Методическая статья

Многослойные поливиниловые спиртовые отпечатки

DOI:

10.3791/55093

⸱

11 мая 2017 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Для производства многослойных поливиниловых спиртов использовался струйный принтер. Были составлены водные чернила на основе поливинилового спирта и исследованы основные физические свойства.

Аннотация

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

Струйная печать является современным методом переработки полимеров, и в этой работе мы демонстрируем, что эта технология способна создавать многослойные структуры из поливинилового спирта (PVOH). Был составлен рецепт водного раствора поливинилового спирта. Были исследованы внутренние свойства чернил, такие как поверхностное натяжение, вязкость, рН и стабильность во времени. Чернила на основе PVOH представляли собой нейтральный раствор (pH 6,7) с поверхностным натяжением 39,3 мН / м и вязкостью 7,5 сП. Чернила отображают псевдопластическое поведение (неньютоновское сдвиговое прореживание) при низких скоростях сдвига и в целом демонстрируют хорошую стабильность во времени. Исследовали смачиваемость краски на разных подложках, и стекло было идентифицировано как наиболее подходящая подложка в данном конкретном случае. Для изготовления полимерных многослойных структур был использован запатентованный трехмерный струйный принтер. Морфологию, профиль поверхности и однородность толщины струйно-печатных мультислоев оценивали с помощью оптической микроскопии,

Введение

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

Поливиниловый спирт является полукристаллическим, искусственным, нетоксичным, водорастворимым, нерастворимым в большинстве органических растворителей, биодеградируемым и биосовместимым в тканях человека и обладает отличными газобарьерными свойствами. 1 . Кроме того, благодаря множеству полезных свойств PVOH широко используется во многих приложениях. В настоящее время PVOH используется в: производстве чистящих и моющих средств, пищевой промышленности, водоочистке, текстиле, сельском хозяйстве и строительстве (в качестве добавок) 1 . Однако PVOH в последнее время привлекает повышенное внимание к фармацевтическим применениям 2 ( например, доставка лекарств) и медицинским применениям 3 , 4 ( например, перевязка ран, мягкие контактные линзы, глазные капли и мягкие имплантаты для замены хряща). Пленки PVOH получают либо через расплав, либо в виде раствора. Переработка расплава соответствуетВозможно только с PVOH с низким уровнем гидролиза или сильно пластифицированным PVOH. Таким образом, при использовании этого пути некоторые свойства могут быть принесены в жертву 1 . С другой стороны, слой PVOH может осаждаться через форму раствора капельным методом 5 , спиновым покрытием 6 или электроспиннингом 7 . Однако эти методы имеют ряд ограничений в отношении отходов ненужного материала. Например, в случае спинового покрытия сообщалось 8, что 95% материала теряется впустую. Кроме того, эти методы являются довольно жесткими с точки зрения дизайна / функций (без возможности формирования шаблонов) и имеют высокие общие затраты на обработку. Чтобы преодолеть ограничение традиционной обработки решения, мы здесь исследуем потенциал технологии струйной печати, чтобы обеспечить новую платформу для производства многослойных структур поливинилового спирта (PVOH), которые оказывают сильное влияние как на материал, так и на приложениеПерспективы.

Последние события в производственном секторе были сосредоточены на дешевых, простых, экологически чистых и энергосберегающих процессах. Струйная печать (IJP) - это современный процесс изготовления, который идеально вписывается в эти рамки. Основными преимуществами технологии IJP являются эффективность использования материалов, цифровое (без маски) и пакетирование присадок, большая площадь поверхности, совместимость с жесткими / гибкими подложками и низкая стоимость.

IJP - метод осаждения, в котором используются полимерные материалы, диспергированные в растворителе. На сегодняшний день успешно сданы на хранение функциональные материалы из полимерного материала 9 , керамика- 10 , проводящий наноматериал- 11 , 2D- 12 , биологически и фармацевтически. Недавно было сообщено, что IJP участвовал в осаждении компонентов в составе электронных устройств,Таких как транзисторы 14 , датчики 15 , солнечные элементы 16 и запоминающие устройства 17 , а также в электронной упаковке 18 .

