В лабораториях Университета печати
Евгений Баблюк,
зав. кафедрой инновационных технологий и управления Московского государственного университета печати имени Ивана Федорова
e-mail: bablyuk.evgeny@yandex.ru
На протяжении последних пяти лет центром научных исследований МГУП имени Ивана Федорова интенсивно ведутся научные исследования, связанные с применением нанотехнологий в процессах печати на поверхности полимерных пленок [1-4]. Эти исследования являются составной частью решения большой комплексной проблемы — создания интеллектуальной (smart) упаковки, которая информировала бы о продукте, находящемся в ней, его состоянии и режимах хранения. Кроме того, упаковка должна содержать информацию, которая позволяла бы защитить упакованный продукт от фальсификации.
В данной статье мы коснемся исследований, результаты которых позволяют придать упаковке антибактерицидные свойства, а также защитить полимерные упаковочные материалы от статического электричества.
Для продвижения нанотехнологий с целью создания smartупаковки важно уметь нанести на поверхность полимерной пленки электропроводящие композиции (краски). В этом плане заслуживают внимания исследования, проведенные магистром университета Анастасией Солодовник и его аспирантом Сергеем Максимовым. Исследователям удалось нанести струйным и флексографским способами печати электропроводящие композиции на пленки из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) и полипропилена (ПП). В качестве электропроводящих композиций были разработаны рецептуры на основе наночастиц серебра, пленкообразующих веществ и растворителей. Частицы серебра представляли собой сферические и квазисферические тела, полученные методом жидкофазового химического восстановления, со средним диаметром 80 нм.
Свойства разработанных композиций удовлетворяют требованиям, предъявляемым к чернилам для струйной печати, а именно: вязкость 15 мПа·с, поверхностное натяжение 3040 мН/м, pH 79. Обработку поверхности полимерных пленок перед нанесением токопроводящих композиций осуществляли на специальной экспериментальной установке, генерирующей коронный разряд.
В процессе наблюдений было установлено, что такие композиции не обладали необходимым уровнем электропроводности, ввиду того что наличие в рецептуре пленкообразующего вещества (в данном случае это поливинилпирролидон) не позволяло частицам серебра осуществлять требуемый контакт. И выход из этой ситуации был найден. Оказалось, что обработка поверхности пленки с нанесенной серебросодержащей композицией в плазме аргона приводит к «выжиганию» из поверхностного слоя поливинилпирролидона, что обеспечивает контакт между частицами серебра. На рис. 1 представлены фотографии поверхности серебросодержащих композиций до и после плазмохимической обработки.
Рис. 1. Образцы с токопроводящей композицией без обработки (1) и после плазмохимической обработки в среде аргона (2) и среде кислорода (3)
Рис. 2. Зависимость массы вытравленного поливинилпирролидона от времени травления плазмой аргона (1) и кислорода (2)
В результате на образце № 2 была обнаружена поверхностная электропроводность, причем, чем интенсивнее плазмохимическая обработка, тем выше процент «выжигания» поливинилпирролидона и тем выше электропроводность (рис. 2).
Эффект плазмохимической обработки в среде аргона определяется наглядно на микрофотографиях поверхности серебросодержащей композиции. Частицы серебра становятся крупнее и контакт между ними более очевиден.
Используя печатную технологию, можно создавать не только отдельные компоненты, но и полнофункциональные устройства [5]. Учитывая вышеизложенное, можно констатировать, что исследования по созданию электропроводящих композиций и методов их нанесения на полимерную подложку являются весьма актуальными.
Токсичность коллоидного раствора серебра для бактерий
|
В знак признания достижений МГУП имени Ивана Федорова в области научных исследований Министерство образования и науки РФ в 2012 году предоставило университету грант на проведение международной конференции «Тенденции развития планарных нанотехнологий на основе современного полиграфического оборудования». В конференции приняли участие более ста молодых ученых из восьми стран, в том числе из Германии, Японии и Южной Кореи. С пленарными докладами выступили ведущие ученые в этой области: Евгений Гудилин и Алексей Лукашин, Борис Шапиро, профессор Йошида Шунсуке и др.
|
Применение наночастиц серебра для обработки поверхности полимерных пленок позволяет успешно решать задачу увеличения срока хранения пищевых продуктов за счет придания упаковочным материалам бактерицидных свойств. Аспирантами МГУП имени Ивана Федорова Татьяной Зубковой и Евгенией Анохиной проведен комплекс исследований, в результате которых предложен технологический процесс обработки полимерных пленок, используемых для упаковки пищевых продуктов, позволяющий придать упаковочному материалу антибактерицидные свойства [3]. Авторам удалось зафиксировать антибактерицидный эффект (см. таблицу) при концентрации ионов серебра в обрабатывающем растворе равной 500 мкг/л. С увеличением содержания серебра в обрабатывающем растворе антибактериальный эффект возрастает и может достигать значения 99,4%. Причем бактерицидные свойства полученных образцов полимера с наночастицами серебра определялись с помощью биолюминесцентного метода, основанного на регистрации свечения биосенсора «Эколюм».
Рис. 3. Микрофотографии слоя композиции, полученные методом сканирующей электронной микроскопии до травления плазмой (а), и после травления в плазме аргона (б); увеличение 5000-кратное
Рис. 4. Микрофотография поверхности ПЭТФ-пленки с микро- и нанокристаллами серебра; увеличение 15 000-кратное
При этом на поверхности полимерной пленки сорбируются микрокристаллы серебра (рис. 4).
Обработка полимерных пленок в коллоидном растворе частиц серебра также позволяет заметно снизить уровень трибоэлектризации пленок при их транспортировке по лентопротяжным трактам технологического оборудования.
Значительный прорыв в области научных исследований стал возможен после концентрации всех исследовательских приборов и установок в лабораториях центра научных исследований университета. На рис. 5 представлены фотографии высокопрецизионных приборов, которыми оснащен центр научных исследований МГУП.
Обладая целым комплексом исследовательских приборов и установок, МГУП имени Ивана Федорова проводит исследования, имеющие прикладное значение для решения повседневных технологических проблем, которые могут возникать на полиграфических предприятиях, а также у производителей упаковки.
Рис. 5. Приборы центра научных исследований МГУП: сканирующий электронный микроскоп (а) и рентгеновский фотоэлектронный спектрометр (б)
Литература:
1. Максимов С.В. Струйная печать электропроводящими композициями, содержащими наночастицы серебра / Максимов С.В., Солодовник А.Н., Баблюк Е.Б. // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2013. № 1. С. 311.
2. Солодовник А.Н. Нанесение серебросодержащих композиций на полимерные пленки методом струйной печати / Солодовник А.Н., Максимов С.В. // Тенденции развития планарных нанотехнологий на основе современного полиграфического оборудования. Международная молодежная конференция. — Москва: МГУП. 2012. С. 112118.
3. Анохина Е.А., Зубкова Т.А., Нагорнова И.В., Тоёмаса Накано. Разработка антибактериальной упаковки с использованием наночастиц серебра // Доклады международной конференции «Тенденции развития планарных нанотехнологий на основе современного полиграфического оборудования». Москва. 2012. С. 7477.
4. Нагорнова И.В., Баблюк Е.Б. Разработка термохромного элемента интеллектуальной упаковки из полимерных пленок // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. — М.: МГУП. 2012. № 1. С. 2637.
5. Printed Organic and Molecular Elecnronics // Ed. By D. Gamota, P. Brazis, K.Kalyanasundaram, J. Zhang. NewYork: KluwerAcad. Publ. 2004.