Новое поколение чернил для струйной печати на основе летучих амфифильных соединенийНИР

Next Generation Inkjet Inks with Volatile Amphiphiles

Соисполнители НИР

Department of Chemical & Pharma Engineering (DCE), Faculty of Chemistry & Pharmacy, University of Sofia Соисполнитель
IIF Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 марта 2018 г.-31 декабря 2018 г. Новое поколение чернил для струйной печати на основе летучих амфифильных соединений
Результаты этапа: Получены следующие основные результаты 1. Выбран аналитический метод приготовления растворов летучих ПАВ и исследована температурная зависимости динамической поверхностной активности летучих ПАВ. Проведено сопоставление структуры летучих ПАВ с полученными характеристикам и известными из литературы физико-химическими параметрами. 2. Проведены измерения поверхностного натяжения и смачивания насыщенными растворами ПАВ и их смесями с традиционными ПАВ модельных поверхностей тефлона, стекла, а также полимерных пленок 3. Измерено динамическое поверхностное натяжение ряда летучих ПАВ и выявлены их взамодействия с другими компонентами смесей (солями металлов, традиционными неоногенными и ионогенными ПАВ) 4. На основании данных о динамическом поверхностном натядение оптимизированы формулировки углеродосодержащих чернил, а также чернил для сенсоров влажности. Проведены тестовые испытания в условиях производства с применением индустриального принтера, а также с использованием модуля для микродозирования (фирма ДАТАФИЗИКС). Результаты показали, что летучие ПАВ влияют на время испарения, латентное время, а также на размеры печатных структур. По результатам работы этапа опубликованы следующие статьи и тезисы докладов на конференциях: 1. Lopez Carlos G., Manova Anna, Hoppe Corinna, Dreja Michael, Schmiedel Peter, Job Mareile, Richtering Walter, Böker Alexander, Tsarkova Larisa A. Combined UV–Vis-absorbance and reflectance spectroscopy study of dye transfer kinetics in aqueous mixtures of surfactants в журнале Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, издательстве Elsevier, 2018, том 550, с. 74-81. 2. Thiele Martin J., Davari Mehdi D., Hofmann Isabell, König Melanie, Lopez Carlos G., Vojcic Ljubica, Richtering Walter, Schwaneberg Ulrich, Tsarkova Larisa A. Enzyme-Compatible Dynamic Nanoreactors from Electrostatically Bridged Like-Charged Surfactants and Polyelectrolytes в журнале Angewandte Chemie - International Edition, издательство John Wiley & Sons Ltd., 2018, том 57, № 30, с. 9402-9407. 3. Wojciech Ogieglo, Anja Stenbock-Fermor, Juraschek Thomas M., Yulia Bogdanova, Nieck Benes, Tsarkova Larisa A. Synergic Swelling of Interactive Network Support and Block Copolymer Films during Solvent Vapor Annealing в журнале, издательство American Chemical Society 2018, 34, 9950-9960. 4. Царькова Л.А., Лазарева Е.В. Анализ динамического поверхностного натяжения растворов ПАВ для оптимизации смачивающей и солюбилизирующей способности моющих композиций в журнале Сырье и упаковка, 2018, том 202, № май, с. 28-31 5. Nanoreactors from electrostatically bridges like-charged surfactantsa and polyelectrolytes Thiele M.J., Davari M.D., Schwaneberg U., Tsarkova L.A. в сборнике Book of Abstracts of the 32nd Conference of the European Colloid and Interface Society Ljubljana, Slovenia, 2nd - 7th September 2018, место издания Ljubljana, тезисы, с. 376-376 ю 6. Volatile surfactants: characterization and areas of applications Tsarkova L.A., Soboleva O.A., Protsenko P.V. в сборнике Abstracts of the Annual conference of the European Colloid and Interface Society (ECIS 2018, место издания Ljubljana, Slovenia, тезисы, с. 180-180 7. Volatile surfactants: characterization and areas of applications Tsarkova L.A. в сборнике SEPAWA Congress and European Detergents Conference, Program Catalog, место издания SEPAWA Germany, тезисы, с. 139-140 Результаты работы были доложены на следующих конференциях SEPAWA Congress 2018, Берлин, Германия, 10-12 октября 2018 Volatile surfactants: characterization and areas of applications (Устный) Авторы: Соболева О.А., Проценко П.В., Королев В.В., Викторова Е., Царькова Л.А. (докладчик) 32nd Conference of the European Colloid and Interface Society (ECIS 2018), Ljubljana, Словения, 2-7 сентября 2018 Nanoreactors from electrostatically bridged like-charged surfactants and polyelectrolytes (Приглашенный) Авторы: Tsarkova L.A. (докладчик), Thiele M., Davari M., Schwaneberg U. Volatile surfactants: characterization and areas of applications (Стендовый) Авторы: Царькова Л.А., Соболева О.А., Проценко П.В. ИНТЕРБЫТХИМ 2018, Москва, Спорткомплекс Олимпийский, Россия, 14-16 февраля 2018 Метод динамической тензиометрии для оптимизации композиций моющих средств (Устный) Докладчик: Царькова Л.А.
