Inkjet-bedruckte Polyvinylalkohol-Multilayer
Summary
Ein Tintenstrahldrucker wurde zur Herstellung von Polyvinylalkohol-Mehrfachschichten verwendet. Polyvinylalkohol-basierte Tinte wurde formuliert, und die wichtigsten physikalischen Eigenschaften wurden untersucht.
Abstract
Inkjet-Druck ist eine moderne Methode für die Polymerverarbeitung, und in dieser Arbeit zeigen wir, dass diese Technologie in der Lage ist, Polyvinylalkohol (PVOH) mehrschichtige Strukturen herzustellen. Eine wässrige Polyvinylalkohollösung wurde formuliert. Die intrinsischen Eigenschaften der Tinte, wie Oberflächenspannung, Viskosität, pH-Wert und Zeitstabilität, wurden untersucht. Die PVOH-basierte Tinte war eine neutrale Lösung (pH 6,7) mit einer Oberflächenspannung von 39,3 mN / m und einer Viskosität von 7,5 cP. Die Tinte zeigte pseudoplastische (nicht-Newtonsche Scherverdünnung) Verhalten bei niedrigen Schergeschwindigkeiten, und insgesamt zeigte sie eine gute Zeitstabilität. Die Benetzbarkeit der Tinte auf verschiedenen Substraten wurde untersucht, und Glas wurde in diesem Fall als das geeignetste Substrat identifiziert. Zur Herstellung von Polymer-Multilayer-Strukturen wurde ein proprietärer 3D-Tintenstrahldrucker eingesetzt. Die Morphologie, das Oberflächenprofil und die Dickengleichmäßigkeit der Inkjet-gedruckten Multilayer wurden mittels optischer Mikroskopie ausgewertet.
Introduction
Polyvinylalkohol ist halbkristallines, künstliches, ungiftiges, wasserlösliches, unlösliches in den meisten organischen Lösungsmitteln, biologisch abbaubar und biokompatibel in menschlichen Geweben und hat ausgezeichnete Gassperreigenschaften 1 . Darüber hinaus ist PVOH aufgrund seiner vielen nützlichen Eigenschaften weit verbreitet in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Heutzutage wird PVOH in: Herstellung von Reinigungs- und Waschmittelprodukten, der Lebensmittelverpackungsindustrie, Wasseraufbereitung, Textil, Landwirtschaft und Bau (als Additive) 1 eingesetzt. Allerdings hat PVOH vor kurzem eine erhöhte Aufmerksamkeit für die pharmazeutischen Verwendungen 2 ( dh die Arzneimittelabgabe) und in den medizinischen Anwendungen 3 , 4 ( z. B. Wundverband, weiche Kontaktlinsen, Augentropfen und weiche Implantate für den Knorpelaustausch) angezogen. PVOH-Folien werden entweder durch eine Schmelz- oder Lösungsform hergestellt. Schmelzverarbeitung ist kompatibelNur mit PVOH mit niedrigem Hydrolysegehalt oder stark plastifiziertem PVOH. So können bei der Verwendung dieses Weges einige Eigenschaften geopfert werden 1 . Auf der anderen Seite kann eine PVOH-Schicht über die Lösungsform durch Tropfengießen 5 , Schleuderbeschichtung 6 oder Elektrospinnen 7 abgeschieden werden. Diese Verfahren haben jedoch eine Reihe von Beschränkungen hinsichtlich der Verschwendung von unerwünschtem Material. Beispielsweise wurde im Fall der Schleuderbeschichtung 8 festgestellt , daß 95% des Materials verschwendet werden. Darüber hinaus sind diese Methoden sehr starr im Begriff der Design / Features (keine Strukturierung Fähigkeit) und haben hohe Gesamtverarbeitungskosten. Um die Begrenzung der konventionellen Lösungsverarbeitung zu überwinden, erforschen wir hier das Potenzial der Inkjet-Drucktechnologie, um eine neuartige Plattform zur Herstellung von Polyvinylalkohol (PVOH) Mehrschichtstrukturen zu schaffen, die sowohl das Material als auch die App stark beeinflussenPerspektiven.
