Yöntem makalesi

Mürekkep püskürtmeli baskılı Polivinil Alkol Çok Katmanlılar

DOI:

10.3791/55093

⸱

11 Mayıs 2017

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

Bu makalede

Özet

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

Bir mürekkep püskürtmeli yazıcı, polivinil alkol çok tabakaları imal etmek için kullanıldı. Polivinil alkol su bazlı mürekkep formüle edildi ve ana fiziksel özellikler araştırıldı.

Özet

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

Mürekkep püskürtmeli baskı, polimer işleme için modern bir yöntemdir ve bu çalışmada, bu teknolojinin polivinil alkol (PVOH) çok tabakalı yapılar üretebildiğini göstermektedir. Bir polivinil alkol sulu çözeltisi formüle edildi. Mürekkebin, yüzey gerilimi, viskozite, pH ve zaman kararlılığı gibi içsel özellikleri araştırılmıştır. PVOH esaslı mürekkep, 39.3 mN / m bir yüzey gerilimi ve 7.5 cP'lik bir viskoziteye sahip nötr bir çözeltiydi (pH 6.7). Mürekkep, düşük kesme hızlarında pseudoplastik (Newton olmayan kayma inceltme) davranış sergiledi ve genel olarak, iyi zaman stabilitesi gösterdi. Farklı substratlarda mürekkebin ıslanabilme özelliği araştırıldı ve cam, bu özel durumda en uygun alt tabaka olarak tanımlandı. Polimer çok tabakalı yapıların imalatı için tescilli bir 3B mürekkep püskürtmeli yazıcı kullanıldı. Mürekkep püskürtmeli basılmış çok katmanlıların morfolojisi, yüzey profili ve kalınlık tekdüzeliği, optik mikroskopi.

Giriş

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

Polivinil alkol yarı organik, yapay, toksik olmayan, suda çözünür, çoğu organik çözücüde çözünmez, biyolojik olarak parçalanabilir ve insan dokusunda biyolojik olarak uyumludur ve mükemmel gaz bariyeri özelliklerine sahiptir 1 . Dahası, birçok yararlı özelliği nedeniyle, PVOH çok sayıda uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde PVOH, temizlik ve deterjan ürünleri, gıda ambalaj endüstrisi, su arıtma, tekstil, tarım ve inşaat (katkı maddeleri olarak) üretiminde kullanılmaktadır 1 . Bununla birlikte, PVOH kısa bir süre önce , ilaç kullanımı 2 (ilaç verme) ve tıbbi uygulamalarda 3,4 ( örn., Yara pansuman, yumuşak kontakt lensler, göz damlası ve yumuşak klinikler değiştirme implantları) için artan miktarda ilgi uyandırmıştır. PVOH filmleri bir eriyik veya çözelti formu ile üretilir. Eriyik işleme compatSadece PVOH ile düşük hidroliz seviyeleri veya aşırı derecede plastikleşmiş PVOH ile karşılaşılabilir. Böylece, bu yolu kullanırken, bazı özellikler feda edilebilir 1 . Öte yandan, bir PVOH tabakası, damla dökümü 5 , spin kaplama 6 veya elektrospinning 7 ile çözelti formundan geçirilebilir. Bununla birlikte, bu yöntemlerin istenmeyen materyallerin atılması açısından bir takım kısıtlamaları vardır. Örneğin, spin kaplama söz konusu olduğunda, maddenin% 95'inin boşa gittiği bildirilmiştir. Buna ek olarak, bu yöntemler tasarım / özellik açısından oldukça katıdır (desenlendirme yeteneği yok) ve genel işleme maliyetleri yüksektir. Geleneksel çözelti işlemesinin sınırlandırılmasının üstesinden gelmek için, mürekkep püskürtmeli baskı teknolojisinin, hem malzeme hem de uygulama üzerinde güçlü bir etkisi olan polivinil alkol (PVOH) çok katmanlı yapılar üretmek için yeni bir platform sunma potansiyelini keşfediyoruzYalan söyleme perspektifleri.

