiu wody, tekstyliach, rolnictwie i budownictwie (jako dodatki)1. Jednak PVOH ostatnio cieszy się coraz większym zainteresowaniem w zastosowaniach farmaceutycznych2 (tj. dostarczanie leków) oraz w zastosowaniach medycznych3,4 (np. opatrunki na rany, miękkie soczewki kontaktowe, krople do oczu i miękkie implanty do wymiany chrząstki). Folie PVOH są wytwarzane w postaci stopionej lub roztworu. Przetwarzanie w stanie stopionym jest kompatybilne tylko z PVOH o niskim poziomie hydrolizy lub silnie uplastycznionym PVOH. Tak więc, podczas korzystania z tej ścieżki, niektóre właściwości mogą zostać poświęcone1. Z drugiej strony, warstwa PVOH może być osadzana za pomocą postaci roztworu poprzez odlewanie kroplowe5, spin coating6 lub electrospinning7. Metody te mają jednak szereg ograniczeń w zakresie marnotrawstwa niechcianego materiału. Na przykład w przypadku powlekania wirowego zgłoszono8, że 95% materiału jest marnowane. Ponadto metody te są dość sztywne pod względem konstrukcji/cech (brak możliwości tworzenia wzorów) i mają wysokie ogólne koszty przetwarzania. Aby przezwyciężyć ograniczenia związane z konwencjonalnym przetwarzaniem roztworów, badamy potencjał technologii druku atramentowego w celu zapewnienia nowatorskiej platformy do produkcji wielowarstwowych struktur z polialkoholu winylowego (PVOH), które mają duży wpływ zarówno na materiał, jak i perspektywy zastosowania.

Ostatnie osiągnięcia w sektorze produkcyjnym skupiają się na tanich, prostych, przyjaznych dla środowiska i energooszczędnych procesach. Druk atramentowy (IJP) to nowoczesny proces produkcyjny, który doskonale wpisuje się w te ramy. Głównymi zaletami technologii IJP są efektywność wykorzystania materiału, cyfrowe (bez masek) i addytywne wzory, możliwość pracy na dużej powierzchni, kompatybilność ze sztywnymi/elastycznymi podłożami oraz niski koszt.

IJP to metoda osadzania, która wykorzystuje materiały polimerowe rozproszone w rozpuszczalniku. Do tej pory udało się zdeponować funkcjonalne materiały polimerowe-9, ceramic-10, przewodzące nanomateriały-11, 2D-12, biologicznie i farmaceutycznie oparte na 13. Ostatnio pojawiły się doniesienia, że IJP brał udział w osadzaniu komponentów jako części urządzeń elektronicznych, takich jak tranzystory14, sensors15, solar cells16 i memory devices17, a także w opakowaniach elektronicznych18.

Tusz, wkład i podłoże są równie ważnymi komponentami, które są wykorzystywane w procesie drukowania. Po pierwsze, właściwości fizyczne tuszu, takie jak napięcie powierzchniowe i właściwości reologiczne (tj. lepkość ścinania), mają znaczący wpływ na zachowanie drukowności. Ponadto pH odgrywa ważną rolę zarówno w roztworze (np. suszenie, pienienie i lepkość), jak i w żywotności wkładu drukującego IJP. Po drugie, w przypadku wkładu (piezoelektrycznego) przebieg napięcia sterującego faktycznie określa powstawanie kropli oraz zarówno kierunkowość, jak i jednorodność strumienia cieczy. Wreszcie, konieczne jest, aby interakcja między atramentem a podłożem była bardzo dobrze zrozumiana, ponieważ rozdzielczość i dokładność drukowanego obiektu są silnie zależne od tego interfejsu. Parowanie rozpuszczalnika, przemiany fazowe z cieczy na ciało stałe i reakcje chemiczne to główne procesy zachodzące między kroplą płynu a podłożem. Wszystkie aspekty związane z IJP, od właściwości atramentu po mechanizmy kropli/podłoża, są podkreślone w pracach przeglądowych przez Hutchings19 i Derby20.

