Artigo de método

Polyvinyl Alcohol Multilayers impresso a jacto de tinta

DOI:

10.3791/55093

⸱

11 de maio de 2017

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

Neste artigo

Resumo

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Utilizou-se uma impressora a jacto de tinta para fabricar multicamadas de álcool polivinílico. Formulou-se tinta à base de água de álcool polivinílico, e as propriedades físicas principais foram investigadas.

Resumo

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A impressão a jacto de tinta é um método moderno para processamento de polímeros, e neste trabalho, demonstramos que esta tecnologia é capaz de produzir estruturas de multicamadas de álcool polivinílico (PVOH). Formulou-se uma solução aquosa de álcool polivinílico. As propriedades intrínsecas da tinta, tais como tensão superficial, viscosidade, pH, e estabilidade de tempo, foram investigadas. A tinta à base de PVOH era uma solução neutra (pH 6,7) com uma tensão superficial de 39,3 mN / m e uma viscosidade de 7,5 cP. A tinta mostrou comportamento pseudoplástico (desbaste não-newtoniano) a baixas taxas de cisalhamento e, em geral, demonstrou boa estabilidade no tempo. A molhabilidade da tinta em diferentes substratos foi investigada e o vidro foi identificado como o substrato mais adequado neste caso particular. Utilizou-se uma impressora de jacto de tinta 3D proprietária para fabricar estruturas multicamadas de polímero. A morfologia, o perfil superficial ea uniformidade de espessura de multicamadas impressas a jato de tinta foram avaliados por microscopia óptica.

Introdução

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O álcool polivinílico é semicristalino, artificial, não tóxico, solúvel em água, insolúvel na maioria dos solventes orgânicos, biodegradável e biocompatível em tecidos humanos e possui excelentes propriedades de barreira ao gás 1 . Além disso, devido às suas muitas propriedades úteis, PVOH é amplamente utilizado em um grande número de aplicações. Atualmente, o PVOH é utilizado na fabricação de produtos de limpeza e detergentes, na indústria de embalagens de alimentos, tratamento de água, têxtil, agricultura e construção (como aditivos) 1 . No entanto, o PVOH tem atraído recentemente uma maior atenção para usos farmacêuticos 2 ( isto é, libertação de fármaco) e em aplicações médicas 3 , 4 ( por exemplo, curativo para feridas, lentes de contacto moles, colírios e implantes moles para substituição de cartilagem). As películas de PVOH são produzidas quer através de uma forma fundida quer sob forma de solução. O processamento de fusão é compatApenas com PVOH com baixos níveis de hidrólise ou PVOH pesadamente plastificado. Assim, ao usar esta via, algumas propriedades podem ser sacrificadas 1 . Por outro lado, uma camada de PVOH pode ser depositada através da forma de solução por fundição sob pressão 5 , revestimento por centrifugação 6 ou electrospinning 7 . No entanto, estes métodos têm uma série de limitações em termos do desperdício de material indesejado. Por exemplo, no caso do revestimento por centrifugação, foi relatado 8 que 95% do material é desperdiçado. Além disso, estes métodos são bastante rígidos em termos de design / funcionalidades (sem capacidade de padronização) e têm elevados custos globais de processamento. A fim de superar a limitação do processamento de solução convencional, aqui vamos explorar o potencial da tecnologia de impressão a jato de tinta para fornecer uma nova plataforma para produzir álcool polivinílico (PVOH) estruturas multi-camada que têm um forte impacto no material e appPerspectivas de inovação.

Os desenvolvimentos recentes no setor manufatureiro focalizaram em processos baratos, simples, eco-amigáveis, e de poupança de energia. A impressão a jato de tinta (IJP) é um processo de fabricação moderno que se encaixa perfeitamente dentro desta estrutura. As principais vantagens da tecnologia IJP são a eficiência do uso de materiais, o padrão digital (sem máscara) e aditivo, a grande capacidade de área, a compatibilidade com substratos rígidos / flexíveis eo baixo custo.

O IJP é um método de deposição que usa materiais poliméricos dispersos em um solvente. Até à data, foram depositados com sucesso materiais de polímero 9 funcionais, cerâmicos- 10 , nanomateriais condutores 11 , 2D- 12 , biologicamente e farmaceuticamente baseados. Recentemente, foi relatado que o IJP estava envolvido na deposição de componentes como parte de dispositivos eletrônicos,Tais como transistores 14 , sensores 15 , células solares 16 , e dispositivos de memória 17 , bem como na embalagem electrónica 18 .

