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CN105058786B - 一种同轴聚焦电射流打印方法 - Google Patents

一种同轴聚焦电射流打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种同轴聚焦电射流打印方法属于先进制造技术领域，涉及一种同轴聚焦电射流打印方法。该方法在同轴聚焦电射流打印过程中，同轴聚焦电射流打印喷头中装有两种液体，一种为所需成型材料称为内层功能液体，另一种为辅助材料称为外层液体，外层液体与内层功能液体不相溶，并且外层液体的粘度大于内层功能液体的粘度；同轴聚焦电射流打印喷头在打印中形成双层液体的同轴聚焦射流，在衬底上打印双层结构，最后，去除外层打印材料，获得内层功能结构。该方法具有打印分辨率高，材料适应性强，抗微环境干扰力强的特点，可以在常温常压下使用微米尺度的喷针实现高分辨率的图案化打印。

Description

一种同轴聚焦电射流打印方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种同轴聚焦电射流打印方法。
背景技术
传统基于压电、热泡等喷墨打印方法，分辨率严重依赖喷孔尺寸，分辨率约为喷针内径的两倍，目前喷针内径为10～50微米，其打印特征尺寸将大于20微米，因此难以实现微米以下分辨率的打印制造。近年来，基于电流体动力效应的电射流打印技术成为高分辨率打印制造的热点。电射流打印是流体在电场力、机械力、流体表面张力等综合作用下，在喷针出口处形成远小于喷针内径的稳定精细射流，利用此射流进行高分辨率打印制造。与传统基于压电或热气泡式原理的喷墨打印过程相比，电射流打印具有打印分辨率高、墨水及衬底适应性广等优点。
美国专利I.A.Aksay et al.,Electrohydrodynamic printing andmanufacturing,2009/0233057 A1，US中，采用单喷针和单锥-射流模式，打印微米级分辨率图。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Roger的文章：J.A.Roger et al.,NanoscalePatterns of Oligonucleotides Formed by Electrohydrodynamic Jet Printing withApplications in Biosensing and Nanomaterials Assembly,Nano Lett.,8(2008),4210-4216，通过降低喷针-衬底间距来增强轴向电场力对射流的聚焦作用，打印出微米尺度的蛋白质图案、皮克级聚乙烯液滴、氧化铟锌场效应管微器件、亚微米级嵌段共聚物薄膜图案和DNA点阵图案。韩国顺天乡大学K.Choi et al.,Fine resolution drop-on-demandelectrohydrodynamic patterning of conductive silver tracks on glasssubstrate,Appl.Phys.A-Mater.Sci.Process.,111(2013),593-600.文章中采用金属Ag墨水，打印微米金属Ag导电电路。但是，以上电射流打印都是基于单锥-射流模式进行打印制造。在单锥-射流模式下，施加于射流的电场切向力有限，导致射流尺寸受限，其打印分辨局限于微米尺度，打印分辨率难以进一步提高。此外，现有基于单锥-射流打印技术通过不断降低喷针内径，来提高打印分辨率，这将导致对墨水适应性差，例如高粘度、高浓度的墨水将引起喷针堵塞。而且，在这种模式下打印，射流容易受到周围温度、湿度、振动等微环境干扰，导致射流不稳定，进而影响打印的精度和控制性。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的不足，发明了一种同轴聚焦电射流打印方法，利用电射流打印是流体在电场力、机械力、流体表面张力等综合作用下，在喷针出口处形成远小于喷针内径的稳定精细射流。电场力同时作用于同轴内外层液体，外层液体锥-射流形变产生的粘滞力与内层液体的电场切向力叠加，共同作用于内层液体，可以提高内层液体射流形变的切向力，降低射流尺寸，免受外部微环境的干扰影响，进而提高打印分辨率和控制性。
本发明采用的技术方案是一种同轴聚焦电射流打印的方法，其特征是：该方法在同轴聚焦电射流打印过程中，同轴聚焦电射流打印喷头1中装有两种液体，一种为所需成型材料称为内层功能液体7，另一种为辅助材料称为外层液体8，外层液体与内层功能液体不相溶；并且，外层液体的粘度大于内层功能液体的粘度；同轴聚焦电射流打印喷头1在打印中形成双层液体的同轴聚焦射流，在衬底上打印双层结构，最后，去除外层打印材料，获得内层功能结构；方法的具体步骤如下：
1)同轴聚焦电射流打印系统安装
首先，将计算机16分别与显微镜17和XY运动平台基板12相连，XY运动平台基板12通过接地极板19接地；第一微量注射泵13通过硅橡胶管18连接到同轴聚焦电射流打印喷头1的上端进口，第二微量注射泵14通过硅橡胶管连接到同轴聚焦电射流打印喷头1的左侧进口，高压电源15与同轴聚焦电射流打印喷头1左下端相连；
