用于噴墨打印的壓電噴嘴研制及機(jī)理探究

張彥振，李德格，王凱新，楊國棟，武鑫磊，胡國放，劉永紅

（中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580 ）

自19 世紀(jì)以來，科研人員開始對(duì)液滴的形成機(jī)理和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了深入研究[1]。早在1833 年，Savart 首先提出讓液體流經(jīng)噴嘴形成液流并產(chǎn)生相同尺寸液滴的方法，還明確指出了液滴噴射是液體在外力的驅(qū)動(dòng)下被迫以液滴的形式從噴嘴中噴射出的技術(shù)[2]。1878 年，Rayleigh 等[3]詳細(xì)闡述了自由液柱分裂成液滴的過程，并對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)學(xué)理論分析，這被稱為液滴斷裂的Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性。1951 年，Elmqvist[4]根據(jù)液滴噴射理論發(fā)明了噴墨打印機(jī)，使液滴噴射技術(shù)成功地從理論研究階段走向了工程應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)開發(fā)出基于各種技術(shù)的噴墨打印形式[5-6]，應(yīng)用最廣泛的主要有熱泡式和壓電式噴墨打印技術(shù)，并且通過打印功能性墨水，噴墨打印技術(shù)也從紙面走向精密制造[7]、防偽識(shí)別[8]、柔性電子皮膚[9]乃至生命科學(xué)領(lǐng)域[10]，直徑在幾到幾百微米范圍內(nèi)的微小液滴在諸多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越顯著的作用。

在眾多的噴墨打印技術(shù)中，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的可按需噴墨打印技術(shù)以其響應(yīng)速度快、易于操作、靈活性好及可按需噴射等優(yōu)勢(shì)而受到青睞[11]。目前，壓電按需噴射技術(shù)主要有擠壓型、彎曲型、推拉型、剪切型4 種工作方式，如圖1 所示[12]。當(dāng)給壓電驅(qū)動(dòng)元件施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電信號(hào)時(shí)，壓電驅(qū)動(dòng)元件會(huì)產(chǎn)生變形，并導(dǎo)致儲(chǔ)液腔內(nèi)產(chǎn)生壓力波動(dòng)，進(jìn)而傳遞給內(nèi)部待打印液體介質(zhì)，使得儲(chǔ)液腔中的液體克服表面張力和粘性力的阻礙，從噴嘴出口處以一定的速度噴出，形成單個(gè)液滴，并運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)位置。

圖1 壓電式按需噴射技術(shù)分類

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者和公司開發(fā)了多種利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的液滴按需噴射成形系統(tǒng)，并對(duì)其工作機(jī)理進(jìn)行了深入研究[13-15]。但是還存在很多問題，包括打印精度難以進(jìn)一步提升；結(jié)構(gòu)不靈活，不能滿足某些特定的試驗(yàn)要求；打印頻率不高，致使打印的效率較低；噴頭的成本較高、價(jià)格比較昂貴等。本文提出一種基于擠壓管式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的按需噴射噴頭制作工藝，制作出符合要求的按需噴射裝置，通過試驗(yàn)研究噴頭工作狀態(tài)，分析噴頭工作機(jī)理，從而達(dá)到噴射液滴大小和噴射頻率在較大范圍內(nèi)可調(diào)的效果。

1 噴頭制作工藝

1.1 尖錐形噴嘴制作

制備壓電噴頭的第一步就是制作微細(xì)噴嘴，本研究利用易于獲得的硼硅毛細(xì)玻璃管進(jìn)行制作。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，共開發(fā)了尖錐形噴嘴、平面形噴嘴和增強(qiáng)型尖錐噴嘴3 種不同的玻璃噴嘴制作工藝。