2 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Новое поколение чернил для струйной печати на основе летучих амфифильных соединений
Результаты этапа: 1. Методам максимального давления в пузырьке воздуха измерены динамические поверхностные натяжения водных растворов душистых веществ при временах формирования поверхности от 20 мс до до сотен секунд и проведено сопоставление с динамическим поверхностным натяжением традиционных ПАВ и некоторых органических веществ (децилового и бензилового спиртов). Установлены качественные и количественные отличия в поведении выбранных спиртов, традиционных и летучих ПАВ как при малых, так и при больших временах формирования поверхности. Бензиловый спирт имеет относительно высокую растворимость в воде и поверхностное натяжение растворов практически не зависит от времени. Небольшая поверхностная активность бензилового спирта связана с малым энергетическим выигрышем при переходе сольватированных молекул из объема раствора на поверхность. Плохо растворимый 1-деканол демонстрирует высокую поверхностную активность при временах порядка секунд, т.е. в квази-равновесных условиях. Затрудненная диффузия из объема на поверхность четко проявляется в характере временных зависимостей поверхностного натяжения. Наиболее интересное поведение с практической точки зрения демонстрирует линалоол, который обладает высокой динамической поверхностной активностью уже при временах десятки милисекунд. Линаллол в разбавленных растворах диффундирует быстрее 1-деканола и демонстрирует более низкие значения поверхностного натяжения в динамических и равновесных условиях по сравнению с бензиловым спиртом. Для достижения выбранного значения поверхностного натяжения требуется в 100 раз меньше линалоола, чем бензилового спирта. Традиционные ПАВ (додецилсульфат натрия, перфторированное коммерческое ПАВ DX-) заметно медленнее снижают поверхностное натяжение по сравнению с летучими ПАВ. Важное с практической точки зрения поверхностное натяжение (например, для струйной печати) 55 мН/м при времени формирования поверхности 50 мс достигается раствором линалоола концентрацией в 3 раза ниже, чем у традиционного ПАВ. Для описания кинетики снижения поверхностного натяжения со временем была использована модель Варда и Тордая, согласно которой кинетика адсорбции ПАВ является диффузионно-контролируемым процессом. Полагают, что процесс включает диффузию ПАВ из объема к поверхности и обратную диффузию в раствор. Это уравнение широко используется для анализа адсорбционных процессов из данных динамического поверхностного натяжения. Динамическое поверхностное натяжение для растворов линалоола концентрацией 7.5 10-4 моль/л хорошо описывается моделью Варда и Тордая. Однако рассчитанный по модели коэффициент диффузии для линалоола и деканола на порядок меньше, чем определенный по уравнению Эйнштейна. Полученный результат указывает на то, что существует барьер для перехода веществ из приповерхностного слоя на поверхность. 2. Получены равновесные изотермы поверхностного натяжения ряда летучих ПАВ и оценена равновесная поверхностная активность этих веществ. Отметим, что измерение поверхностного натяжения плохорастворимых в воде душистых веществ усложняется так называемой «мезомасштабной» растворимостью органических веществ. При проведении измерений поверхностного натяжения следует учитывать возможную гетерогенность системы вследствие присутствия мельчайших капель растворяемого вещества. Такие «мезомасштабные» капли, которые являются резервуаром растворенного вещества и могут влиять на процессы диффузии-адсорбции, следует удалять из раствора фильтрацией. По нашим наблюдениям, переход от молекулярной к «мезомасштабной» растворимости тестированных душистых веществ происходит при концентрации ниже имеющихся в литературе величин предельной растворимости веществ, что указывает на необходимость пересмотра данных о растворимости душистых веществ в воде. 3. Отличительной особенностью летучих ПАВ по сравнению с традиционными является их