Die jüngsten Entwicklungen im verarbeitenden Gewerbe haben sich auf billige, einfache, umweltfreundliche und energiesparende Prozesse konzentriert. Inkjet-Druck (IJP) ist ein moderner Fertigungsprozess, der perfekt in diesen Rahmen passt. Die Hauptvorteile der IJP-Technologie sind die Effizienz der Materialnutzung, die digitale (Masken-) und additive Strukturierung, die großflächige Fähigkeit, die Kompatibilität mit starren / flexiblen Substraten und die geringen Kosten.
IJP ist ein Abscheidungsverfahren, das polymere Materialien verwendet, die in einem Lösungsmittel dispergiert sind. Bisher wurden funktionelle Polymer- 9 , Keramik- 10 , leitfähige Nanomaterial- 11 , 2D- 12 , biologisch und pharmazeutisch basierende 13 Materialien erfolgreich deponiert. In letzter Zeit wurde berichtet, dass IJP an der Ablagerung von Komponenten als Teil von elektronischen Geräten beteiligt war,Wie beispielsweise Transistoren 14 , Sensoren 15 , Solarzellen 16 und Speichervorrichtungen 17 sowie in der elektronischen Verpackung 18 .
Die Tinte, die Patrone und das Substrat sind gleichermaßen wichtige Komponenten, die im Druckverfahren eingesetzt werden. Erstens haben die physikalischen Eigenschaften der Tinte, wie die Oberflächenspannung und die rheologischen Eigenschaften ( dh die Scherviskosität) einen erheblichen Einfluss auf das Bedruckbarkeitsverhalten. Auch der pH-Wert spielt bei der Lösung ( zB Trocknung, Schaumbildung und Viskosität) und bei der Lebensdauer der IJP-Druckpatrone eine wichtige Rolle. Zweitens definiert für die Patrone (piezoelektrisch) die Treiberspannungswellenform tatsächlich die Tropfenbildung und sowohl die Richtcharakteristik als auch die Gleichmäßigkeit des Flüssigkeitsstrahls. Schließlich ist es zwingend erforderlich, dass die Tinten- / Substrat-Wechselwirkung sehr gut verstanden wird, da die Auflösung und GenauigkeitDes gedruckten Objektes sind stark von dieser Schnittstelle abhängig. Lösungsmittelverdampfung, Phasenänderungen von flüssig zu fest und chemische Reaktionen sind die Hauptprozesse, die zwischen dem Flüssigkeitsabfall und dem Substrat auftreten. Alle Aspekte, die an der IJP beteiligt sind, von Tinteigenschaften bis hin zu Tropfen- / Substratmechanismen, werden in den Berichtspapieren von Hutchings 19 und von Derby 20 hervorgehoben.
In dieser Studie erforschen wir die Fähigkeiten von IJP zur Herstellung von Polyvinylalkohol-Multilayern. Zuerst wurde eine PVOH-wasserbasierende Tinte formuliert, und die wichtigsten physikalischen Eigenschaften, wie rheologisches Verhalten, Oberflächenspannung und pH-Wert, wurden untersucht. Bei dieser Arbeit wurde ein piezoelektrischer Tintenstrahldrucker verwendet, und die entsprechenden Wellenformparameter wurden dann identifiziert. PVOH-Multilayer wurden gedruckt und die Qualität und die Oberflächen- / Dickenprofile wurden durch optische Mikroskopie beurteilt.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dieser Arbeit haben wir erfolgreich die Fähigkeit der Inkjet-Drucktechnologie gezeigt, um Polymer-Multilayer abzusetzen. Das rheologische Verhalten wurde untersucht, und die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die formulierte Tinte ein pseudoplastisches Scherverdünnungsverhalten zeigt. Auch die PVOH-Tinte ist eine neutrale Lösung (pH 7) und zeigt eine gute Stabilität über die Zeit. Bemerkenswert ist, dass die IJP-Technologie in der Lage ist, Polyvinylalkohol-Multilayer-Strukturen herzustellen, aber es sind w…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten Innovate UK zur Finanzierung dieser Forschung im Rahmen der Projekte DIRECT (33417-239227) und PCAP (27508-196153) anerkennen. Die Autoren danken auch PVOH Polymers Ltd., für die Bereitstellung von Materialien und professionelle Beratung während dieser Arbeit, und Unilever, AkzoNobel und Carclo Technical Plastics, für ihre Unterstützung.