Чернила, картридж и подложка являются одинаково важными компонентами, которые используются в процессе печати. Во-первых, физические свойства чернил, такие как поверхностное натяжение и реологические свойства ( т.е. сдвиговая вязкость), оказывают существенное влияние на поведение печатной формы. Кроме того, pH играет важную роль как в растворе ( например, высыхание, вспенивание и вязкость), так и в сроке службы картриджа IJP. Во-вторых, для картриджа (пьезоэлектрического) волна напряжения управляющего напряжения фактически определяет образование капли и как направленность, так и однородность струи жидкости. Наконец, крайне важно, чтобы взаимодействие чернил и подложки было очень хорошо понято, так как разрешение и точностьОт печатного объекта сильно зависят от этого интерфейса. Испарение растворителя, изменение фазы от жидкости к твердому веществу, а также химические реакции являются основными процессами, которые происходят между каплей жидкости и подложкой. Все аспекты, связанные с IJP, от свойств чернил до механизмов снижения / подложки, выделены в обзорных работах Хатчингса 19 и Дерби 20 .

В этом исследовании мы изучаем возможности IJP для производства многослойных поливиниловых спиртов. Сначала были составлены водные чернила PVOH, и были исследованы основные физические свойства, такие как реологические свойства, поверхностное натяжение и pH. В этой работе был использован пьезоэлектрический струйный принтер и затем идентифицированы соответствующие параметры формы сигнала. Были отпечатаны многослойные PVOH, а профили качества и поверхности / толщины были оценены с помощью оптической микроскопии.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Состав чернил

  1. Подготовьте раствор для IJP, растворяя поливиниловый спирт (8 вес.% PVOH в воде) в очищенной воде, нагретой до 60 ° C.
  2. Добавить в раствор 10 г монопропиленгликоля (MPG) (10 мас.% Монопропиленгликоля в воде) в качестве увлажнителя.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Роль увлажнителя заключается в предотвращении закупорки печатающей головки.
  3. Размешайте раствор в течение нескольких часов, чтобы обеспечить гомогенность, а затем отфильтруйте его через фильтр 5 мкм, чтобы удалить любые частицы, которые могут блокировать сопла.
  4. Визуально оцените чернила для однородности, особенно при любой степени седиментации. Если наблюдается седиментация, то либо перемешивайте / ультразвуком раствор в течение длительного времени (дни), либо составьте новый раствор на водной основе с PVOH с низкой молекулярной массой.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Храните все жидкости в закрытых стаканах при комнатной температуре.

2. Характеристика чернил

  1. Выполнить все чернильные символыIzation при комнатной температуре в чистом помещении.
  2. Измерить вязкость раствора с помощью вискозиметра.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Этот тест необходим, чтобы гарантировать совместимость чернил, составленных с рецептурой, с оборудованием IJP. Для струйной печати требуется раствор с низкой вязкостью 4-20 сП. Измерить вязкость чернил как функцию скорости сдвига с помощью ротационного вискозиметра.
  3. Проверьте поверхностное натяжение чернил при комнатной температуре с использованием метода подвески. Используйте подходящий измерительный инструмент, например, тензиометр. Используйте протокол производителя.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Типичное решение для струйной печати имеет поверхностное натяжение 30-40 мН / м.
  4. Проверьте рН с помощью рН-метра. Используйте протокол производителя.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Значение рН является существенным параметром для чернил на водной основе, поскольку оно обеспечивает важную информацию как о свойствах, так и стабильности сформулированных решений. Нейтральный раствор pH 7 гарантирует стабильную рRocess и хорошей жизни для печатающей головки.
  5. Оцените смачиваемость чернил на разных подложках путем измерения угла смачивания с помощью эксперимента с сидячим капель. Используйте тензиометр для измерения поверхностной энергии возможных субстратов ( например, стекла, пластика и бумаги). Измерьте поверхностную энергию, используя протокол, предоставленный производителем тензиометра.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Взаимодействие между каплей и подложкой оказывает сильное влияние на качество печати. Для обеспечения хорошей адгезии краски к подложке поверхностная энергия подложки должна превышать поверхностное натяжение чернил на 10-15 мН / м.

3. Струйная печать

ПРИМЕЧАНИЕ. Все отпечатки струйной печати были выполнены при комнатной температуре. Многослойные PVOH наносили с использованием пьезоэлектрической гибридной струйной печатной машины. Использовали печатающую головку с 512 соплами (256 х 2 ряда), диаметром сопла 30 мкм и размером капли 42 п.л.D в этой работе.