尖錐形噴嘴的制備需要用拉針儀對(duì)玻璃管進(jìn)行拉制，本研究所用硼硅玻璃管的外徑為2 mm、內(nèi)徑為1.8 mm，拉針儀是一種基于電阻絲加熱的重力型拉針儀。圖2 是該拉針儀的工作原理：將毛細(xì)玻璃管穿過加熱線圈，豎直裝夾在固定V 形卡頭和活動(dòng)V 形卡頭之間，活動(dòng)卡頭下端可以放置不同的砝碼塊來改變重量；加熱線圈通電發(fā)熱，均勻地對(duì)毛細(xì)玻璃管的中間部分進(jìn)行加熱，使毛細(xì)玻璃管的被加熱段受熱軟化，最后玻璃管在重力的作用下逐漸被拉長變細(xì)，直至玻璃纖維不能承受相應(yīng)的拉力而斷裂，從而形成具有一定錐度和小孔的錐形尖端。這樣通過改變拉針儀的通電電流和配重砝碼的重量，即可獲得不同尺寸的玻璃噴嘴（圖3），具有較好的幾何形貌，可直接與壓電陶瓷管粘合，應(yīng)用于噴頭的制作。

圖2 毛細(xì)玻璃管拉制過程示意

圖3 拉制的毛細(xì)玻璃噴嘴顯微照片

該類噴嘴的制作操作簡(jiǎn)便、省時(shí)省力，能快速制備出大量符合要求的玻璃噴嘴，且成本低廉，但這種玻璃噴嘴尖端處的壁厚僅不足1 μm，易在操作過程中因輕微觸碰而損壞尖嘴部分，對(duì)外力不具備耐受性，因而在使用過程中要求較高。玻璃噴嘴完成拉制以后，將其與壓電陶瓷管用環(huán)氧樹脂粘合劑進(jìn)行粘合，靜置24 h 即可使用，制作的壓電陶瓷管驅(qū)動(dòng)的壓電噴頭結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 噴頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 平面形噴頭制作

為了克服尖錐形玻璃噴嘴易碎的問題，進(jìn)一步開發(fā)制作了平面形毛細(xì)玻璃噴嘴，其技術(shù)流程大體如下：先將毛細(xì)玻璃管切割至合適的長度，一端用煅針儀通過火焰拋光的手段對(duì)毛細(xì)玻璃管進(jìn)行均勻加熱，當(dāng)毛細(xì)玻璃管的末端被加熱到一定程度時(shí)，端面會(huì)慢慢軟化收縮變圓，可直至玻璃管完全閉合，如圖5a 所示；然后將煅燒的玻璃管研磨至接近所需的出口尺寸，并用更細(xì)的氧化鋁拋光劑進(jìn)行拋光，直到獲得平坦而無劃痕的表面為止，加工得到實(shí)物見圖5b。通過上述加工方式，毛細(xì)玻璃管的原始內(nèi)徑和噴嘴出口通道之間會(huì)形成一個(gè)均勻、平滑的錐形過渡區(qū)域。本研究利用外徑2 mm、內(nèi)徑1.8 mm 的玻璃管成功制備了出口直徑在10～60 μm范圍內(nèi)的噴嘴，制得的噴嘴幾何形貌非常接近美國MicroFab 公司的產(chǎn)品。

圖5 火焰拋光后的毛細(xì)管端面及磨拋完成后的噴嘴端面

在平面形噴嘴的制作過程中，參數(shù)對(duì)液滴生成的質(zhì)量和效率有很大的影響。毛細(xì)玻璃管及其頸縮通道的內(nèi)孔應(yīng)光滑、同軸且對(duì)稱，最理想的情況是形成一個(gè)短的、均勻的錐形過渡段，這樣可使聲波能量得到有效集中，并且小尺度管道長度較短，沿程損耗較小。精細(xì)拋光的主要目的是在噴嘴孔與研磨面附近獲得鋒利、干凈的邊緣，因?yàn)樵撨吘壣系娜魏瘟鸭y或碎屑都會(huì)造成不良液滴或不需要的衛(wèi)星液滴形成。此外，在研磨過程中如何保持玻璃管的位置穩(wěn)定并且軸心垂直于進(jìn)行磨拋的砂紙是一個(gè)關(guān)鍵問題，這種玻璃噴嘴制作方法的優(yōu)點(diǎn)是噴嘴強(qiáng)度較高，輕微的觸碰不會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)造成損壞，使用起來比較安全穩(wěn)定；缺點(diǎn)是制作工藝較繁瑣，制作一個(gè)噴嘴花費(fèi)的時(shí)間較長，且噴嘴出口較厚，不便于觀測(cè)噴嘴處的液滴噴射行為，這類情形仍需要尖錐型噴嘴進(jìn)行打印。

