同軸電射流打印實驗研究*

林一高，王大志※，趙小軍，王 驍

（1.大連理工大學遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點實驗室，遼寧大連 116024；2.海軍大連艦艇學院航海系，遼寧大連 116018）

0 引言

同軸電射流打印是基于電流體動力效應的一種打印制造技術(shù)，它利用流體在電場力和機械力作用下形成的穩(wěn)定、精細射流來實現(xiàn)材料的打印制造。該打印技術(shù)是將兩種互不相容的液體分別以合適的流量通入兩個同軸放置的噴針中，在一定的電壓下，兩噴針出口處將形成一個穩(wěn)定的雙層泰勒錐結(jié)構(gòu)，并在錐的末端出現(xiàn)一股同軸射流[1]。當同軸電射流的內(nèi)、外液粘度較小時，溶液在出口處形成霧化現(xiàn)象（同軸電霧化）。這種技術(shù)具有操作及裝置簡單、包裹精度高、可控性強等優(yōu)點，因此廣泛應用于生物醫(yī)學[2,3]、功能涂層[4]、材料制備[5,6]等領(lǐng)域。Loscertales等[7]首次用同軸電霧化技術(shù)生產(chǎn)出特征尺寸為幾十微米到數(shù)百納米的微膠囊。隨后，Loscertales等[8]根據(jù)內(nèi)外層液體的電場弛豫時間不同，提出了驅(qū)動液體和內(nèi)驅(qū)動及外驅(qū)動的概念。Sun等[9]用聚合物聚氧乙烯（PEO）和聚砜(PSU)分別作為同軸電紡絲的內(nèi)外層液體，制備了光滑的納米芯-殼結(jié)構(gòu)。Li等[10]以無機/聚合物復合材料為外層材料，以重礦物油為內(nèi)層材料，通過同軸電紡絲制備了陶瓷長空心納米纖維。Liu等[11]以PAN/DMF的混合物為外層液體，以礦物油為內(nèi)層液體，通過同軸電紡絲并結(jié)合高溫處理制備了穩(wěn)定的芯-殼型碳納米纖維。

目前同軸電霧化技術(shù)主要應用于制造亞微米甚至納米級的微包裹、芯-殼結(jié)構(gòu)和中空納米管等方面。本文在搭建的同軸電射流打印平臺上，以光刻膠為內(nèi)液，以硅油為外液，研究了同軸電射流打印技術(shù)，實現(xiàn)了復合微結(jié)構(gòu)的打印，并探尋了關(guān)鍵參數(shù)對射流狀態(tài)及打印結(jié)果的影響，包括外液粘度、溶液流量以及噴針電壓。

1 同軸電射流打印實驗

1.1 同軸電射流打印實驗裝置

圖1是同軸電射流打印平臺的示意圖。其主要組成部分有：同軸打印噴頭系統(tǒng)、注射與管路系統(tǒng)、XYZ三軸運動平臺、直流高壓電源及顯微成像系統(tǒng)。這些部件保證了同軸電射流實驗中流量、電壓及工作距離得到有效調(diào)節(jié)。此外實時顯微成像功能，方便實現(xiàn)對同軸電射流打印過程的觀察，以保證整個打印過程處于穩(wěn)定的錐射流狀態(tài)下進行。噴針的注射與管路系統(tǒng)是通過皮升泵來推動注射器，通過PTFE管連接噴針固定夾與注射器，保證了流量從內(nèi)噴針出口處穩(wěn)定持續(xù)地流出，為實現(xiàn)精密打印提供了流量保障。對于外層液體，通過微量注射泵提供動力，用硅膠軟連接噴針與注射器，保證連接的緊密性及可靠性。XYZ三軸運動平臺系統(tǒng)可以在計算機的控制下按照不同的運動速度、工作距離及軌跡運動，以滿足同軸電射流打印過程中對打印參數(shù)的要求。直流高壓電源的作用是為同軸電射流打印提供穩(wěn)定的電場力。由CCD相機、光源和計算機組等成的顯微成像系統(tǒng)用于同軸電射流打印過程的實時監(jiān)測與射流形態(tài)分析，輔助調(diào)節(jié)電射流打印參數(shù)，保證整個打印過程在穩(wěn)定的錐射流狀態(tài)下進行。

圖1 同軸電射流打印實驗平臺示意圖Fig 1 Schematic diagram of coaxial electrohydrodynamic jet printingexperiment

1.2 打印材料

在實驗中，選擇光刻膠和硅油分別作為打印內(nèi)液和外液。光刻膠在室溫環(huán)境下呈現(xiàn)紅色，在打印過程中容易被觀察到，而且光刻膠可用于制造微溝道。對于外液則采用具有高粘度的硅油，硅油具有無色、無味、無毒的特點，容易清洗。更重要的是硅油在電場中形變產(chǎn)生的粘滯力會與內(nèi)層液體的電場切向力疊加，從而實現(xiàn)對內(nèi)射流聚焦。表1所示為不同種類硅油的參數(shù)性質(zhì)。

1.3 打印過程

同軸電射流打印基本過程是：首先選擇適當液體作為外層輔助材料，此液體與內(nèi)層功能液體不相溶并具備大于內(nèi)層功能液體的粘度，使得外層液體具有對內(nèi)層液體射流提供更大的剪切力和保護內(nèi)層液體的功能。將內(nèi)層液體和外層液體分別注入同軸噴頭的內(nèi)外噴針中，在合適的流量和電壓下，利用同軸噴頭形成雙層液體的同軸復合射流。通過XYZ運動平臺控制襯底的運動，從而打印出微米級雙層結(jié)構(gòu)。

