چاپ پلاریزان با استفاده از جوهرپلی‌وینیل‌الکل/نانوکریستال‌سلولز: تعیین اثرات غلظت جوهر و سرعت تبخیرحلال

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران،

2 دانشیار، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران،

3 دانشیار ، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران،

4 دانشیار ، آزمایشگاه نانومواد تجدیدپذیر، دانشگاه مین، ایالات متحده آمریکا

چکیده

سابقه و هدف: امروزه، مطالعه پیرامون مهندسی خودآرایی نانوکریستال‌های سلولزی درون بسترهای پلیمری، با هدف گسترش دامنه کاربردی این نانوساختارهای زیستی، به یکی از موضوعات داغ تحقیقاتی بدل شده است. مشکور و همکاران (2014 و 2019) روشی مبتنی بر بهره-گیری از گشتاور کشش سطح (STT) را به منظور کنترل خودآرایی نانوکریستال‌های سلولزی (CNC) درون محلول‌های پلیمری معرفی نمودند که امکان چاپ دوشکستی نانوکامپوزیتی را فراهم می‌نمود. در این مقاله، تأثیر سرعت تبخیر حلال و غلظت محلول پلی‌وینیل-الکل (PVA) / نانوکریستال سلولز به عنوان جوهر چاپ پلاریزان، بر کیفیت چاپ سه‌بعدی نانوکامپوزیتی حاصل بررسی شده است.
مواد و روش‌ها: محلول‌های آبی پلی‌وینیل‌الکل (PVA) در 3 سطح غلظت 5/2 ، 5 و 10 درصد، حاوی 5 درصد وزنی نانوکریستال‌ سلولزی استخراج شده از الیاف پنبه، به عنوان جوهر چاپ تهیه شدند. جهت چاپ فیلم‌های نانوکامپوزیتی نهایی، قالب‌ریزی محلول جوهر بر روی بستر مسی دارای نقوش برجسته انجام شد. با هدف کنترل سرعت خروج حلال، از دو نوع آون متداول و آون خلاء استفاده شد. کیفیت جهت‌یافتگی اجزای جوهر و چاپ پلاریزان، با میکروسکوپ نوری پلاریزان و نرم افزار تحلیل‌گر تصویر ارزیابی و کمّی‌سازی شد.
یافته‌ها:
تحلیل تصاویر میکروسکوپی نشان داد که با افزایش نسبت فاز حامل PVA در ترکیب جوهر، گرانروی جوهر به‌میزان قابل توجهی افزایش یافت و با افزودن نانوذرات CNC به ترکیب به‌صورت معناداری از شدت افزایش گرانروی کاسته شد. در ارزیابی کیفیت چاپ از مقایسه مقادیر سه ‌شاخص استفاده شد: شاخص تباین رنگ‌های تداخلی (ICC)، شاخص پیروی از الگو ((PMI، شاخص تقارن نقش (PSI). افزایش غلظت جوهر در نتیجه افزایش سهم فاز حامل PVA موجب افزایش شاخص ICC گردید و تأثیر این عامل بر دو شاخص PMI و PSI الگوی مشابهی را نشان داد؛ به‌طوری‌که بیشترین و کمترین مقادیر بدست آمده برای جوهر سه‌جزئی، به‌ترتیب، در غلظت 10 و 5 درصد PVA به‌دست آمد. افزایش سرعت خروج فاز حلال، تأثیر معناداری را بر تغییرات شاخص ICC نشان نداد در حالی‌که مقادیر دو شاخص PMI و PSI را به‌صورت معنادار متأثر نمود و موجب کاهش کیفیت چاپ گردید.
نتیجه‌گیری: به‌طور خلاصه، بر اساس یافته‌های تحقیق حاضر، می‌توان چنین بیان نمود که در فرایند چاپ پلاریزان، استفاده از جوهر چاپ سه‌جزئی نسبت به نوع دو‌جزئی در اولویت قرار دارد. همچنین کاهش سرعت خروج حلال می‌تواند تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر کیفیت چاپ داشته باشد. متناسب با ترکیب جوهر استفاده شده در این مطالعه، جهت دستیابی به کیفیت چاپ مطلوب، سطح غلظت 5 درصد برای فاز حامل قابل توصیه می‌باشد. متناسب با ترکیب جوهر استفاده شده در این مطالعه، جهت دستیابی به کیفیت چاپ مطلوب، سطح غلظت 5 درصد برای فاز حامل قابل توصیه می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Polarizing printing using a polyvinyl alcohol/cellulose nanocrystal ink: Finding the effects of ink concentration and solvent evaporation rate