1.3 增強(qiáng)型尖錐噴嘴制作

綜合考慮上述兩種噴嘴的優(yōu)勢(shì)和短板，開發(fā)出結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)的增強(qiáng)型尖錐噴嘴。首先將玻璃管用尖錐形噴嘴制作方法進(jìn)行加熱拉伸，制備出比所需孔徑更大的噴嘴，在顯微鏡下觀察，將制備的噴嘴重新裝夾到拉針儀的活動(dòng)卡頭上，然后將活動(dòng)卡頭在豎直方向上固定，使噴嘴口位于加熱電阻絲的中間，給電阻絲通電發(fā)熱使其輕微煅燒噴嘴口，煅燒時(shí)慢慢旋轉(zhuǎn)毛細(xì)玻璃管使噴嘴口受熱均勻，這樣就可將噴嘴口的內(nèi)徑受熱收縮到所需直徑，見圖6。

圖6 增強(qiáng)型尖錐噴嘴顯微照片

這種噴嘴的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度比尖錐形噴嘴高不少，且相較于平面形噴嘴而言，其透明度高、便于觀察；缺點(diǎn)是制作流程較繁瑣、工藝過程較難控制，對(duì)制作工藝的要求更高。

1.4 尖端疏水處理

由于玻璃噴嘴尖端具有較好的親水性，在用水基介質(zhì)進(jìn)行噴射試驗(yàn)時(shí)，被噴射的液滴易殘留在噴嘴外壁上，產(chǎn)生潤濕現(xiàn)象，從而形成掛流，阻礙正常噴射，如圖7 所示。掛流會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成較大的影響，所以需對(duì)玻璃噴嘴的尖端進(jìn)行疏水處理。

圖7 掛流現(xiàn)象

一般疏水處理有兩種方式[16]：第一種是增大表面接觸角，使材料表面的自由能降低，主要方法是在材料的表面涂覆低表面能的氟化物、烷氧基聚合物等，這些物質(zhì)內(nèi)部除了碳基以外，還具有許多低表面能的氟、硅等原子基團(tuán)，能顯著降低材料表面的自由能，增大表面接觸角從而達(dá)到疏水效果[17]；第二種是改變材料表面的結(jié)構(gòu)形貌，在表面制備微納結(jié)構(gòu)，較大的表面粗糙度值能減小玻璃表面的自由能，使水滴與玻璃的接觸面積減小，從而達(dá)到疏水效果[18]。

對(duì)于尖錐形噴頭，由于端面較小，難以制備具有微納結(jié)構(gòu)的表面，所以選用氟硅烷的乙醇溶液來配制疏水劑。氟硅烷與玻璃表面接觸后，氟硅烷先水解生成硅氧烷，硅氧烷再與玻璃表面的羥基發(fā)生脫水反應(yīng)成醚鍵，醚鍵的表面極性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于羥基，最終-CF3基團(tuán)覆蓋了玻璃表面，降低了玻璃的表面能，進(jìn)而增大了水滴與玻璃表面的接觸角，最終形成了疏水膜層。有效成分氟硅烷的用量一般為0.5%～5%，濃度過低時(shí)在玻璃面上涂覆時(shí)難以形成均勻的疏水膜層，濃度過高時(shí)在玻璃面上形成的疏水膜層易產(chǎn)生白色混濁而影響觀測(cè)。將配制好的氟硅烷乙醇溶液攪拌均勻，噴頭浸入溶液中1～2 min，在相對(duì)濕度為40%的室溫下干燥24 h，疏水表面即制作完成，處理好的噴頭噴射效果如圖8 所示。

圖8 尖錐形噴頭疏水處理后噴射效果

對(duì)于平面形玻璃噴嘴，可通過飛秒激光等手段在端面上構(gòu)造微納結(jié)構(gòu)，改變玻璃表面的粗糙度，結(jié)合表面粗糙化與氟硅烷處理后，玻璃表面粗糙度與疏水性得到進(jìn)一步提高，然后再進(jìn)行上述氟硅烷溶液處理，這樣疏水表面就制作完成。圖9 是疏水處理后的噴頭噴射效果，端面出口邊緣基本無水附著，可實(shí)現(xiàn)良好的打印效果。