2)同轴聚焦电射流的实现
在同轴聚焦电射流打印前，首先选择内层功能液体7和外层液体8，选择好后，通过第一微量注射泵13和第二微量注射泵14分别将内层功能液体7和外层液体8注入到同轴聚焦电射流打印喷头1中；对内层功能液体和外层液体施加不同的高压电场,调节内层功能液体和外层液体的流量、电压；在X-Y运动平台基板12上放置衬底11，调节喷针与衬底的间距，即工作高度；
3)同轴聚焦电射流打印双层结构
调节好内层功能液体和外层液体的流量、电压和工作高度后，开始打印，由同轴聚焦电射流打印喷头1出口处形成稳定的同轴射流4，同轴射流4由内层功能液体形成内射流5和外层液体形成外射流6构成；保持稳定同轴射流，根据打印图案，由电脑控制X-Y运动平台的运动轨迹，在衬底11上进行打印，每个打印图案单元为双层结构9，内层结构由内层功能液体组成，外层包裹结构由外层液体组成；
4)外层打印材料的去除
当双层结构图案打印完成后，在室温下搁置一定时间，以获得稳定结构；根据外层液体的物理特性，采用溶剂溶解方法去除外层包裹打印材料；去除外层打印材料后，将得到仅有内层材料组成的打印图案10。
本发明的显著效果是采用此方法进行打印，具有打印分辨率高、材料适应性强、抗微环境干扰力强的特点。利用同轴聚焦电射流打印方法，先利用同轴聚焦电射流打印双层结构，再去除外层包裹材料，可以在常温常压下使用微米尺度的喷针实现高分辨率的图案化打印，本发明实现了电射流打印分辨率和控制性的进一步提升。
附图说明
图1为同轴聚焦电射流打印系统简图，图2为同轴聚焦电射流打印简图，其中：1-同轴聚焦电射流打印喷头，2-内喷针，3-外喷针，4-同轴射流，5-内射流，6-外射流，7-内层功能液体，8-外层液体，9-双层结构图案，10-内层结构图案，11-衬底，12-XY运动平台基板，13-第一微量注射泵，14--第二微量注射泵，15-高压电源，16-计算机，17-显微镜，18-硅橡胶管，19-接地极板。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。同轴聚焦电射流打印是将内层液体和外层液体分别通入同轴聚焦电射流打印喷头的内外喷针中，内外层液体要不相溶，而且，外层液体粘度大于内层液体，外层液体的作用是对内层液体射流提供更大的剪切力并保护内层液体。在适当的流量下施加一定的电压，则在同轴聚焦电射流打印喷针出口处将形成一股同轴聚焦电射流。提高了内层液体射流形变的切向力，降低射流尺寸，免受外部微环境的干扰影响，利用此同轴聚焦电射流先打印双层结构，再去除外层包裹材料，在常温常压下即可使用微米尺度的喷针实现高分辨率的图案化打印。
实施例的具体实施步骤如下：
1)同轴聚焦电射流打印系统安装
附图1为同轴聚焦电射流打印系统简图，其中，计算机16分别与显微镜17和XY运动平台基板12相连，XY运动平台基板12通过接地极板19接地。第一微量注射泵13通过硅橡胶管18连接到同轴聚焦电射流打印喷头1的上端进口，第二微量注射泵14通过硅橡胶管连接到同轴聚焦电射流打印喷头1的左侧进口，高压电源15与同轴聚焦电射流打印喷头1左侧下端相连。
2)同轴聚焦电射流的实现
选用SiO2纳米悬浮液和硅油分别为内层功能液体7和外层液体8，SiO2为所需成型材料，硅油为外层包裹材料，SiO2和硅油互不相溶，SiO2粘度为71cSt，硅油粘度为20000cSt。如图1所示，先通过第一微量注射泵13和第二微量注射泵14将SiO2纳米悬浮液和硅油分别注入同轴聚焦电射流打印喷头1的内喷针2和外喷针3中。其中，内喷针和外喷针的内径分别为130μm和0.8mm。对SiO2和硅油施加高压电场，当场强达到5～8KV时，在同轴聚焦电射流打印喷针出口处形成同轴聚焦射流，内层射流5为SiO2纳米悬浮液，外层射流6为硅油。
3)同轴聚焦电射流打印双层结构
在X-Y运动平台基板12上放置衬底11，衬底11采用硅片，调节喷针与衬底的间距，即工作高度为2cm。通过第一微量注射泵13设置内层液体的流量为0.001μl/min，通过第二微量注射泵14设置外层液体的流量为10μl/min，调节高压电源14的电压为6.0kv，调节出同轴聚焦电射流后，保持稳定同轴聚焦电射流；设定X-Y运动平台的运动速度为40mm/s，利用计算机15控制平台运动，在衬底11上打印图案，如附图2所示。每个打印图案单元为双层结构9，内层结构由SiO2组成，外层包裹结构由硅油组成，打印双层结构特征尺寸为160μm。
4)外层打印材料的去除
根据硅油的物理特性，本案例采用溶剂溶解的方法去除外层打印材料。双层结构打印完成后，在室温下放置5～10min，以获得稳定的双层打印结构；取适量异丙醇，盛入洁净玻璃培养皿中；将打印双层结构的硅片放入培养皿中，保证打印结构完全浸入到异丙醇中，10min后取出衬底11并用异丙醇冲洗1～2min，得到SiO2材料打印结构10，形成的SiO2特征尺寸为80～300nm。
本发明一种同轴聚焦电射流打印的方法，先利用同轴聚焦电射流打印双层结构，再去除外层材料，在微米尺度喷针和常温常压的条件下，实现高分辨率的打印，其打印分辨率为亚微米或纳米级。与单喷针电射流打印相比，同轴聚焦电射流打印可以显著提高打印分辨率，并可以提高对材料的适应性、降低对喷针的制作精度要求及降低微环境的干扰。

