電噴打印系統(tǒng)研制

蔣建 王皆宸 韓宇航 韓磊

摘 要：本文以電噴打印的工作原理、打印模式為基礎(chǔ)，研究新型打印材料的特性，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)電噴打印系統(tǒng)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了電噴打印的可行性，同時(shí)分析了電場(chǎng)電壓、基片運(yùn)動(dòng)速度對(duì)溶膠纖維的各項(xiàng)屬性的影響。

關(guān)鍵詞：電噴打??；噴頭；新型材料

中圖分類號(hào)：TS803；TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）08-0021-02

Electrojet Printing System Development

JIANG Jian WANG Jiechen HAN Yuhang HAN Lei

（Nanhang Jincheng College ，Nanjing Jiangsu 211156）

Abstract： Based on the working principle and printing mode of the electrojet printing， this paper researched the characteristics of the new type of printing materials and constructs the experimental model. Through the experimental data， the electric jet printing system was analyzed， and the feasibility of the electric jet printing was verified. At the same time， the influence of the electric field voltage and the motion velocity of the substrate on the properties of the sol-gel fiber was analyzed.

Keywords： electrojet printing；printer nozzle；new materials

1 電噴打印原理研究

電噴打印是在噴嘴和導(dǎo)電基底之間施加電壓，利用靜電力將液體從噴嘴尖端吸引出來[1]。電場(chǎng)導(dǎo)致墨水中可移動(dòng)離子聚集到噴嘴處彎液面的表面區(qū)域，離子間的庫倫排斥力使彎液面變形為錐形，稱為Taylor錐（Taylor cone）。在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下，靜電力克服表面張力作用使液體噴出，控制基片的位置并協(xié)調(diào)液滴的噴射，便能實(shí)現(xiàn)墨水材料的圖案化沉積。

1.1 工作模式選擇

電噴打印時(shí)，在不同的電場(chǎng)強(qiáng)度、注射泵流量（或壓力）及流體性質(zhì)（密度、黏度、表面張力、電導(dǎo)率和介電常數(shù)）等參數(shù)下會(huì)得到不同的流動(dòng)模式，由于電流體動(dòng)力理論的復(fù)雜性導(dǎo)致難以對(duì)其準(zhǔn)確預(yù)測(cè) ，可利用兩種工作模式：脈動(dòng)噴射模式和穩(wěn)態(tài)噴射模式。與穩(wěn)態(tài)噴射模式相比，脈動(dòng)噴射模式液體流量更低，工藝參數(shù)范圍更廣，故選擇脈動(dòng)噴射模式為本次主要研究的電噴打印模式。

1.2 墨水特性研究

為適用于電噴打印，溶液墨水需滿足以下幾個(gè)條件。一是材料必須是可流動(dòng)的形態(tài)，包括溶液、懸濁液或液態(tài)前驅(qū)體，可光照或加熱固化的液體是最佳選擇。常用的制備方法是將目標(biāo)材料溶解或分散于溶劑中，以得到能流過打印頭噴嘴的液體。二是墨水顆粒的尺寸必須遠(yuǎn)小于打印頭噴嘴的內(nèi)徑。三是溶液的性質(zhì)（表面張力、黏性、電導(dǎo)率）必須具有合適的組合。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立

本實(shí)驗(yàn)以靜電紡絲制備纖維溶液，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，既需要考慮噴頭的選用、溶膠的制備等，還需要考慮周圍環(huán)境、氣壓、振動(dòng)的影響。

2.1 噴頭的選用

電噴打印對(duì)薄膜形成的溶膠直徑有較高要求（噴頭射出的溶膠纖維直徑不得大于10μm），若選擇玻璃噴頭，使用加熱拉成絲狀的模式對(duì)噴頭進(jìn)行加工，得到的噴頭有部分符合實(shí)驗(yàn)條件，但噴頭本身的直徑較小，工藝不能精確控制噴頭內(nèi)徑，得到的噴頭內(nèi)徑也互不相同。因此，在選擇噴頭時(shí)，優(yōu)先考慮不銹鋼噴頭，經(jīng)過測(cè)量后選擇兩個(gè)噴頭，其內(nèi)徑分別為9μm和15μm。不銹鋼噴頭普遍符合實(shí)驗(yàn)要求，且規(guī)格較為整齊，但容易在擦拭及溶膠揮發(fā)時(shí)有雜質(zhì)堵住噴嘴。

2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)過程中，噴頭噴射出的溶膠纖維直徑≤10μm。由于纖維直徑過小，輕微氣流均可改變纖維噴射路徑，需選擇封閉的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的抖動(dòng)也會(huì)影響溶膠的堆積，因此，在選用實(shí)驗(yàn)臺(tái)時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要有減震的環(huán)境。實(shí)驗(yàn)過程中，溶膠時(shí)常會(huì)暴露在空氣中，空氣中的部分水蒸氣會(huì)影響溶膠纖維的濃度，所以溶膠纖維所處的環(huán)境需要保持干燥。

在給正負(fù)極施加電壓之前，需要噴頭中的溶膠有向下墜落的趨勢(shì)，所以在注射器中添加了氬氣作為氣壓來源，并調(diào)整出合適的氣壓，形成合適的實(shí)驗(yàn)條件。