A tinta, o cartucho e o substrato são componentes igualmente importantes que são empregues no processo de impressão. Em primeiro lugar, as propriedades físicas da tinta, tais como a tensão superficial e as propriedades reológicas ( isto é, viscosidade de cisalhamento), têm um impacto significativo no comportamento de impressão. Além disso, o pH desempenha um papel importante tanto na solução ( por exemplo, secagem, espuma e viscosidade) como no tempo de vida do cartucho de impressão IJP. Em segundo lugar, para o cartucho (piezoeléctrico), a forma de onda de tensão de accionamento define efectivamente a formação de gotas e a direccionalidade e a uniformidade do jacto de líquido. Finalmente, é imperativo que a interação tinta / substrato é muito bem compreendida, como a resolução e precisãoDo objeto impresso são fortemente dependentes desta interface. A evaporação do solvente, as mudanças de fase do líquido para o sólido e as reações químicas são os principais processos que ocorrem entre a queda do fluido eo substrato. Todos os aspectos envolvidos no IJP, desde as propriedades da tinta aos mecanismos de queda / substrato, são destacados em artigos de revisão por Hutchings 19 e Derby 20 .

Neste estudo, exploramos as capacidades do IJP para fabricar multicamadas de álcool polivinílico. Em primeiro lugar, foi formulada uma tinta à base de água PVOH, e as propriedades físicas principais, tais como comportamento reológico, tensão superficial e pH, foram investigadas. Neste trabalho, foi empregue uma impressora jato de tinta piezoelétrica, e os parâmetros de forma de onda apropriados foram então identificados. PVOH foram impressas e a qualidade e os perfis de superfície / espessura foram avaliados por microscopia óptica.

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Protocolo

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1. Formulação de tinta

  1. Preparar a solução para IJP dissolvendo álcool polivinílico (8% em peso de PVOH em água) em água purificada aquecida a 60 ° C.
  2. Adicionar 10 g de mono-propilenoglicol (MPG) (10% em peso de mono-propilenoglicol em água), como um humectante, à solução.
    NOTA: O papel do humectante é evitar bloqueios na cabeça de impressão.
  3. Agitar a solução por várias horas para garantir a homogeneidade e, em seguida, filtrá-lo através de um filtro de 5 μm para remover quaisquer partículas que possam bloquear os bicos.
  4. Avaliar visualmente a homogeneidade da tinta, especialmente para qualquer incidência de sedimentação. Se a sedimentação for observada, então agitar / ultra-sonicar a solução por um longo tempo (dias) ou formular uma nova solução à base de água com um PVOH com baixo peso molecular.
    NOTA: Guarde todos os fluidos em recipientes fechados à temperatura ambiente.

2. Caracterização da Tinta

  1. Executar todos os caracteres de tintaIzação à temperatura ambiente num ambiente de sala limpa.
  2. Medir a viscosidade da solução utilizando um viscosímetro.
    NOTA: Este teste é necessário para garantir que a tinta formulada é compatível com o hardware IJP. O processo de impressão a jato de tinta requer uma solução de baixa viscosidade de 4-20 cP. Medir a viscosidade da tinta em função da taxa de cisalhamento utilizando um viscosímetro rotacional.
  3. Teste a tensão superficial da tinta à temperatura ambiente usando o método de queda pendente. Use uma ferramenta de medição apropriada, como um tensiómetro. Use o protocolo do fabricante.
    NOTA: Uma solução típica para impressão a jato de tinta tem uma tensão superficial de 30-40 mN / m.
  4. Teste o pH usando um medidor de pH. Use o protocolo do fabricante.
    NOTA: O pH é um parâmetro essencial em tintas à base de água, pois fornece informações essenciais sobre as propriedades ea estabilidade das soluções formuladas. Uma solução neutra pH de 7 garante um p estávelUm bom tempo de vida para a cabeça de impressão.
  5. Avaliar a molhabilidade da tinta em diferentes substratos, medindo o ângulo de contato através de uma experiência de queda sessile. Use um tensiómetro para medir a energia superficial dos substratos possíveis ( por exemplo, vidro, plástico e papel). Medir a energia de superfície usando o protocolo fornecido pelo fabricante do tensiómetro.
    NOTA: A interação entre a gota e o substrato tem um forte impacto na qualidade de impressão. Para assegurar a boa aderência da tinta ao substrato, a energia superficial do substrato deve exceder a tensão superficial da tinta em 10-15 mN / m.