Claims (1)

1.一种同轴聚焦电射流打印的方法，其特征是，该方法在同轴聚焦电射流打印过程中，同轴聚焦电射流打印喷头(1)中装有两种液体，一种为所需成型材料称为内层功能液体(7)，另一种为辅助材料称为外层液体(8)，外层液体与内层功能液体不相溶，并且外层液体的粘度大于内层功能液体的粘度；同轴聚焦电射流打印喷头(1)在打印中形成双层液体的同轴聚焦射流，在衬底上打印双层结构，最后，去除外层打印材料，获得内层功能结构；方法的具体步骤如下：
1)同轴聚焦电射流打印系统安装
首先安装同轴聚焦电射流打印系统，将计算机(16)分别与显微镜(17)和XY运动平台基板(12)相连，XY运动平台基板(12)通过接地极板(19)接地；第一微量注射泵(13)通过硅橡胶管(18)连接到同轴聚焦电射流打印喷头(1)的上端进口，第二微量注射泵(14)通过硅橡胶管连接到同轴聚焦电射流打印喷头(1)的左侧进口，高压电源(15)与同轴聚焦电射流打印喷头(1)左下端相连；
2)同轴聚焦电射流的实现
在同轴聚焦电射流打印前，首先选择内层功能液体(7)和外层液体(8)，选择好后，通过第一微量注射泵(13)和第二微量注射泵(14)分别将内层功能液体(7)和外层液体(8)注入到同轴聚焦电射流打印喷头(1)中；对内层功能液体和外层液体施加不同的高压电场,调节内层功能液体和外层液体的流量、电压；在X-Y运动平台基板(12)上放置衬底(11)，调节喷针与衬底的间距，即工作高度；
3)同轴聚焦电射流打印双层结构
调节好内层功能液体和外层液体的流量、电压、工作高度后，开始打印，由同轴聚焦电射流打印喷头(1)出口处形成稳定的同轴射流(4)，同轴射流(4)由内层功能液体形成内射流(5)和外层液体形成外射流(6)构成；保持稳定同轴射流，根据打印图案，由电脑控制X-Y运动平台的运动轨迹，在衬底(11)上进行打印，每个打印图案单元为双层结构(9)，内层结构由内层功能液体组成，外层包裹结构由外层液体组成；
4)外层打印材料的去除
当双层结构图案打印完成后，在室温下搁置一定时间，以获得稳定结构；根据外层液体的物理特性，采用溶剂溶解方法去除外层包裹打印材料；去除外层打印材料后，将得到仅有内层材料组成的打印图案(10)。
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