نویسندگان [English]

  • Mahboubeh Mehmandoust 1
  • Mahdi Mashkour 2
  • Hossein Yousefi 3
  • Mehdi Tajvidi 4
1 Department of Wood Engineering and Technology/Faculty of Wood and Paper Engineering/Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources/Gorgan/IRAN
2 Department of Wood Engineering and Technology/Faculty of Wood and Paper Engineering/Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources/Gorgan/IRAN
3 Faculty Member/Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources/Gorgan/IRAN
4 University of Maine/ United States of America
چکیده [English]

Abstract
Background and objectives:
Self-assembly engineering of cellulose nanocrystals in polymer substrates to expand the application range of these bio-nanostructures has become one of the hot topics of research. Mashkour et al. (2013 and 2019) introduced a method based on surface tension torque (STT) to control cellulose nanocrystals' self-assembly in polymer solutions to print birefringent nanocomposites. In this paper, the effect of solvent evaporation rate and concentration of polyvinyl alcohol/cellulose nanocrystal solution as polarizing printing ink on the quality of 3D nanocomposite printing was investigated.

Materials and methods:
Aqueous polyvinyl alcohol (PVA) solutions were prepared at three concentrations of 2.5, 5, and 10 percent, containing 5 percent of cellulose nanocrystal (CNC) by weight extracted from cotton fibers as printing ink. An embossed copper mold was used for the printing of polarizing nanocomposite films. The conventional oven and vacuum oven were used to regulate the rate of ink solvent evaporation. Evaluation and comparison of polarizing print quality were performed by microscopic imaging and quantitative analysis of the resulting micrographs.

Results:
Analysis of microscopic images revealed that by increasing the ink carrier (PVA) ratio in the ink formulation, the ink viscosity increased significantly, whereas by adding CNC nanoparticles to the composition, the increase in viscosity was significantly reduced. Three indicators were defined and used to assess and compare the quality of printing: Interference Color Contrast (ICC) Index, Pattern Match Index (PMI) and Pattern Symmetry Index (PSI). The increased concentration of ink due to an increase in the weight fraction of the ink carrier increased the ICC index, and the effect of this factor on the PMI and PSI indices showed a similar pattern; The highest and lowest values of the PMI and PSI for three-component inks were obtained at concentrations of 10% and 5% PVA, respectively. Increasing the solvent phase's evaporation rate did not significantly affect the ICC index, while PMI and PSI values significantly affected and reduced print quality.