способность к десорбции в газовую фазу. Методом висящей капли было исследовано влияние испарения на величину поверхностного натяжения водных растворов традиционных и летучих ПАВ. При испарении капель растворов традиционного ПАВ додецилсульфата натрия (SDS) концентрацией ниже ККМ поверхностное натяжение уменьшается вследствие уменьшения объема капли (при испарении воды), что приводит к увеличению концентрации ПАВ в висящей капле. При концентрации раствора выше ККМ поверхностное натяжение при испарении капель не меняется. Линалоол ведет себя иначе. Испарение ПАВ в газовую фазу из разбавленных растворов пересиливает эффект от испарения воды и поверхностное натяжение возрастает. Поверхностное натяжение 2.4 ммоль/л раствора линалоола достигает поверхностного натяжения воды за время порядка 1000 сек. При повышении концентрации лилалоола до 10 ммоль/л поверхностное натяжение при испарении капель не меняется вследствие компенсации испарения ПАВ уменьшением объема при испарении воды. 4. Изучено влияние концентрации и состава смеси традиционного ПАВ SDS и линалоола на поверхностное натяжение водных растворов. Измерения поверхностного натяжения проводили в равновесных условиях, в динамических условиях формирования поверхности (в диапазоне времени от 20 мс до 20с), а также при испарении растворов. Установлено, что в равновесных условиях индивидуальные ПАВ и их смеси проявляют схожую поверхностную активность. Напротив, в динамических условиях линалоол быстрее снижает поверхностное натяжение по сравнению с SDS, в смешанных растворах величины поверхностного натяжения контролируются адсорбцией линалоола. Обнаружен синергетический эффект при снижении поверхностного натяжения при высоких концентрациях ПАВ проявляющийся как в динамических, так и в равновесных условиях: поверхностное натяжение смешанного раствора при временах формирования поверхности больше 100 мс ниже, чем у растворов индивидуальных веществ. Синергетический эффект при адсорбции ионогенного и неионогенного ПАВ обычно объясняют образованием более плотного адсорбционного слоя вследствие уменьшения электростатического отталкивания заряженных полярных групп молекул ПАВ. С точки зрения динамики процесса, увеличение объемной концентрации приводит к падению расчетного коэффициента диффузии на несколько порядков. Это объясняют как термодинамическими, так и статистическими причинами, связанными с доступностью свободных адсорбционных центров для адсорбции новых молекул. Последний фактор объясняет рост диффузии SDS в смешанном растворе из объема на поверхность как результат способности ароматических молекул к десорбции с поверхности в газообразную фазу, что уменьшает обратную диффузию SDS в объем раствора. При испарении капель смешанных растворов на временных интервалах порядка минут происходит изменение состава адсорбционного слоя за счет десорбции линалоола в газовую фазу, поверхностное натяжение определяется адсорбцией второго компонента – SDS. 5. Исследование пластифицирующего действия летучих соединений на поверхностные и механические свойства полимерных материалов необходимо для направленного применения летучих ПАВ в процессах струйной печати, пигменитации (окрашивания) полимеров, а также в процессах экструзии. С этой целью разработаны и обобщены фундаментальные основы и практические аспекты управления конформационным состоянием макромолекул в тонких пленках за счет контролируемого набухания в парах летучего растворителя (Polymers 2019). С использованием указанной выше методики была продемострирована возможность управления иерархией структур (т.е. конфораций) путем варьирования концентрации растворителя (пластификатора) в пленке в процессе обработки. 