圖9 平面形噴頭疏水處理后噴射效果

2 噴頭工作機(jī)理研究

為便于觀測(cè)，利用尖錐形壓電噴頭開展相關(guān)性能探究試驗(yàn)。首先制備了不同長度的尖錐形玻璃噴嘴，然后與壓電陶瓷管粘合，粘合時(shí)令壓電陶瓷管位于玻璃管的不同位置用于探究壓力波傳遞對(duì)噴射的影響。

以2 號(hào)白油為打印介質(zhì)，首先探究所制作的噴頭在不同頻率、電壓下的工作效果，記錄在低電壓驅(qū)動(dòng)下的穩(wěn)定工作頻率，包括5.87、17.5、20.96 kHz，工作效果見圖10。結(jié)果顯示，該噴頭可實(shí)現(xiàn)不同頻率的穩(wěn)定噴射。

圖10 噴頭在不同頻率下施加不同電壓的噴射效果

然后，通過多次測(cè)量兩個(gè)液滴之間的距離來計(jì)算液滴的平均噴射速度與平均直徑，得到不同頻率下驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)打印速度和液滴尺寸的影響，如圖11所示。結(jié)果顯示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)，液滴的噴射速度和尺寸大小也隨之增大，這是由于驅(qū)動(dòng)電壓增大，壓電陶瓷管的體積變形就會(huì)增大，產(chǎn)生的壓力波也隨之增大，對(duì)液滴的加速作用越明顯，同時(shí)產(chǎn)生的液體的體積也會(huì)增大，然而驅(qū)動(dòng)電壓過大會(huì)引起衛(wèi)星液滴的形成，從而影響精度。

圖11 不同頻率下噴嘴工作規(guī)律

最后，為了探究玻璃管通道長度對(duì)噴射打印效果的影響，把噴頭的后端截?cái)?0 mm，記錄其在0～65 kHz 范圍內(nèi)能穩(wěn)定噴射的頻率和在該頻率下最小的工作電壓，如圖12 所示。結(jié)果顯示，玻璃管被截?cái)嗪?，工作頻率整體變大。

圖12 截?cái)嗲昂箢l率與電壓的關(guān)系

考慮到壓電陶瓷在管道內(nèi)產(chǎn)生的聲波符合小振幅的假設(shè)前提，即其質(zhì)點(diǎn)速度遠(yuǎn)小于聲速、質(zhì)點(diǎn)位移遠(yuǎn)小于聲波波長、介質(zhì)的密度增量遠(yuǎn)小于其靜態(tài)密度的前提，可利用線性聲學(xué)解釋管道內(nèi)的聲波傳遞過程。同時(shí)，考慮到玻璃管的內(nèi)徑也遠(yuǎn)小于聲波的波長，因此管內(nèi)的聲波可視為平面波，根據(jù)線性聲學(xué)的一維波動(dòng)方程理論，由于噴頭后端被截?cái)?0 mm，其整體長度縮短，對(duì)應(yīng)的共振基頻f=c/4L 也隨之變大，相應(yīng)的高次諧振頻率也就升高，圖12 很好地展現(xiàn)了這一規(guī)律。

3 結(jié)論

本文提出一種易于制作的壓電陶瓷管驅(qū)動(dòng)的微滴噴射裝置制備工藝，基于此技術(shù)制作出不同類型的噴頭，通過高速成像技術(shù)研究不同頻率、不同電壓和不同玻璃管通道長度對(duì)噴頭噴射2 號(hào)白油效果的影響，得到以下結(jié)論：

（1）提出3 種壓電噴頭制作工藝，所制備的噴頭成本低、工作頻率范圍寬，可在一定程度上替代進(jìn)口噴頭開展試驗(yàn)研究和工業(yè)應(yīng)用。

（2）研究了不同頻率、不同電壓、不同玻璃管通道長度對(duì)噴射效果的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)，液滴的噴射速度和尺寸大小隨之增大，噴頭后端變短時(shí)，噴頭的工作頻率變大，這遵循了線性聲學(xué)的一維波動(dòng)方程。

（3）測(cè)得了噴頭能穩(wěn)定噴射的工作頻率和該頻率下的最小工作電壓，實(shí)現(xiàn)了在較大頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定、按需及低成本的噴射打印。