3. Impressão a Jato de Tinta

NOTA: Todas as deposições de impressão por jacto de tinta foram realizadas à temperatura ambiente. As multicamadas de PVOH foram depositadas utilizando uma máquina de impressão por jacto de tinta híbrida piezoeléctrica. Um cabeçote de impressão com 512 bicos (256 x 2 linhas), um diâmetro de bocal de 30 μm e um tamanho de gota de 42 pL foi usadoD neste trabalho.

  1. Antes da impressão, limpe bem os substratos de vidro com acetona / metanol / isopropanol e água Di. Secar os substratos com uma pistola N 2 .
  2. Coloque o substrato no leito de impressão e prenda-o firmemente.
  3. Prepare o cartucho lavando a tinta através da cabeça de impressão. Remova todo o ar ou solução de limpeza do reservatório e bicos.
  4. Coloque o cartucho na impressora. Conecte o cabeçote de impressão ao gerenciador de impressão de sistemas de jato de tinta global (GIS) através da placa de personalidade principal.
  5. Colocar a solução na seringa de 150 ml situada acima do cartucho e selar a seringa com uma tampa hermética.
  6. Purgue a tinta através do bocal pressionando o botão de purga.
    NOTA: A distância bico-substrato tem uma forte influência na trajetória do jato e, portanto, na qualidade do padrão impresso. Portanto, ajuste a distância do bico-substrato usando o software da impressora para reduzir o espalhamento do jato.
  7. ConjuntoA forma de onda e os parâmetros de impressão usando o software de impressão SIG ea Tabela 2 .
    NOTA: A interface do software GIS permite o controle tanto da amplitude de puxar e liberar quanto da largura.
  8. Carregue o arquivo de imagem desejado para impressão usando o software gerenciador de impressão GIS.
  9. Inicie o processo digital e imprima o padrão de imagem no substrato.

4. Análise do Padrão Impresso

  1. Investigar a qualidade dos padrões impressos usando um microscópio óptico. Verifique a presença de defeitos dentro das características impressas e avalie a melhoria na qualidade quando mais camadas foram impressas.
  2. Avaliar a topologia superficial eo perfil de espessura das multicamadas impressas a jato de tinta usando um perfilômetro de superfície 3D sem contato (baseado na interferometria de luz branca) por meio de um microscópio óptico 3D.
    NOTA: Mais detalhes sobre as medições e os instrumentos utilizados para formular / imprimir e caracterizar oPadrões impressos são apresentados na referência 21 .

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Resultados

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Foram investigadas as propriedades físicas da tinta à base de água PVOH, tais como tensão superficial, comportamento viscoso / reológico, pH, molhamento e estabilidade no tempo. A viscosidade da tinta utilizada neste trabalho foi de 7,5 cP e a tensão superficial foi de 39,3 mN / m. Adicionalmente, a tinta formulada era neutra (pH 7), com os resultados resumidos na Tabela 1 .

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Discussão

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Neste trabalho, demonstramos com sucesso a capacidade da tecnologia de impressão a jato de tinta para depositar multicamadas de polímero. O comportamento reológico foi investigado, e os resultados experimentais demonstram que a tinta formulada apresenta comportamento pseudoplástico de diluição por cisalhamento. Além disso, a tinta PVOH é uma solução neutra (pH 7) e mostra boa estabilidade ao longo do tempo. Notavelmente, foi demonstrado com sucesso que a tecnologia IJP é capaz de produzir estruturas de multicamadas de á...

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Divulgações

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Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

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Os autores gostariam de agradecer a Innovate UK pelo financiamento desta investigação nos projectos DIRECT (33417-239227) e PCAP (27508-196153). Os autores também agradecem a PVOH Polymers Ltd., por fornecer materiais e orientação profissional durante este trabalho, e Unilever, AkzoNobel e Carclo Technical Plastics, por seu apoio.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Álcool polivinílico PVOH Polymers Ltd, UKPoval 4-88
Mono-propileno glicol Sigma Aldrich, UKW29004
DV2T viscosímetro Brookfield, UK
Tensiômetro Óptico Theta Attension;Biolin Scientific, Suécia
Medidor de pH HANNA HANNA Instruments, UK
Industrial Inkjet XYPrint100ZIndustrial Inkjet Ltd, UK
ContourGT-K microscópio óptico 3D Bruker Corp, EUA

Referências

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