W tym badaniu badamy możliwości IJP do produkcji wielowarstwowych polialkoholi winylowych. Najpierw opracowano tusz na bazie wody PVOH i zbadano główne właściwości fizyczne, takie jak zachowanie reologiczne, napięcie powierzchniowe i pH. W pracy tej wykorzystano piezoelektryczną drukarkę atramentową, a następnie zidentyfikowano odpowiednie parametry przebiegu. Wydrukowano wielowarstwowe PVOH, a jakość i profile powierzchni/grubości oceniono za pomocą mikroskopii optycznej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Formuła tuszu

  1. Przygotować roztwór do IJP, rozpuszczając alkohol poliwinylowy (8% wag. PVOH w wodzie) w oczyszczonej wodzie podgrzanej do temperatury 60 °C.
  2. Dodać 10 g glikolu monopropylenowego (MPG) (10% wag. glikolu monopropylenowego w wodzie) jako środka utrzymującego wilgoć do roztworu.
    UWAGA: Rolą humektanta jest zapobieganie zatorom w głowicy drukującej.
  3. Mieszaj roztwór przez kilka godzin, aby zapewnić jednorodność, a następnie przefiltruj go przez filtr 5 μm, aby usunąć wszelkie cząstki, które mogą blokować dysze.
  4. Wizualnie oceń atrament pod kątem jednorodności, szczególnie pod kątem występowania sedymentacji. Jeśli zaobserwuje się sedymentację, należy mieszać/ultrasonizować roztwór przez długi czas (dni) lub sformułować nowy roztwór na bazie wody z PVOH o niskiej masie cząsteczkowej.
    UWAGA: Wszystkie płyny należy przechowywać w szczelnie zamkniętych zlewkach w temperaturze pokojowej.

2. Charakterystyka tuszu

  1. Wykonaj wszystkie testy charakterystyki atramentu w temperaturze pokojowej w środowisku czystego pomieszczenia.
  2. Zmierzyć lepkość roztworu za pomocą lepkościomierza.
    UWAGA: Ten test jest wymagany, aby upewnić się, że opracowany atrament jest kompatybilny ze sprzętem IJP. Proces drukowania atramentowego wymaga roztworu o niskiej lepkości 4-20 cP. Zmierz lepkość tuszu w funkcji szybkości ścinania za pomocą lepkościomierza rotacyjnego.
  3. Przetestuj napięcie powierzchniowe tuszu w temperaturze pokojowej za pomocą metody kropli wisiorka. Użyj odpowiedniego narzędzia pomiarowego, takiego jak tensjometr. Użyj protokołu producenta.
    UWAGA: Typowe rozwiązanie do druku atramentowego ma napięcie powierzchniowe 30-40 mN/m.
  4. Przetestuj pH za pomocą pH-metru. Użyj protokołu producenta.
    UWAGA: pH jest istotnym parametrem w farbach na bazie wody, ponieważ dostarcza istotnych informacji zarówno o właściwościach, jak i stabilności formułowanych roztworów. Neutralny roztwór o pH 7 gwarantuje stabilny proces i dobrą żywotność głowicy drukującej.
  5. Oceń zwilżalność tuszu na różnych podłożach, mierząc kąt zwilżania za pomocą eksperymentu z kroplami siedzącymi. Użyj tensjometru, aby zmierzyć energię powierzchniową możliwych podłoży (np. szkła, plastiku i papieru). Zmierz energię powierzchniową za pomocą protokołu dostarczonego przez producenta tensjometru.
    UWAGA: Interakcja między kroplą a podłożem ma duży wpływ na jakość druku. Aby zapewnić dobrą przyczepność tuszu do podłoża, energia powierzchniowa podłoża powinna przekraczać napięcie powierzchniowe tuszu o 10-15 mN/m.

3. Druk atramentowy

UWAGA: Wszystkie depozycje druku atramentowego zostały przeprowadzone w temperaturze pokojowej. Wielowarstwowe PVOH zostały osadzone za pomocą piezoelektrycznej hybrydowej maszyny do druku atramentowego. W tej pracy użyto głowicy drukującej z 512 dyszami (256 x 2 rzędy), średnicą dyszy 30 μm i rozmiarem kropli 42 pL.