2.3 溶液溶膠的制備

通過觀察纖維的陣列形態(tài)和測(cè)量纖維的直徑，分別分析了不同的P（VDF-TrFE）溶膠濃度、工作電壓和收集器的移動(dòng)速度對(duì)纖維形貌特征的影響，總結(jié)出一些靜電紡絲法制備纖維的經(jīng)驗(yàn)。

本次配制P（VDF-TrFE）溶液使用二甲基甲酰胺（DMF）作為溶劑。為提高溶液的蒸發(fā)率和纖維的成形率，在溶劑中添加丙酮；DMF和丙酮的體積比為3∶2。實(shí)驗(yàn)制備12wt%、16wt%和20wt%三種濃度的P（VDF-TrFE）溶膠溶液，分別使用這三種濃度的P（VDF-TrFE）溶液制備纖維。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)濃度低于12wt%，由于從噴頭泰勒錐處形成的射流在到達(dá)襯底前無法完全揮發(fā)成纖維狀，不利于在襯底上得到連續(xù)的纖維。因此，本次實(shí)驗(yàn)采用20wt%濃度的P（VDF-TrFE）溶膠溶液，并在此基礎(chǔ)上分析靜電紡絲工藝參數(shù)（工作電壓，收集器移動(dòng)速度）對(duì)纖維形貌的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了準(zhǔn)確研究靜電紡絲的驅(qū)動(dòng)電壓和收集器移動(dòng)速度對(duì)纖維形貌的影響，先后采用兩種運(yùn)動(dòng)方式作為纖維的收集方法。靜電紡絲實(shí)驗(yàn)以硅晶片為襯底，在平面上收集P（VDF-TrFE）纖維，X-Y方向的直線運(yùn)動(dòng)速度為0～6mm/s；以直徑33mm的金屬圓柱滾筒為襯底，在曲面上收集P（VDF-TrFE）纖維，金屬滾筒的轉(zhuǎn)速為0～1 020r/min（切向速度：0～1 751mm/s）。

3.1 工作電壓和纖維直徑的關(guān)系

分別施加電壓1.4、1.6、1.8kV，其他參數(shù)不變，觀察不同電壓下纖維的形貌情況。靜電紡絲開始工作時(shí)，施加1.4kV工作電壓，并逐漸增加到1.6kV和1.8kV，在光學(xué)顯微鏡下觀察硅基片上纖維的形貌特征變化，并測(cè)量其直徑。測(cè)量顯示，1.4kV工作電壓下得到的纖維平均直徑為8.05～12.96μm，1.6kV工作電壓下纖維的平均直徑為3.86～6.13μm，1.8kV工作電壓下纖維的平均直徑為0.85～1.12μm。

通過工作電壓和P（VDF-TrFE）纖維直徑的關(guān)系可看出：在一定范圍內(nèi)，工作電壓越大，P（VDF-TrFE）纖維越細(xì)。但是，當(dāng)工作電壓大于1.8kV時(shí)，由于電場(chǎng)強(qiáng)度增大，增加了泰勒錐射流的流速，使纖維的下降變快，再加上X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度限制（最大6mm/s），無法實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的機(jī)械拉伸作用，纖維無法均勻地排列到Si基底上，纖維表面的電荷會(huì)互相排斥，因此，纖維在基板上會(huì)出現(xiàn)堆積和盤旋現(xiàn)象，無法得到均勻、有序的P（VDF-TrFE）纖維?？梢姡滓苿?dòng)速度對(duì)纖維的形貌特征也有一定影響。

3.2 運(yùn)動(dòng)速度和纖維直徑的關(guān)系

為了探討基底的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)纖維形貌的影響，使用金屬滾筒作為基底，將纖維沉淀到金屬滾筒的表面。改變金屬滾筒使轉(zhuǎn)速改變其切向速度，通過在光學(xué)顯微鏡下觀察纖維的形貌特征和測(cè)量其直徑變化，研究基地的移動(dòng)速度和P（VDF-TrFE）纖維直徑的關(guān)系。金屬滾筒直徑103mm，作為接地基底。施加工作電壓1.8kV，噴頭到基底的距離2mm，氣壓12kPa。在該狀態(tài)下可得到連續(xù)、排列有序的P（VDF-TrFE）纖維，可持續(xù)工作數(shù)小時(shí)，纖維平均直徑為0.4～0.7μm。

依次改變滾筒轉(zhuǎn)速為60、360、660、960r/min，測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下所得P（VDF-TrFE）纖維的直徑。通過滾筒轉(zhuǎn)速和P（VDF-TrFE）纖維直徑的關(guān)系（見圖1）可以看出：在一定范圍內(nèi)，金屬滾筒的轉(zhuǎn)速越大，P（VDF-TrFE）纖維越細(xì)。提高金屬滾筒的轉(zhuǎn)速，使機(jī)械拉伸作用對(duì)纖維的沉積效果更好，更有助于得到較細(xì)的纖維。

4 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)的目的是研究電噴打印的工作原理與模式。利用靜電紡絲實(shí)驗(yàn)得到直徑4～5μm的溶膠纖維，驗(yàn)證了電噴打印的可行性，同時(shí)分析了電場(chǎng)電壓、基片運(yùn)動(dòng)速度對(duì)溶膠纖維的各項(xiàng)屬性的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]Onses M S，Sutanto E，F(xiàn)erreira P M，et al. Mechanisms， Capabilities， and Applications of High-Resolution Electrohydrodynamic Jet Printing[J]. Small，2015（34）：4237-4266.