İmalat sektöründeki son gelişmeler ucuz, basit, çevre dostu ve enerji tasarruflu süreçlere odaklanmıştır. Mürekkep Püskürtmeli Baskı (IJP), bu çerçevede mükemmel biçimde uyan modern bir üretim sürecidir. IJP teknolojisinin başlıca avantajları, materyal kullanımının etkinliği, dijital (maskesiz) ve katmanlı desenlendirme, geniş alan kapasitesi, katı / esnek yüzeyler ile uyumluluk ve düşük maliyettir.

IJP, bir çözücü içerisinde dağılmış polimerik malzemeleri kullanan bir birikim yöntemidir. Bugüne kadar fonksiyonel polimer- 9 , seramik- 10 , iletken nanomaterial- 11 , 2D- 12 , biyolojik ve farmasötik bazlı 13 materyal başarılı bir şekilde çöktürülmüştür. Son zamanlarda, IJP'nin elektronik cihazların bir parçası olarak bileşenlerin biriktirilmesine katıldığı,( 14) , sensörler ( 15) , güneş pilleri ( 16 ) ve hafıza cihazları ( 17 ) gibi elektronik ambalajlardaki ( 18) .

Mürekkep, kartuş ve alt tabaka, baskı sürecinde kullanılan eşit derecede önemli bileşenlerdir. Birincisi, yüzey gerilimi ve reolojik özellikler ( yani kesilme viskozitesi) gibi mürekkebin fiziksel özellikleri baskılanabilirlik davranışında önemli bir etkiye sahiptir. Ayrıca, pH hem solüsyondaki ( ör. Kurutma, köpürme ve viskozite) hem de IJP baskı kartuşunun kullanım ömründe önemli bir rol oynamaktadır. İkincisi, kartuş için (piezoelektrik), sürüş gerilimi dalga formu aslında damla oluşumunu ve sıvı jetinin yöniyetini ve tekdüzeliğini tanımlar. Son olarak, mürekkep / substrat etkileşiminin çözünürlük ve doğruluk olarak çok iyi anlaşılması zorunludurBasılı nesnenin güçlü bir şekilde bu arayüze bağlıdır. Solvent buharlaşması, sıvıdan katıya faz değişimi ve kimyasal reaksiyonlar sıvı damlası ve alt tabaka arasında oluşan ana işlemlerdir. Mürekkep özelliklerinden düşme / alt tabaka mekanizmalarına kadar IJP'de yer alan tüm hususlar Hutchings 19 ve Derby 20 tarafından incelenen makalelerde vurgulanmıştır.

Bu çalışmada, IJP'nin polivinil alkol çok katmanlı imalatçılarının yeteneklerini keşfediyoruz. Birincisi, PVOH su bazlı mürekkep formüle edildi ve reolojik davranış, yüzey gerilimi ve pH gibi ana fiziksel özellikler araştırıldı. Bu çalışmada piezoelektrik mürekkep püskürtmeli bir yazıcı kullanıldı ve uygun dalga formu parametreleri belirlendi. PVOH çok tabakaları basıldı ve kalite ve yüzey / kalınlık profilleri optik mikroskopi ile değerlendirildi.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1. Mürekkep Formülasyonu

  1. 60 ° C'ye ısıtılmış saf suda polivinil alkol (suda% 8 wt oranında PVOH) çözülerek IJP'nin çözeltisini hazırlayın.
  2. Çözeltiye nemlendirici olarak 10 g mono-propilen glikol (MPG) (suda ağırlıkça% 10 mono-propilen glikol) ilave edin.
    NOT: Nemlendiricinin rolü, baskı kafasındaki tıkanmaları önlemektir.
  3. Homojenliği sağlamak için çözümü birkaç saat karıştırın ve ardından püskürtme memelerini engelleyebilecek partikülleri gidermek için 5 μm filtreyle filtreleyin.
  4. Mürekkebin homojenliği, özellikle de herhangi bir sedimantasyon sıklığı için görsel olarak değerlendirilmesi. Çökme gözlenirse, çözeltiyi uzun süre (günler) karıştırın / ultra-sonike edin veya düşük molekül ağırlıklı bir PVOH ile yeni bir su bazlı solüsyonu formüle edin.
    NOT: Tüm sıvıları kapalı süpürgelerde oda sıcaklığında saklayın.