  1. Перед печатью тщательно очистите стеклянные подложки ацетоном / метанолом / изопропанолом и ди водой. Высушите субстраты пистолетом N 2 .
  2. Загрузите подложку на печатный слой и плотно закрепите ее.
  3. Подготовьте картридж, промывая чернила через печатающую головку. Удалите из резервуара и форсунок любой воздух или моющий раствор.
  4. Вставьте картридж в принтер. Подключите печатающую головку к диспетчеру печати глобальных систем струйной печати (ГИС) через панель управления личностью.
  5. Загрузите раствор в 150 мл шприц, расположенный над картриджем, и закройте шприц воздухонепроницаемым колпачком.
  6. Продуйте чернила через сопло, нажав кнопку продувки.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Расстояние между соплом и подложкой оказывает сильное влияние на траекторию струи и, следовательно, на качество печатного рисунка. Поэтому отрегулируйте расстояние между соплом и подложкой с помощью программного обеспечения принтера, чтобы уменьшить разброс струй.
  7. ЗадаватьВверх по форме сигнала и параметрам печати с использованием программного обеспечения для печати GIS и таблицы 2 .
    ПРИМЕЧАНИЕ: Программный интерфейс ГИС позволяет управлять как амплитудой, так и амплитудой вытяжки и шириной.
  8. Загрузите файл нужного изображения для печати с помощью программного обеспечения диспетчера печати ГИС.
  9. Запустите цифровой процесс и напечатайте изображение на подложке.

4. Анализ печатного рисунка

  1. Исследуйте качество печатных рисунков с помощью оптического микроскопа. Проверьте наличие дефектов в печатных функциях и оцените улучшение качества при печати большего количества слоев.
  2. Оцените топологию поверхности и профиль толщины печатаемых на струйных печах многослойных материалов с использованием бесконтактного трехмерного поверхностного профилометра (на основе интерферометрии белого света) с помощью 3D-оптического микроскопа.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Более подробно об измерениях и инструментах, которые были использованы для формулировки / печати и характеристикиПечатные шаблоны представлены в ссылке 21 .

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Были исследованы физические свойства чернил на водной основе PVOH, таких как поверхностное натяжение, вязкость / реологические свойства, pH, смачивание и стабильность во времени. Вязкость краски, используемой в этой работе, составляла 7,5 сП, а поверхностное натяжение составляло 39,3 мН / м. Кроме того, составные чернила были нейтральными (рН 7), результаты которых были суммированы в таблице 1 .

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

В этой работе мы успешно продемонстрировали способность технологии струйной печати наносить полимерные многослойные материалы. Реологическое поведение было исследовано, и экспериментальные результаты показывают, что в рецептурных чернилах проявляется псевдопластическое разжижение при сдвиге. Кроме того, чернила PVOH являются нейтральным раствором (pH 7) и показывают хорошую стабильность с течением времени. Примечательно, что было успешно продемонстрировано, что технология IJP способна создавать многослойные структуры из...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Авторы хотели бы отметить Innovate UK за финансирование этого исследования в рамках проектов DIRECT (33417-239227) и PCAP (27508-196153). Авторы также хотели бы поблагодарить PVOH Polymers Ltd. за предоставление материалов и профессиональное руководство в ходе этой работы, а также Unilever, AkzoNobel и Carclo Technical Plastics за их поддержку.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Поливиниловый спирт PVOH Polymers Ltd, ВеликобританияПовал 4-88
Монопропиленгликоль Sigma Aldrich, ВеликобританияW29004
Вискозиметр DV2T Брукфилд, Великобритания
Аттенсионный тета-оптический тензиометр Biolin Scientific, Швеция Измеритель
pH HANNA HANNA Instruments, Великобритания
Промышленный струйный XYPrint100ZIndustrial Inkjet Ltd, Великобритания
ContourGT-K 3D оптический микроскоп Bruker Corp, США

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Inkjet PrintingMultilayer StructuresInk FormulationSubstrate WettabilityOptical MicroscopyViscosity MeasurementContact Angle AnalysisPseudoplastic BehaviorTime Stability

Похожие статьи