Materials
| Polyvinyl alcohol | PVOH Polymers Ltd, UK | Poval 4-88 | |
| Mono-propylene glycol | Sigma Aldrich, UK | W29004 | |
| DV2T viscometer | Brookfield, UK | ||
| Attension Theta Optical Tensiometer | Biolin Scientific, Sweden | ||
| HANNA pH meter | HANNA Instruments, UK | ||
| industrial Inkjet XYPrint100Z | Industrial Inkjet Ltd, UK | ||
| ContourGT-K 3D optical microscope | Bruker Corp, USA |
Referências
- Goodship, V., Jacobs, D. Polyvinyl Alcohol: Materials, Processing and Applications. Rapta Review Reports. 16, (2008).
- 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).
- 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).
- Gaaz, T. S., et al. Properties and Applications of Polyvinyl Alcohol, Halloysite Nanotubes and Their Nanocomposites. Molecules. 20, 22833-22847 (2015).
- 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).
- Kitsara, M., et al. Spin coating of hydrophilic polymeric films for enhanced centrifugal flow control by serial siphoning. Microfluid Nanofluid. 16, 691 (2014).
- Supaphol, P., Chuangchote, S. On the electrospinning of poly(vinyl alcohol) nanofiber mats: A revisit. J. Appl. Polym. Sci. 108 (2), 969-978 (2008).
- 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).
- Pan, Z., et al. Recent development on preparation of ceramic inks in ink-jet printing. Ceram Int. 41, 12515-12528 (2015).
- Kamyshny, A., Magdassi, S. Conductive nanomaterials for printed electronics. Small. 10 (17), 3515-3535 (2014).
- Li, J., Lemme, M. C., Östling, M. Inkjet Printing of 2D Layered Materials. ChemPhysChem. 15, 3427-3434 (2014).
- Choi, H. W., Zhou, T., Singh, M., Jabbour, G. E. Recent developments and directions in printed nanomaterials. Nanoscale. 7, 3338-3355 (2015).
- Basirico, L., Cosseddu, P., Fraboni, B., Bonfiglio, A. Inkjet printing of transparent, flexible, organic transistors. Thin Solid Films. 520 (4), 1291-1294 (2011).
- Komuro, N., Takaki, S., Suzuki, K., Citterio, D. Inkjet printed (bio)chemical sensing devices. Anal.Bioanal.Chem. 405 (17), 5785-5805 (2013).
- Cherrington, R., Wood, B. M., Salaoru, I., Goodship, V. Digital printing of titanium dioxide for dye sensitized solar cells. J. Vis. Exp. , (2016).
- Nelo, M., et al. Inkjet-printed memristor: Printing process development. Jpn. J. Appl. Phys. 52, 1-6 (2013).
- 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).
- 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).
- Derby, B. Inkjet printing of functional and structural materials: Fluid properties requirements, feature stability and resolution. Annu. Rev. Mater. Res. 40, 395-414 (2010).
- 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).
- Deegan, R. D., et al. Capillary flow as the cause of the ring stains from dried liquid drops. Nature. 389, 827-829 (1997).
- 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).
- Famili, A., Palkar, S. A., Baldy, W. J. First drop dissimilarity in drop-on-demand inkjet devices. Phys Fluids. 23, 1-6 (2011).
- 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).
