Inkjet-Tinten zum Druck auf Polycarbonat (PC)

Ausgangssituation

Es wird von Seiten unserer Kunden der Wunsch geäußert, Inkjet-fähige Tinten zum Bedrucken von Polycarbonat-Flächen zu erwerben. Diese Tinten sollen entweder Wasser oder Ethanol als Hauptkomponente enthalten. Sie sollen in drei Farbrichtungen Cyan, Magenta und Gelb (CMY) kommen, auf Polycarbonat haften und hinreichend schnell trocknen. Momentan existieren keine Tinten, die diese Anforderungen erfüllen.

Aufgabenstellung

Entwicklung eines Satzes von CMY Inkjet-Tinten zum Bedrucken von Polycarbonat. Eine Lösung dieser Aufgabe könnte als Nebeneffekt auch die Nutzung solcher Inkjet-Tinten auch bei anderen “problematischen“ Werkstoffen erlauben.

Lösungsansätze

Aufgrund der hydrophoben Eigenschaften von Polycarbonat (PC), gepaart mit fehlenden Poren, die Farbstoff aufnehmen könnten, gibt es nur zwei mögliche Ansätze.

Erstens:

ein Zusatz, der eine hohe chemische Affinität zum PC aufweist, und gleichzeitig als Träger für den Farbstoff dient. Das kann nur ein weiterer organischer Kunststoff sein. Es sollte ferner löslich in Wasser oder Ethanol sein. Das schränkt die Zahl der Kandidaten bereits sehr stark ein. Es müssen Polyamine sein: Polyethylenimin (PEI) oder Polyvinylpyrrolidon (PVP). Diese sind verfügbar und preiswert. Andere Polyamine sind zwar der Wissenschaft bekannt, jedoch keine kommerziellen Produkte.

Weitere Kandidaten sind Polyvinylalkohole (PVAL), sie sind jedoch die zweite Wahl gegenüber den Polyaminen. Eine Kombination verschiedener Kandidaten ist ebenfalls möglich, und könnte Vorteile bringen.

Es wäre auch möglich ein Polymer zu verwenden, welches sich nicht in Wasser löst, jedoch einen niedrigen Schmelzpunkt und Affinität zum PC besitzt. Es kann als stabilisierte Emulsion in der Tinte vorgelegt werden, schmilzt beim Druck, und verfestigt sich auf der Oberfläche zu einem harten Film. Ein geeigneter Kandidat ist das Polylacton (PL) mit dem Schmelzpunkt von 30 bis 65 °C, je nach Molmasse und Funktionalisierung.

Risiken
Der erste Ansatz weist mehrere Entwicklungsrisiken auf. Zum einen könnte die Haftung des Polymerfilms immer noch mangelhaft sein. Eine mögliche Lösung ist die Nutzung des zweiten Ansatzes zusammen mit dem ersten, siehe unten. Ein weiteres Risiko ist die Möglichkeit, dass der Film nach dem Druck klebrig ist – und nicht glatt und fest. Damit hängt auch die Möglichkeit zusammen, den Aufdruck mit Wasser wieder abzulösen, was nicht wünschenswert ist. Diesem Problem könnte man mit Zusätzen begegnen, die den Film verfestigen und hydrophobieren. Das können zum Beispiel Schichtsilikate sein.

Zweitens:

man könnte der Tinte Zusatzstoffe zufügen, die Polycarbonat angreifen. Dann würden sich beim Druck Poren bilden, in denen der Farbstoff stabil eingelagert ist. PC ist allerdings sehr chemisch beständig, und man möchte in der Druckindustrie auch nicht mit starken Säuren oder Laugen arbeiten. Deshalb gibt es hier nur eine geeignete Stoffklasse: niedere Amine, wie Triethanolamin.

Risiken
Der zweite Ansatz weist im Grunde dieselben Risiken auf wie der erste, und damit auch die gleichen Ausweichstrategien. Wahrscheinlich ist es vorteilhaft, beide Ansätze zu kombinieren.

Arbeitspakete

Mögliche Arbeitspakete:

  • Auswahl und Einkauf von Reagenzien. Konzipierung eines Testsystems.
  • Auswahl einer geeigneten Tintenrezeptur unter den bereits vorhandenen. Diese dient dann als Startpunkt für die Entwicklung.
  • Versuche mit PEI – verschieden Konzentrationen, Molmassen usw.
  • Versuche mit PVP – verschieden Konzentrationen, Molmassen usw.
  • Versuche mit PVAL – verschieden Konzentrationen, Molmassen usw.
  • Versuche mit PL – verschieden Konzentrationen, Molmassen usw.
  • Aufbauend auf den obigen Modulen – Kombination verschiedener Polymere, z.B. PEI und PVAL, oder PL und PVP.
  • Versuche mit geeigneten niederen Aminen – Triethanolamin, Triethylamin, diverse Ethylendiamin-Derivate.
  • Untersuchung geeigneter Zusätze, falls die unter Risiken beschriebenen Probleme auftreten.
  • Aufbauend auf den obigen Modulen – Kombination verschiedener Polymere mit niederen Aminen und Zusätzen zur endgültigen Rezeptur.

