Summary
En inkjetprinter blev anvendt til fremstilling af polyvinylalkohol multilayere. Polyvinylalkohol-vandbaseret blæk blev formuleret, og de vigtigste fysiske egenskaber blev undersøgt.
Abstract
Inkjetudskrivning er en moderne metode til polymerbehandling, og i dette arbejde demonstrerer vi, at denne teknologi er i stand til at fremstille polyvinylalkohol (PVOH) flerlagsstrukturer. En vandig opløsning af polyvinylalkohol blev formuleret. De iboende egenskaber af blækket, såsom overfladespænding, viskositet, pH og tidsstabilitet blev undersøgt. Det PVOH-baserede trykfarve var en neutral opløsning (pH 6,7) med en overfladespænding på 39,3 mN / m og en viskositet på 7,5 cP. Blækket viste pseudoplastisk (ikke-Newtonian shear thinning) adfærd ved lave forskydninger, og generelt viste det sig god stabilitet. Fugtigheden af blækket på forskellige substrater blev undersøgt, og glas blev identificeret som det mest egnede substrat i dette særlige tilfælde. En proprietær 3D-inkjetprinter blev anvendt til fremstilling af polymer multilagstrukturer. Morfologien, overfladeprofilen og tykkelsen ensartethed af inkjet-trykte multilayere blev evalueret via optisk mikroskopi.
Introduction
Polyvinylalkohol er semikrystallinsk, kunstig, giftfri, vandopløselig, uopløselig i de fleste organiske opløsningsmidler, biologisk nedbrydelig og biokompatibel i humane væv og har fremragende gasbarriere egenskaber 1 . På grund af sine mange nyttige egenskaber anvendes PVOH i vid udstrækning i et stort antal applikationer. I dag anvendes PVOH i: fremstilling af rengørings- og rengøringsmidler, fødevareemballeringsindustrien, vandbehandling, tekstil, landbrug og byggeri (som tilsætningsstoffer) 1 . Imidlertid har PVOH for nylig tiltrukket øget opmærksomhed for farmaceutiske anvendelser 2 ( dvs. lægemiddellevering) og i medicinske applikationer 3 , 4 ( f.eks. Sårforband, bløde kontaktlinser, øjendråber og bløde implantater til udskiftning af brusk). PVOH-film fremstilles enten gennem en smelte- eller opløsningsform. Smeltebehandling er kompatibelKun med PVOH med lave hydrolyse niveauer eller stærkt plastificeret PVOH. Således kan nogle egenskaber, når man bruger denne vej, ofres 1 . På den anden side kan et PVOH-lag deponeres via opløsningsformen ved dråbeafstøbning 5 , spincoating 6 eller elektrospinning 7 . Disse metoder har dog en række begrænsninger med hensyn til spild af uønsket materiale. For eksempel er der i tilfælde af spincoating blevet rapporteret 8, at 95% af materialet er spildt. Derudover er disse metoder ret stive med hensyn til design / funktioner (ingen mønstringsevne) og har høje samlede omkostninger til behandling. For at overvinde begrænsningen af den konventionelle løsningsproces undersøger vi her potentialet ved inkjetudskriftsteknologi til at give en ny platform til fremstilling af polyvinylalkohol (PVOH) flerlagsstrukturer, der har en stærk indflydelse på både materialet og appenLicitation perspektiver.
Den seneste udvikling i fremstillingssektoren har fokuseret på billige, enkle, miljøvenlige og energibesparende processer. Inkjet-udskrivning (IJP) er en moderne fremstillingsproces, der passer perfekt inden for denne ramme. De væsentligste fordele ved IJP-teknologien er effektiviteten af materialeanvendelse, den digitale (maskefri) og additivmønstring, den store arealkapacitet, kompatibiliteten med stive / fleksible underlag og lave omkostninger.
IJP er en deponeringsmetode, der bruger polymere materialer dispergeret i et opløsningsmiddel. Hidtil er funktionelle polymer- 9 , keramiske 10 , ledende nanomaterialer- 11 , 2D- 12 , biologisk og farmaceutisk baserede 13 materialer blevet deponeret. For nylig er det blevet rapporteret, at IJP var involveret i aflejring af komponenter som en del af elektroniske enheder,Såsom transistorer 14 , sensorer 15 , solceller 16 og hukommelsesindretninger 17 såvel som i elektronisk emballage 18 .
Blækket, patronen og substratet er lige så vigtige komponenter, som anvendes i trykprocessen. For det første har blækets fysiske egenskaber, såsom overfladespændingen og de rheologiske egenskaber ( dvs. forskydningsviskositet) en væsentlig indflydelse på udskriftsevnen. Desuden spiller pH en vigtig rolle for både opløsningen ( fx tørring, skumdannelse og viskositet) og på levetiden af IJP blækpatronen. For det andet definerer drivspændingsbølgeformen for patronen (piezoelektrisk) faktisk dråbeformationen og både retningen og ensartetheden af væskestrålen. Endelig er det afgørende, at blæk / substratinteraktionen er meget godt forstået som opløsningen og nøjagtighedenAf det trykte objekt er stærkt afhængig af denne grænseflade. Opløsningsmiddelinddampning, faseændringer fra flydende til faststof, og kemiske reaktioner er de vigtigste processer, der opstår mellem væskedråbet og substratet. Alle aspekter involveret i IJP, fra blækegenskaber til drop / substratmekanismer, fremhæves i gennemgangspapirer fra Hutchings 19 og af Derby 20 .
I denne undersøgelse undersøger vi IJP's evne til at fremstille polyvinylalkohol multilayere. Først blev en PVOH-vandbaseret blæk formuleret, og de vigtigste fysiske egenskaber, såsom rheologisk adfærd, overfladespænding og pH blev undersøgt. I dette arbejde blev en piezoelektrisk inkjetprinter anvendt, og de relevante bølgeformparametre blev derefter identificeret. PVOH multilayere blev trykt, og kvaliteten og overfladen / tykkelsesprofilerne blev vurderet ved optisk mikroskopi.
Protocol
Representative Results
Discussion
I dette arbejde demonstrerede vi med succes inkjetprintteknologiens evne til at deponere polymer multilayere. Den reologiske adfærd blev undersøgt, og de eksperimentelle resultater viser, at det formulerede trykfarve viser pseudoplastisk forskydningsfortynding. PVOH-blækket er også en neutral opløsning (pH 7) og viser god stabilitet over tid. Det blev især demonstreret, at IJP-teknologien er i stand til at fremstille polyvinylalkohol multilagstrukturer, men der kræves yderligere forbedringer i tryktäckning og ov…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende Innovate UK for at finansiere denne forskning i henhold til DIRECT (33417-239227) og PCAP (27508-196153) projekter. Forfatterne vil også gerne takke PVOH Polymers Ltd. for at levere materialer og professionel vejledning under dette arbejde, og Unilever, AkzoNobel og Carclo Technical Plastics til deres støtte.
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 |
Riferimenti
- 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).
