Studium roztoku polyvinylalkoholu pro inkoustový tisk

Ing. Pavol Šuly

Doctoral thesis

Study of poly(vinyl alcohol) solution for inkjet printing

Abstract:

The thesis is focused on the preparation and characterization of water-soluble polymer-based ink. The poly(vinyl alcohol) (PVA) was chosen for preparation of the suitable polymer inks for a Dimatix material printer DMP-2800 Series working in the drop-on-demand mode. Drop-on-demand mode is one of the two most frequently used ways in inkjet printing technology, which represents a promising technique for simultaneously patterning and material deposition without a need of any master form or masks. The work is divided into theoretical background and experimental part. In theory, a brief introduction to inkjet printing technology is provided, and followed by a description of the main ways of drops generation together with the device arrangement. The next section of the theoretical part is focused on a description of the basic groups of inkjet inks as well as on their crucial parameters, for example, viscosity and surface tension. Further, the interpretational framework based on dimensionless criteria for ink property evaluation is discussed including viscoelasticity assessment. A brief description of the polyvinyl alcohol is provided in the last section of theoretical part. The main aim and goals of this work are defined in accordance with hitherto achieved results of research conducted in the laboratories at our institution and with the aid of information gathered from a literature review summarized in previous sections. The experimental part is arranged in accord once the sequence of the performed experiments. The core section of the work contains 10 chapters discussing obtained results. At the beginning of this section, a selection of polymer-solvent system is discussed. The rheological and viscosity studies of the prepared solutions are shown and discussed including the stability and aging issue. In the next step, discussion of surface tension measurements follows. According to the obtained results, the suitability of prepared solution for inkjet printing was performed by calculating and evaluating of dimensionless criteria to find optimum solution properties correlating with a processing window. It was shown that the analytical apparatus does not fully cover the studied case, in spite of its improvement. Therefore, the next section is dedicated to study drop formation and analysis of this process resulting in a study of viscoelastic properties and their analysis with respect to ink drop formation. In the last step, other parameters (waveform, drop velocity) were optimized with respect to the used digital printing cartridge and modified polyethylene terephthalate. Consequently, the prepared demonstration patterns are characterised and presented mainly in the form of images captured by optical microscopy and data obtained by AFM and mechanical profilometry. Gathered knowledge and experience were summarized in the concluding summary section and in a short advice for practical ink development procedure.

Abstract:

Práce je zaměřena na přípravu a charakterizaci inkoustu na bázi vodě-rozpustného polymeru. Polyvinylalkohol (PVA) byl vybrán pro přípravu polymerního inkoustu vhodného pro materiálovou tiskárnu Dimatix DMP-2800 Series pracující v módu "drop-on-demand", který je jedním ze dvou nejčastěji používaných v technologii inkoustového tisku, a který představuje slibnou metodu pro vzorování a ukládání materiálu současně bez potřeby použití tiskové formy anebo masky. Práce je rozdělena na část teoretickou a část experimentální. Stručný úvod do technologie inkoustového tisku je popsán v teoretické části, za kterou následuje popis hlavních způsobů generace kapiček spolu s uspořádáním zařízení pro každý typ tvorby kapiček. Následující sekce teoretické části je zaměřena na popis základních druhů inkoustů, jakož i na jejich klíčové parametry, které jsou reprezentovány hlavně viskozitou a povrchovým napětím. Následně je diskutovaný interpretační rámec založený na bezrozměrných kritériích včetně posouzení viskoelasticity. Poslední sekce teoretické částí je věnována stručnému textu o polyvinylalkoholu. Poté jsou definovány hlavní cíle této práce v souladu s dříve dosaženými výsledky výzkumu prováděného v laboratořích naší instituce a s pomocí informací shromážděných v průběhu literární rešerše. Experimentální část je uspořádaná v souladu s posloupností provedených experimentů. Základní část práce obsahuje 10 kapitol zabývajících se získanými výsledky a jejich diskusí. Na začátku této části je diskutován výběr vhodného systému polymer-rozpouštědlo. Dále jsou uvedeny a diskutovány reologické a viskozimetrické studie připravených roztoků včetně záležitosti ohledně jejich stability a stárnutí. Poté následuje diskuse stanovení povrchového napětí. Na základě naměřených hodnot byla stanovena vhodnost připravených roztoků pro inkoustový tisk pomocí vypočtení a vyhodnocení bezrozměrných kritérii. Ty přes zlepšení mohou být využity pro nalezení vhodných vlastností inkoustu, které by odpovídaly zpracovatelskému oknu. Bylo prokázáno, že analytický přístroj zcela nepopisuje studovaný případ. Další sekce je proto věnována studiu tvorby kapičky a analýze tohoto procesu, který vyžaduje studium visko-elastických vlastností a jejich analýzu s ohledem na tvorbu kapičky. V posledním kroku byly optimalizovány ostatní parametry (waveforma, rychlost kapičky) pro použití digitálního tisku definované inkoustové kazety a konkrétní model flexibilního substrátu z poly(ethylentereftalátu). V návaznosti na to jsou připravené demonstrační vzory charakterizovány a prezentovány zejména ve formě obrázků zachycených pomocí optické mikroskopie a dat získaných z AFM a mechanické profilometrie. Získané znalosti a zkušenosti byly shrnuty krok za krokem v části závěrečné shrnutí a v krátkém shrnujícím doporučení pro praktickou přípravu a vývoj inkoustu.

Keywords

Polyvinylalkohol, roztok, polymer, rozpouštědlo, viskozita, povrchové napětí, povrchová energie, reologie, viskoelasticita, relaxační čas, inkoust, inkjet, Rayleighova nestabilita, rychlost, kapka, tisknutelnost, stabilita, gel, digitální tisk, rozlišení, vzor, podklad

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 7. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 14. 9. 2017

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds