Спосіб отримання люмінесцентного покриття на основі нанорозмірного оксиду цинку і поліметилметакрилату для виготовлення друкованих елементів активних та розумних паковань

Реферат: Спосіб отримання люмінесцентного покриття на основі нанорозмірного оксиду цинку і полівінілпіролідону для виготовлення друкованих елементів активних та розумних паковань включає змішування компонентів. Використовують етанольний розчин наночастинок ZnO з -2 середнім розміром наночастинок 4,5 нм і концентрацією 210 М, аеросил (SiO2), полівінілпіролідон з молекулярною масою 360000 г/моль, поліметилметакрилат та 1,2дихлоретан. Змішування компонентів здійснюють шляхом додавання до етанольного розчину нанокристалів ZnO аеросилу і полівінілпіролідону та перемішування до повного розчинення компонентів. Розчинення поліметилметакрилату в 1,2-дихлоретані та змішування отриманих розчинів при інтенсивному перемішуванні і кімнатній температурі. Після чого здійснюють нанесення одержаної люмінесцентної композиції на підкладку. UA 90396 U (54) СПОСІБ ОТРИМАННЯ ЛЮМІНЕСЦЕНТНОГО ПОКРИТТЯ НА ОСНОВІ НАНОРОЗМІРНОГО ОКСИДУ ЦИНКУ І ПОЛІМЕТИЛМЕТАКРИЛАТУ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ДРУКОВАНИХ ЕЛЕМЕНТІВ АКТИВНИХ ТА РОЗУМНИХ ПАКОВАНЬ UA 90396 U UA 90396 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до люмінесцентних матеріалів на основі полімерної матриці та люмінесцентної речовини - нанорозмірного оксиду цинку (ZnO) у вигляді колоїдного розчину нанокристалів в етанолі, і може бути використана для створення друкованих сенсорів, які змінюють свої люмінесцентні властивості внаслідок зміни стану запакованих харчових продуктів. Відомий спосіб отримання покриття на основі наночастинок оксиду цинку (ZnO) в поліметилметакрилаті (ПММА) [1], який полягає в тому, що 2 г ПММА змішують з 10 мл хлороформу і суміш перемішують протягом 1 год., після чого 3 мл розчину ZnO по краплях додають до 10 мл розчину ПММА і знову перемішують протягом 1 год. Отриманий в'язкий розчин наносять спін-покриттям на скляну пластину при швидкості обертання 1500 об./хв. з тим, щоб отримати покриття товщиною 1 мкм. Недоліками даного способу є його складність і тривалість, пов'язані з необхідністю двічі перемішувати компоненти протягом 1 год. при великій швидкості, а також низька інтенсивність люмінесценції отриманого покриття, пов'язана із гасінням люмінесценції внаслідок прямого контакту наночастинок ZnO з полімером. Відомий спосіб отримання покриття з наночастинками ZnO в ПММА [2], який полягає в змішуванні на каландрі наночастинок ZnO, які мають розміри 25-40 нм, в розплавленому ПММА при температурі 240 °C і подальшому гарячому пресуванні (при температурі від 220 до 230 °C) цієї суміші для отримання покриттів товщиною від 20 до 80 мкм. Недоліками даного способу є необхідність використання високих температур та використання наночастинок ZnO з розмірами 25-40 нм, які знаходяться в агрегованій формі і мають низьку інтенсивність люмінесценції. Відомий спосіб отримання покриття з наночастинками ZnO в ПММА [3], який полягає в тому, що для одержання нанорозмірного ZnO проводять гідроліз сполуки цинку в присутності каталізатора (пара- толуолсульфокислоти), який включає наступні стадії: змішування і обробку розчину ультразвуком від 5 до 60 хв, витримку розчину від 30 до 90 хв. при температурі від 100 до 300 °C; осадження ZnO до 24 годин; промивання суспензії; сушіння суспензії. Після цього виготовляють суміш метакрилових або акрилових мономерів, ініціатора та наночастинок ZnO шляхом змішування та обробки ультразвуком протягом 60 хв; додатково частково полімеризують метилметакрилат; додають ініціатор від 0,1 до 40 % і проводять полімеризацію при температурі між 35-80 °C. Недоліками даного способу є його складність і тривалість, пов'язані з необхідністю проводити довготривалу ультразвукову обробку та полімеризацію композиції. Найближчим аналогом до корисної моделі є спосіб отримання покриття з наночастинками ZnO в ПММА [4], який полягає в тому, що розчин ацетату цинку змішують з розчином гідроксиду натрію в метанолі для отримання розчину нанокристалів ZnO в метанолі, ПММА розчиняють в органічному розчиннику (хлороформі) і додають розчин ZnO та диспергуючий агент (етилендіамін, анілін, нафтиламін, фенілен діамін, толуїдин, стеаринову кислоту, олеїнову кислоту, лауринову кислоту, пальмітинову кислоту) при температурі 80 °C та перемішуванні, після нанесення на поверхню органічний розчинник видаляють шляхом випаровування. Недоліками аналогу є його складність, пов'язана з необхідністю нагрівання композиції, і низька інтенсивність люмінесценції отриманого покриття, пов'язана із гасінням люмінесценції внаслідок контакту наночастинок ZnO з полімером. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу отримання люмінесцентного покриття з наночастинками ZnO в ПММА, шляхом використання етанольного розчину наночастинок ZnO, аеросилу (SiO2), ПВП з молекулярною масою 360000 г/моль, ПММА та 1,2-дихлоретану при наступному співвідношенні компонентів (мас. %): етанольний розчин 52; наночастинок ZnO аеросил 1,3; полівінілпіролідон 13,3; поліметилметакрилат 7,7; дихлоретан 25,7, що забезпечує спрощення процесу виготовлення та покращення люмінесцентних властивостей покриттів. Поставлена задача вирішується тим, що покриття отримують шляхом змішування компонентів, згідно з корисною моделлю, що використовують етанольний розчин наночастинок -2 ZnO в етанолі з середнім розміром наночастинок 4,5 нм і концентрацією 210 М, аеросил (SiO2), ПВП з молекулярною масою 360000 г/моль, ПММА та 1,2-дихлоретан при наступному співвідношенні компонентів (мас. %): етанольний розчин 52; наночастинок ZnO 1 UA 90396 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 аеросил 1,3; полівінілпіролідон 13,3; поліметилметакрилат 7,7; 1,2-дихлоретан 25,7; змішування компонентів здійснюють шляхом додавання до етанольного розчину нанокристалів ZnO аеросилу і ПВП та перемішування до повного розчинення компонентів, розчинення ПММА в 1,2-дихлоретані та змішування отриманих розчинів при інтенсивному перемішуванні і кімнатній температурі, після чого здійснюють нанесення одержаної люмінесцентної композиції на підкладку. Корисна модель характеризується графіком (креслення), де зображено вплив концентрації наночастинок ZnO, стабілізованих аеросилом та ПВП в ПММА, на інтенсивність люмінесценції -2 покриттів. 1 - вихідний розчин ZnO в етанолі, [ZnO]=1,0410 моль/л, 2 - покриття ZnO в ПВП, -2 [ZnO]=1,0410 моль/л, 3 - покриття ZnO, стабілізованого аеросилом та ПВП з ПММА, -5 -3 -2 [ZnO]=2,610 моль/л, 4 - [ZnO]=5,210 моль/л, 5 - [ZnO]=1,0410 моль/л. Спектри фотолюмінесценції реєструють на люмінесцентному спектрометрі Perkin Elmer LS 55, збуджуючи світлом з =330 нм. -5 -2 При підвищенні концентрації ZnO у вихідній композиції з 2,610 моль/л до 1,0410 моль/л інтенсивність довгохвильової люмінесценції наночастинок ZnO в максимумі при 520 нм зростає з 100 відн. од. (креслення, крива 3) і 200 відн. од. (креслення, крива 4) до 600 відн. од. (креслення, крива 5). При цьому, останнє значення у 1,5 рази перевищує інтенсивність люмінесценції вихідного розчину ZnO в етанолі (креслення, крива 1) і в 2,4 рази перевищує інтенсивність люмінесценції плівок ZnO в ПВП (креслення, крива 2). Дане явище пояснюється наступним чином. У колоїдному розчині або в ПВП плівці наночастинки ZnO частково агреговані. Оскільки в досліджених частинках проявляються квантово-розмірні ефекти, а саме залежність положення дозволених зон напівпровідника від його розміру, а також в таких системах завжди існує розподіл за розміром, то існує можливість поділу зарядів між наночастинками різних розмірів, що, в кінцевому підсумку, призводить до зниження інтенсивності люмінесценції. У разі ж додаткового використання аеросилу в системі, частинки ZnO розподілені по його поверхні і порах, що призводить до відсутності між ними прямого контакту, і як наслідок підвищення інтенсивності люмінесценції. При цьому обов'язковою умовою збереження люмінесцентних властивостей наночастинок оксиду цинку в ПММА є одночасна присутність в системі аеросилу та ПВП як стабілізаторів ZnO. Відсутність в системі або аеросилу, або ПВП призводить до повного гасіння люмінесценції наночастинок ZnO при висиханні ПММА плівки. Такий синергетичний ефект обумовлений більш повної стабілізацією поверхневих дефектів нанокристалів ZnO, сорбованих в порах аеросилу. Спосіб здійснюють наступним чином: 1 етап. Отримання колоїдних розчинів наночастинок ZnO за відомою методикою [3] при взаємодії етанольних розчинів ацетату цинку і гідрооксиду натрію. 2 етап. Додавання до колоїдного розчину наночастинок ZnO спочатку аеросилу, а потім поступове додавання ПВП при кімнатній температурі та інтенсивному перемішуванні до повного розчинення компонентів. 3 етап. Додавання ПММА до 1,2-дихлоретану при кімнатній температурі та інтенсивному перемішуванні до повного розчинення компонентів. 4 етап. Змішування отриманих розчинів при інтенсивному перемішуванні і кімнатній температурі. 5 етап. Нанесення одержаної люмінесцентної композиції на підкладку. За запропонованим способом отримують нерозчинні у воді високолюмінесцентні покриття на основі наночастинок ZnO, стабілізованих аеросилом та ПВП в ПММА. Спосіб не вимагає довготривалого нагрівання суміші, при цьому досягається інтенсивність люмінесценції у 1,5 рази вище, ніж у вихідного розчину ZnO в етанолі, а також його плівок в ПВП, що пояснюється відсутністю прямого контакту між наночастинками оксиду цинку. Композиції, які отримують за даним способом, є безпечними і нетоксичними і призначені для нанесення на зворотний бік активних і розумних паковань є поліграфічними методами нанесення (флексографічний, трафаретний, струминний, тампонний способи друку) для виготовлення елементів у вигляді сенсорів, які змінюють свої люмінесцентні властивості із зміною стану запакованих харчових продуктів. Джерело інформації: 1. Sreeja R., John J., Aneesh P.M., Jayaraj M.K. // Optics Communications. - 2010. - 283. - P. 2908-2913. 2 UA 90396 U 5 2. Patent US20130053498. Fluorinated polymer and zinc oxide film free of any acrylic odor for photovoltaic use (2013). 3. Patent CN101585925. Uvioresistant ZnO-polymeric complex film, and preparation method (2009). 4. Patent SI2008000055. Nanoparticles and nanowires of ZnO with organophilic surfaces and their nanocomposites with poly(methyl methacrylate) (2008) 5. Shvalagin V.V., Stroyuk A.L., Kuchmii S. Ya. // Theor. Exp. Chem. - 2004. - 40(6). - P. 378. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 Спосіб отримання люмінесцентного покриття на основі нанорозмірного оксиду цинку і полівінілпіролідону для виготовлення друкованих елементів активних та розумних паковань, що включає змішування компонентів, який відрізняється тим, що використовують етанольний -2 розчин наночастинок ZnO з середнім розміром наночастинок 4,5 нм і концентрацією 210 М, аеросил (SiO2), полівінілпіролідон з молекулярною масою 360000 г/моль, поліметилметакрилат та 1,2-дихлоретан при наступному співвідношенні компонентів (мас. %): етанольний розчин наночастинок 52 ZnO аеросил 1,3 полівінілпіролідон 13,3 поліметилметакрилат 7,7 1,2-дихлоретан 25,7, змішування компонентів здійснюють шляхом додавання до етанольного розчину нанокристалів ZnO аеросилу і полівінілпіролідону та перемішування до повного розчинення компонентів, розчинення поліметилметакрилату в 1,2-дихлоретані та змішування отриманих розчинів при інтенсивному перемішуванні і кімнатній температурі, після чого здійснюють нанесення одержаної люмінесцентної композиції на підкладку. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3