  1. Przed drukowaniem należy dokładnie oczyścić szklane podłoża acetonem/metanolem/izopropanolem i wodą Di. Wysuszyć podłoża za pomocą pistoletu N2.
  2. Załaduj podłoże na stół roboczy i mocno je zabezpiecz.
  3. Przygotuj kasetę, przepłukując atrament przez głowicę drukującą. Usuń powietrze lub roztwór czyszczący ze zbiornika i dysz.
  4. Umieść wkład w drukarce. Podłącz głowicę drukującą do menedżera druku globalnych systemów atramentowych (GIS) za pomocą karty osobowości głowicy.
  5. Załadować roztwór do strzykawki o pojemności 150 ml umieszczonej nad wkładem i zamknąć strzykawkę hermetyczną nakrętką.
  6. Usuń atrament przez dyszę, naciskając przycisk przedmuchiwania.
    UWAGA: Odległość dysza od podłoża ma duży wpływ na trajektorię strumienia, a tym samym na jakość drukowanego wzoru. Dlatego dostosuj odległość dyszy od podłoża za pomocą oprogramowania drukarki, aby zmniejszyć rozprzestrzenianie się strumienia.
  7. Skonfiguruj przebieg i parametry drukowania za pomocą oprogramowania do drukowania GIS i tabeli 2.
    UWAGA: Interfejs oprogramowania GIS umożliwia sterowanie zarówno amplitudą rysowania i zwalniania, jak i szerokością.
  8. Załaduj żądany plik obrazu do wydrukowania za pomocą oprogramowania do zarządzania drukowaniem GIS.
  9. Rozpocznij proces cyfrowy i wydrukuj wzór obrazu na podłożu.

4. Analiza wydrukowanego wzoru

  1. Zbadaj jakość wydrukowanych wzorów za pomocą mikroskopu optycznego. Sprawdź, czy nie ma wad w drukowanych elementach i oceń poprawę jakości, gdy wydrukowano więcej warstw.
  2. Oceń topologię powierzchni i profil grubości wielowarstwowych drukarek atramentowych za pomocą bezkontaktowego profilometru powierzchni 3D (opartego na interferometrii światła białego) za pomocą mikroskopu optycznego 3D.
    UWAGA: Więcej szczegółów na temat pomiarów i przyrządów, które zostały użyte do sformułowania/wydrukowania i scharakteryzowania wydrukowanych wzorów, przedstawiono w odnośniku21.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Zbadano właściwości fizyczne tuszu wodnego PVOH, takie jak napięcie powierzchniowe, lepkość/zachowanie reologiczne, pH, zwilżanie i stabilność czasowa. Lepkość tuszu użytego w tej pracy wynosiła 7,5 cP, a napięcie powierzchniowe 39,3 mN/m. Dodatkowo opracowany tusz był neutralny (pH 7), a wyniki podsumowano w Tabeli 1.

atrament

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

W tej pracy z powodzeniem zademonstrowaliśmy zdolność technologii druku atramentowego do osadzania wielowarstwowych polimerów. Zbadano zachowanie reologiczne, a wyniki eksperymentalne pokazują, że sformułowany tusz wykazuje pseudoplastyczne rozrzedzenie przy ścinaniu. Ponadto atrament PVOH jest roztworem obojętnym (pH 7) i wykazuje dobrą stabilność w czasie. W szczególności udało się wykazać, że technologia IJP jest w stanie wytwarzać wielowarstwowe struktury z polialkoholu winylowego, ale konieczna jest dalsza poprawa p...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Autorzy dziękują Innovate UK za finansowanie tych badań w ramach projektów DIRECT (33417-239227) i PCAP (27508-196153). Autorzy pragną również podziękować PVOH Polymers Ltd. za dostarczenie materiałów i profesjonalne wskazówki podczas tych prac, a także Unilever, AkzoNobel i Carclo Technical Plastics za ich wsparcie.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Alkohol poliwinylowy PVOH Polymers Ltd, Wielka BrytaniaPoval 4-88
Glikol monopropylenowy Wiskozymetr Sigma Aldrich, Wielka BrytaniaW29004
DV2T w Brookfield, Wielka Brytania
 Biolin Scientific, Szwecja
pH-metr HANNA HANNA Instruments, Wielka Brytania
przemysłowy druk atramentowy XYPrint100ZIndustrial Inkjet Ltd, brytyjski
mikroskop optyczny ContourGT-K 3D Bruker Corp, Stany Zjednoczone
Tensjometr optyczny Theta

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Inkjet PrintingPolyvinyl AlcoholMultilayer StructuresInk FormulationSubstrate WettabilityOptical MicroscopyViscosity MeasurementContact Angle AnalysisPseudoplastic BehaviorTime Stability

Powiązane artykuły