2. Mürekkep Karakterizasyonu

  1. Tüm mürekkep karakterini uygulaTemiz oda ortamında oda sıcaklığında ıslatma testleri.
  2. Bir viskometre kullanarak çözeltinin viskozitesini ölçün.
    NOT: Bu test, formüle edilmiş mürekkebin IJP donanımı ile uyumlu olduğundan emin olmak için gereklidir. Mürekkep püskürtmeli baskı işlemi, 4-20 cP'lik düşük viskoziteli bir çözeltiyi gerektirir. Mürekkebin viskozitesini bir döner viskozimetre kullanarak kayma hızının bir fonksiyonu olarak ölçün.
  3. Sarkıt damla yöntemini kullanarak mürekkebin yüzey gerilimini oda sıcaklığında test edin. Bir gerilim ölçer gibi uygun bir ölçüm aracı kullanın. Üreticinin protokolünü kullanın.
    NOT: Mürekkep püskürtmeli baskı için tipik bir çözüm, 30-40 mN / m'lik bir yüzey gerilimine sahiptir.
  4. PH'ı bir pH metre ile test edin. Üreticinin protokolünü kullanın.
    NOT: pH, su bazlı mürekkeplerde önemli bir parametredir çünkü formüle edilmiş solüsyonların özellikleri ve stabilitesi hakkında önemli bilgiler sağlar. Nötr bir çözelti pH 7, kararlı bir pBaskı kafası için iyi bir kullanım ömrü sağlar.
  5. Sabit bir düşme deneyi yoluyla temas açısını ölçerek mürekkebin farklı yüzeylerde ıslanabilirliğini değerlendirin. Olası yüzeylerin ( örneğin cam, plastik ve kağıt) yüzey enerjisini ölçmek için bir gerilim ölçer kullanın. Gerilim ölçer üreticisi tarafından verilen protokolü kullanarak yüzey enerjisini ölçün.
    NOT: Damla ile alt katman arasındaki etkileşim, baskı kalitesi üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir. Mürekkebin alt tabakaya iyi yapışmasını sağlamak için alt tabakanın yüzey enerjisi mürekkebin yüzey gerilimini 10-15 mN / m kadar aşmalıdır.

3. Mürekkep Püskürtmeli Baskı

NOT: Tüm mürekkep püskürtmeli baskı yatakları oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. PVOH çok tabakaları bir piezoelektrik melez mürekkep püskürtmeli baskı makinesi kullanılarak çöktürüldü. 512 memeli (256 x 2 sıra), 30 μm meme çapı ve 42 pL damlacık boyutlu bir baskı kafası kullanıldıBu çalışmada d.

  1. Baskıdan önce, cam yüzeyleri aseton / metanol / izopropanol ve Di su ile iyice temizleyin. Yüzeyleri bir N2 tabancasıyla kurutun.
  2. Altlığı baskı yatağının üzerine yerleştirin ve sıkıca sabitleyin.
  3. Kartuşu, mürekkepleri baskı kafasından akıtarak hazırlayın. Rezervuardan ve püskürtücülerden herhangi bir hava veya temizlik solüsyonunu çıkarın.
  4. Kartuşu yazıcıya yerleştirdiniz. Baskı kafasını kafa kişilik tahtasıyla global inkjet sistemleri (GIS) baskı yöneticisine bağlayın.
  5. Çözümü, kartuşun üzerinde bulunan 150 mL'lik şırıngaya yükleyin ve şırıngayı hava geçirmez bir kapak ile kapatın.
  6. Temizleme düğmesine basarak mürekkebi memeden temizleyin.
    NOT: Püskürtücü tabaka mesafesi, jet yörüngesi üzerinde ve dolayısıyla basılı patern kalitesi üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir. Bu nedenle jet yayılımını azaltmak için yazıcının yazılımını kullanarak meme-tabaka mesafesini ayarlayın.
  7. SetDalgaformu ve yazdırma parametrelerini GIS yazdırma yazılımı ve Tablo 2 ile ayarlayın.
    NOT: GIS yazılım arabirimi hem çekme hem de serbest bırakma genliği ve genişliği üzerinde kontrol sağlar.
  8. GIS baskı yöneticisi yazılımını kullanarak yazdırmak için istediğiniz görüntü dosyasını yükleyin.
  9. Dijital işlemi başlatın ve görüntü desenini alt tabakaya yazdırın.