Conclusion:
In summary, based on the findings of this study, it can be stated that the use of three-part printing ink takes precedence over two-part printing ink. Reducing the evaporation rate of the solvent phase was also found to have a significant positive effect on print quality. With regard to the ink composition used in this study, a concentration level of 5% is recommended for the ink carrier to achieve the desired print quality.With regard to the ink composition used in this study, a concentration level of 5% is recommended for the ink carrier to achieve the desired print quality.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Surface tension torque
  • Cellulose nanocrystal
  • Polyvinyl alcohol
  • Cellulose nanocrystal ink
  • Polarizing printing
1.Abargues, R., Rodriguez-Canto, P.J., Albert, S., Suarez, I., and Martínez-Pastor, J.P. 2014. Plasmonic optical sensors printed from Ag–PVA nanoinks. Materials Chemistry C. J. 2: 5. 908-915.
2.Ghasemi, S., Rahimzadeh-Bajgiran, P., Tajvidi, M., and Shaler, S.M. 2020. Birefringence-based orientation mapping of cellulose nanofibrils in thin films. Cellulose J. 27: 2. 677-692.
3.Gladman, A.S., Matsumoto, E.A., Nuzzo, R.G., Mahadevan, L., and Lewis, J.A. 2016. Biomimetic 4D printing. Nature Materials J. 15: 4. 413-418.
4.Gray, D.G., and Mu, X. 2015. Chiral nematic structure of cellulose nanocrystal suspensions and films; polarized light and atomic force microscopy. Materials J.8: 11. 7873-7888.
5.Habibi, Y., Heim, T., and Douillard, R. 2008. AC electric field‐assisted assembly and alignment of cellulose nanocrystals. Polymer Science Part B: Polymer Physics J. 46: 14. 1430-1436.
6.Habibi, Y., Lucia, L.A., and Rojas, O.J. 2010. Cellulose nanocrystals: chemistry, self-assembly, and applications. Chemical Reviews J. 110: 6. 3479-3500.
7.Kim, J., Chen, Y., Kang, K.S., Park,Y.B., and Schwartz, M. 2008. Magnetic field effect for cellulose nanofiber alignment. American Institute of Physics J. Pp: 96-104.
8.Kimura, F., and Kimura, T.2008. Magnetic alignment and patterning of cellulose fibers. Science and Technology of Advanced Materials J.9: 2. 12242-12244.
9.Krzywinski, M. 2018. Image Color Summarizer: RBG, HSV, LCH & Lab image color statistics and clustering-simple and easy. accessed May 2019 <http://mkweb.bcgsc.ca/ color-summarizer/ ?>
10.Kvien, I., and Oksman, K. 2007. Orientation of cellulose nanowhiskers in polyvinyl alcohol. Applied Physics A.
J. 87: 4. 641-643.
11.Li, D., Liu, Z., Al-Haik, M., Tehrani, M., Murray, F., Tannenbaum, R., and Garmestani, H. 2010. Magnetic alignment of cellulose nanowhiskers in an all-cellulose composite. Polymer Bulletin J. 65: 6. 635-642.
12.Mashkour, M., Kimura, T., Kimura, F., Mashkour, M., and Tajvidi, M. 2014. One-dimensional core–shell cellulose-akaganeite hybrid nanocrystals: synthesis, characterization, and magnetic field induced self-assembly. RSC Advances J. 4: 94. 52542-52549.
13.Mashkour, M., Kimura, T., Kimura, F., Mashkour, M., and Tajvidi, M.2014. Tunable self-assembly of cellulose  nanowhiskers and polyvinyl alcohol chains induced by surface tension torque. Biomacromolecules J. 15: 1. 60-65.
14.Mashkour, M., Kimura, T., Mashkour, M., Kimura, F., and Tajvidi, M.2018. Printing birefringent figures by surface tension-directed self-assembly of a cellulose nanocrystal/polymer ink components. ACS Applied Materials & Interfaces J. 11: 1. 1538-1545.
15.Mashkour, M., Tajvidi, M., Kimura, F., Yousefi, H., and Kimura, T. 2014. Strong highly anisotropic magnetocellulose nanocomposite films made by chemical peeling and in situ welding at the interface using an ionic liquid. ACS Applied Materials & Interfaces J.6: 11. 8165-8172.
16.Mashkour, M., Tajvidi, M., Kimura, T., Kimura, F., and Ebrahimi, G. 2011. Fabricating unidirectional magnetic papers using permanent magnets to align magnetic nanoparticle covered natural cellulose fibers. Bioresources J. 6: 4. 4731-4738.
17.Moon, R.J., Martini, A., Nairn, J., Simonsen, J., and Youngblood, J. 2011. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites. Chemical Society Reviews J. 40: 7. 3941-3994.
18.Mu, X., and Gray, D.G. 2014. Formation of chiral nematic films from cellulose nanocrystal suspensions is a two-stage process. Langmuir J. 30: 31. 9256-9260.
19.Pullawan, T. and Wilkinson, A.N., and Eichhorn, S.J. 2012. Influence of magnetic field alignment of cellulose whiskers on the mechanics of all-cellulose nanocomposites. Biomacromolecules J. 13: 8. 2528-2536.
20.Revol, J.F., Godbout, L., Dong, X.M., Gray, D.G., Chanzy, H., and Maret, G. 1994. Chiral nematic suspensions of cellulose crystallites; phase separation and magnetic field orientation. Liquid Crystals J. 16: 1. 127-134.
21.Shin, H.J., Lim, M.C., Park, K., Kim, S.H., Choi, S.W., and Ok, G. 2017. Invisible security printing on photoresist polymer readable by terahertz spectroscopy. Sensors J. 17: 12. 2825.
22.Ul-Islam, M., Khan, S., Khattak, W.A., Ullah, M.W., and Park, J.K., 2015. Synthesis, chemistry, and medical application of bacterial cellulose nanocomposites. In Eco-friendly Polymer Nanocomposites J. Springer, New Delhi. Pp: 399-437.
23.Ye, S., Fu, Q., and Ge, J. 2014. Invisible photonic prints shown by deformation. Advanced Functional Materials J.
24: 41. 6430-6438.
24.Yousefi, H., Mashkour, M., and Yousefi, R. 2015. Direct solvent nanowelding of cellulose fibers to make all-cellulose nanocomposite. Cellulose J. 22: 2. 1189-1200.
25.Zhou, L., He, H., Li, M.C., Song, K., Cheng, H.N., and Wu, Q. 2016. Morphological influence of cellulose nanoparticles (CNs) from cottonseed hulls on rheological properties of polyvinyl alcohol/CN suspensions. Carbohydrate Polymers J. 153: 445-454.