6. Для выявления влияния летучих ПАВ на смачивание и кинетику растекания, были выполнены две серии экспериментов. В первой серии, 40 мкл висячую каплю (время формирования поверхности 1 мин) приводили в контакт с поверхностью очищенного стекла и проводили измерения динамики изменения диаметра смоченной площади и краевого угла. На зависимостях диаметра смоченной площади от времени для капель воды и водный растворов линалоола можно выделить две стадии. На первой, быстрой стадии, продолжительностью 10 мс, растекание происходит в инерциальном режиме. Рассчитаны константы скоростей растекания на основании имеющейся кинетической модели; более низкая величина константы скорости для линалоола указывает на то, что за время10 мс линалоол успевает снизить поверхностное натяжение раствора. В данном эксперименте времена формирования поверхности короче, чем в методе максимального давления в пузырьке воздуха. При временах 0.01-1с наблюдается более медленное растекание в вязком режиме. Получено, что в вязком режиме раствор линалоола растекается быстрее, чем вода (эффект обратный тому, что наблюдали в инерциальном режиме). Это кажущееся противоречие может быть объяснено летучей природой линалоола при больших временах: испарение с поверхности капли может вызвать обеднение линалоолом области капли вблизи линии смачивания. Следовательно, отрицательный градиент поверхностного натяжения, направленный вдоль поверхности капли (эффект Марангони) приводит к увеличению скорости растекания раствора. Таким образом, в зависимости от временной шкалы процесса (а также от концентрации раствора ПАВ) летучие ПАВ могут либо ускорять, либо тормозить растекание водных композиций. 7. Разработана методика определения качества продуктов, содержащих душистые добавки. Продемонстрирована возможность количественного определения содержания душистых веществ в носителе (в ароматизированных солях для ванн и для компонентов моющих композиций) с использованием метода динамической тензиометрии (метод максимального давления в пузырьке воздуха). Также была проведена оценка устойчивости и срока годности продукта. Таким образом, полученные результаты могут быть использованы для оптимизации состава и производства товаров, которые содержат душистые вещества, а также для контроля за скоростью высвобождения/испарения этих веществ. 8. Проведены модельные эксперименты струйной печати с использованием чернил, содержащих летучие ПАВ. Тестовые испытания проводили в условиях производства с применением индустриального принтера, а также с использованием модуля для микродозирования (фирма ДАТАФИЗИКС). Обычно для улучшения качества печати используются фторорганические ПАВ, которые являются эффективными смачивателями благодаря их способности сильно снижать поверхностное натяжение на границах жидкость/газ и твердое тело/жидкость. Нанесение на полимерную подложку капель пиколитрового объема растворов, содержащих коммерческое перфторорганическое ПАВ и летучее ПАВ проанализированы с точки зрения влияния летучего ПАВ на краевые углы, время испарения и диаметр основания капли. Перфторированное ПАВ демонстрирует лучшее смачивание вследствие сильной адсорбции на полимерной поверхности. При этом испарение происходит при постоянной смоченной площади. Уменьшение объема капли приводит к непрерывному снижению краевого угла. При испарении капель раствора линалоола наблюдается переход от испарения в режиме «постоянная площадь» к режиму «постоянный краевой угол». Последний механизм обычно наблюдается при слабой адсорбции ПАВ на твердой поверхности. Раствор смеси двух ПАВ демонстрирует поведение, являющиеся комбинацией поведения каждого компонента. Можно сделать вывод, что состав смешанных адсорбционных слоев и взаимодействия компонентов смеси влияют на механизм испарения капель. Смешивая ПАВ, обладающих различной поверхностной активностью, можно тонко регулировать динамическое поверхностное натяжение, модифицирующие свойства композиций на основе ПАВ, в частности, процесс пининга-депининга контактной линии для управления качеством и разрешением струйной печати. Более того, улучшение функциональности структур, нанесенных с помощью принтера, например, проводящих линий, как полагаем, является результатом уменьшения конечной концентрации летучего ПАВ.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".