Многослойные поливиниловые спиртовые отпечатки
Summary
Для производства многослойных поливиниловых спиртов использовался струйный принтер. Были составлены водные чернила на основе поливинилового спирта и исследованы основные физические свойства.
Abstract
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,
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 разжижен…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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).