表1 硅油種類及其性質(zhì)Table1 Propertiesof series siliconeoil

2 結(jié)果與討論

2.1 外液粘度

圖2 光刻膠和不同粘度的硅油所形成的同軸電射流Fig 2 Coaxial jetting for different silicon oil samples on the outer needlewith photoresist flowingthrough theinner needle

本實驗將S1-S6型硅油作為外層液體先后分別通入外噴針中，將光刻膠作為內(nèi)層液體通入內(nèi)噴針中。內(nèi)外層液體的流量分別為2.67×10-10m3/s和2.67×10-9m3/s，噴針工作距離為1.5 cm，在整個實驗過程中，內(nèi)外噴針的流量及工作距離保持恒定不變。在～6 kV工作電壓下均獲得了穩(wěn)定的同軸錐-射流，如圖2所示。圖2（a）為S1型硅油與光刻膠所形成的同軸電射流，可以看到內(nèi)外層液體沒有明顯的分界面，射流很短，很快霧化破碎。圖2（b）為S2型硅油與光刻膠的復合同軸電射流，由于S2型硅油的粘度較小，同軸射流在一段時間后破碎霧化。S3、S4、S5及S6型硅油粘度較大，它們與光刻膠所形成的同軸電射流均沒有破碎霧化，在宏觀上均對內(nèi)射流完成了包裹，形成了聚焦，如圖2（c）-2（f）所示。盡管S3、S4、S5及S6型硅油均完成了對內(nèi)射流的包裹聚集，但是從圖中可以看到，隨著硅油粘度的增加，內(nèi)層液體所形成的錐-射流與外內(nèi)層液體所形成的錐-射流的界面越漸明顯。這進一步反映了隨著硅油粘度的增加，其對內(nèi)層液體的聚焦作用越強。本實驗說明：低粘度的硅油使得同軸射流分散霧化，高粘度的硅油使得射流穩(wěn)定聚集，并且外層液體的粘度越大，對內(nèi)層液體的聚集性越強。

2.2 流量

流量是同軸電射流打印實驗中一個關(guān)鍵的射流參數(shù)，其大小直接影響射流尺寸和打印結(jié)果。因此，合適的內(nèi)外層液體的流量將有利于提升最終打印結(jié)果的分辨率。本文采用單一變量控制法通過改變液體的流量來研究流量對同軸電射流打印的影響。圖3為采用不同液體流量的同軸電射流打印的結(jié)果。本實驗中選用S6型硅油作為外層液體，光刻膠作為內(nèi)層液體。內(nèi)層液體設為恒定的流量7.35×10-14m3/s，外層液體的流量分別為7.35×10-10m3/s、4×10-10m3/s及2.34×10-10m3/s，打印的光刻膠/硅油復合結(jié)構(gòu)的線寬尺寸分別為～110μm、～70μm和～40μm。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，外層液體流量的減小，可以大尺度地降低雙層打印結(jié)構(gòu)的尺寸。

圖3 不同液體的流量對同軸打印結(jié)果的影響Fig3 Theinfluence of different liquid flow rateon the result of coaxial print

2.3 電壓

電場力是電射流形成的決定性參數(shù)，電壓的大小直接影響著射流的形狀和打印模式。為進一步控制同軸電射流打印，本文研究了電壓對同軸電射流形成過程的影響，得到了關(guān)于光刻膠/硅油復合溶液的射流模式，如圖4所示。本實驗選用S6型硅油作為外層液體。內(nèi)層液體的流量為7.35×10-10m3/s，外層液體的流量為2.67×10-9m3/s。圖4（a）為不加電壓時的情況，在針口處外層液體包裹內(nèi)層液體形成一個半球狀液滴；施加一定的電壓后，針口處的半球狀液滴慢慢變大，有規(guī)律地出現(xiàn)復合液滴分離針口，呈現(xiàn)“滴狀模式”，如圖4（b）所示；電壓繼續(xù)增大，將會出現(xiàn)內(nèi)層液體仍然是滴模式而外層液體呈現(xiàn)紡錘狀的“紡錘滴模式”，如圖4（c）所示；繼續(xù)增大電壓，將會形成“穩(wěn)定的同軸錐-射流模式”，如圖4（d）所示，此模式下射流和錐都很穩(wěn)定；再次增大電壓，會出現(xiàn)“錐”穩(wěn)定而射流鞭動的情況，這是“不穩(wěn)定的同軸錐-射流模式”，如圖4（e）所示；電壓繼續(xù)升高，將形成“多股同軸射流”模式，如圖4（f）所示。

圖4 不同電壓下的幾種同軸電射流模式Fig4 Several typical sprayingmodesin coaxial jet

3 結(jié)論

本文結(jié)合光刻膠和硅油研究了同軸電射流打印技術(shù)以及關(guān)鍵參數(shù)對同軸射流形態(tài)及打印結(jié)果的影響。結(jié)果表明：隨著硅油粘度的逐漸增大，同軸電射流的形態(tài)逐漸由霧化向穩(wěn)定射流轉(zhuǎn)變，內(nèi)外層液體逐漸形成明顯分界面，硅油對光刻膠的聚焦性逐漸增強；隨著溶液流量的降低，可以有效降低同軸射流尺寸及雙層打印結(jié)構(gòu)的線寬尺度；隨著電壓的增大，液滴在噴針出口處逐漸由最初的“滴狀模式”演變?yōu)椤胺€(wěn)定的同軸錐-射流模式”。當電壓過大，將會形成“多股同軸射流模式”的不穩(wěn)定狀態(tài)。