geplantes Projektende 2021

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Gedruckte Brennstoffzellen

Dieses Thema ist der gedruckten Elektronik sehr ähnlich – es geht darum, metallische Strukturen im Inkjet-Verfahren zu drucken. Aber in diesem Fall geht es um die katalytischen Eigenschaften der gedruckten Struktur. Feinste Pulver der Edelmetalle, vor allem Platin, und ihre Legierungen mit unedlen Metallen und Oxiden, katalysieren chemische Reaktionen. Diese Katalyse ist für viele Verfahren entscheidend für die Wirtschaftlichkeit. Das gilt auch für die Brennstoffzellen-Technologie. Hier kommt vor allem Platin als katalytisch aktives Elektrodenmaterial zum Einsatz. Weil es sehr teuer ist, wird der Preis der Brennstoffzelle vor allem vom Platinpreis bestimmt. Eine Einsparung dieses Metalls ist deshalb dringend notwendig.

Mit dem Zentrum für Brennstoffzellen-Technik (ZBT) in Duisburg haben wir einen kompetenten Entwicklungspartner auf diesem Gebiet gefunden.

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Gedruckte Elektronik

Der Druck elektronischer Schaltkreise mit herkömmlichen Buchdruckverfahren, wie Siebdruck oder Inkjet-Druck, ist vor allem dort interessant, wo es auf möglichst niedrige Herstellungskosten ankommt, die Auflösung und Präzision dagegen niedrig sein dürfen – also höchstens miroskopisch, aber nicht nanoskopisch, wie in der Hochleistungselektronik, etwa in Computer- und Smartphone-Chips. Das sind zum Beispiel die RFID-Tags, die Elektronik für das Internet-of-things, smarte Textilien – sog. wearable electonics, und billige Massenproduktion von Touchscreens, LEDs und Solarzellen. Auch ein Einsatz in der Hobby-Elektronik und beim Rapid Prototyping ist vielversprechend.

Direkt gedruckte Schaltungen sind bereits ein etablierter Markt mit ca. 40 Milliarden $ Volumen. Dabei machen leitfähige Tinten 83% des gesamten Umsatzes aus. Es kommen hauptsächlich Siebdruck-Verfahren zum Einsatz, da sie geringere Anforderungen an die Viskosität und Stabilität haben als Inkjet-Tinten. Es sind momentan ausschließlich Silber-Nanopartikel im Einsatz. Ihr Massenanteil in der Tinte kann zwischen 25 und 75% liegen. Der Preis für ein Liter leitfähiger Siebdruck-Tinte liegt zwischen 500 und 1500 $ pro Liter. Für eine marktfähige leitfähige Inkjet-Tinte kann ein 2 bis 3 Mal höherer Preis veranschlagt werden. Quelle: Shlomo Magdassi The Chemistry of Inkjet Inks; ISBN-13 978-981-281-821-8.

Andererseits ist es auch möglich, wenngleich auch schwieriger, metallische Nanoteilchen bzw. Mikroteilchen mit hohem Aspektverhältnis zu synthetisieren . Solche Teilchen haben die Form von nanoskopisch dünnen flachen Plättchen oder Drähten:

Eine solche Form ist für die Nutzung als leitfähige Dispersion viel besser geeignet – man würde mit kleineren Metallgehalten die gleichen Leitfähigkeiten erreichen. Das liegt daran, dass ein Großteil des Metalls bei voluminösen Teilchen nicht zur Leitung beiträgt. Es sind vielmehr die Kontaktflächen, die wichtig sind. Und dieser inerte Anteil wäre bei flachen Teilchen gerade eingespart, da sie praktisch nur aus Oberfläche bestehen. Dadurch wäre es möglich mit einem Feststoff-Gehalt von 10% die gleiche Leitfähigkeit zu erzielen, die normalerweise mit 60% erreicht wird. In der Fachsprache der Physik – die in einer oder zwei Raumrichtungen ausgedehnten Partikel haben kleinere Perkolationsschwellen. Dadurch ist natürlich eine große Ersparnis bei den Herstellungskosten zu erwarten.

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Sublimationstinten für Digitaldruck

In diesem Forschungsprojekt stand die Entwicklung von Sublimationstinten bzw. Digitaldruck-Tinten auf Aktivfarbstoffbasis für Baumwoll- und Polyestertextilien im Mittelpunkt. Die Tinten sollten in handelsüblichen Epson InkJet Piezo-Druckköpfen der Serie DX verdruckbar sein. Unsere daraus entstandenen fertigen Sublimationstinten sind heute im Handel erhältlich.
Zusätzlich erforschten wir innerhalb des Projektes die Unterbringung von Merkmalen in der Tinte, welche die Identifikation von gefälschter Ware ermöglichen sollen. Anders ausgedrückt, ist es das Ziel bereits in der Tintenrezeptur personalisierte Alleinstellungsmerkmale unterzubringen, welche mittels einfachen Tests später im Aufdruck auf dem Gegenstand identifiziert werden können.
Die Finanzierung der vom 01.01.2015 bis 31.12.2016 durchzuführenden Entwicklungsarbeiten wurden zu Teilen aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds (ESF) und des Freistaates Sachsen finanziert.

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