4. Baskılı Desen Analizi

  1. Baskılı desenlerin kalitesini optik mikroskop kullanarak inceleyin. Basılı özelliklerdeki kusurların olup olmadığını kontrol edin ve daha fazla katman basıldığında kalitenin iyileşmesini değerlendirin.
  2. Mürekkep püskürtmeli basılmış çok tabakalı yüzey topolojisini ve kalınlık profilini, 3D optik mikroskop ile temassız bir 3B yüzey profilometre (beyaz ışık interferometrisine dayanan) kullanarak değerlendirin.
    NOT: Ölçümler ve bu malzemelerin formülasyonu, baskısı ve karakterizasyonu için kullanılan araçlarla ilgili daha ayrıntılı bilgiBaskılı desenler Referans 21'de sunulmuştur.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Yüzey gerilimi, viskozite / reolojik davranış, pH, ıslanma ve zaman kararlılığı gibi PVOH su bazlı mürekkebin fiziksel özellikleri araştırılmıştır. Bu çalışmada kullanılan mürekkebin viskozitesi 7.5 cP ve yüzey gerilimi 39.3 mN / m idi. Ek olarak, formüle edilmiş mürekkep nötr (pH 7) idi, sonuçlar Tablo 1'de özetlenmiştir.

Mürekkep

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Bu çalışmada, mürekkep püskürtmeli baskı teknolojisinin polimer çok tabakalarını biriktirme becerisini başarıyla gösterdik. Reolojik davranış incelendi ve deneysel sonuçlar, formülasyona tabi tutulan mürekkebin psödoplastik kayma inceltme davranışını sergilediğini ortaya koydu. Ayrıca, PVOH mürekkebi nötr bir çözeltidir (pH 7) ve zamanla iyi bir kararlılık gösterir. Özellikle, IJP teknolojisinin polivinil alkol çok tabakalı yapıları üretebildiğini başarıyla gösterildi, ancak baskı kapsamındaki ve toplam kalitenin daha d...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Teşekkürler

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

Yazarlar, bu araştırmayı DIRECT (33417-239227) ve PCAP (27508-196153) projeleri kapsamında finanse ettikleri için Innovate UK'i onaylamak istiyorlar. Yazarlar ayrıca, PVOH Polymers Ltd.'ye, bu çalışma sırasında malzeme ve mesleki rehberlik sağladıkları için teşekkür etmeyi ve Unilever, AkzoNobel ve Carclo Technical Plastics'i de desteklemelerini istemektedirler.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Polivinil alkol PVOH Polymers Ltd, UKPoval 4-88
Mono-propilen glikol Sigma Aldrich, İngiltereW29004
DV2T viskozimetre Brookfield, İngiltere
Attension Theta Optik Tansiyometre Biolin Scientific, İsveç
HANNA pH ölçüm cihazı HANNA Instruments, İngiltere
endüstriyel Mürekkep Püskürtmeli XYPrint100ZEndüstriyel Mürekkep Püskürtmeli Ltd, İngiltere
ContourGT-K 3D optik mikroskop ve nbsp;Bruker Corp, Amerika Birleşik Devletleri

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

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

İlgili makaleler