CN102275386A - 一种电流体动力喷印同轴喷头及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流体动力喷印同轴喷头，包括探针放置平台、喷嘴、支撑座、金属探针和唇套，所述喷嘴固定设置在探针放置平台上，所述支撑座安装在喷嘴上端，所述唇套套装在喷嘴下端的喷口上，所述金属探针上部针端套装在支撑座中心螺纹孔内，针体置于喷嘴内腔，针体轴线与喷嘴中心轴线同轴，且金属探针下部的针尖穿过所述唇套内的通孔并伸出于喷嘴外。本发明还公开了上述喷头在制备微纳米纤维中的应用。本发明可以提高墨液供给量的控制精度，通过更换唇套可以形成系列化喷头，解决较小内径喷嘴容易发生堵塞、较大内径喷嘴溶液容易自然滴落的问题，同时解决实心金属探针无法连续供墨的问题，并有效降低工艺所需的外加电压的临界电压值。

Description

一种电流体动力喷印同轴喷头及其应用

技术领域

本发明属于喷墨打印领域，具体涉及一种电流体动力喷印装置的喷头及其应用。

技术背景

电流体动力喷印(EHD)采用电场驱动以“拉”方式从液锥顶端产生极细的射流，分别形成喷雾、纤维和液滴，对应着电喷涂，电纺丝和电喷印这三种喷印模式。EHD喷印具有许多独特的优势，如可实现亚微米分辨率，颗粒或聚合物溶液易于喷出而不发生堵塞等，非常适合于复杂和高精度图案化，在柔性电子制造中具有广泛的应用前景，如电喷涂、电纺丝、电喷印可分别用于制备柔性电子的薄膜层、器件互联、电极。

电喷涂，电纺丝和电喷印三种喷印模式中可以使用相同的喷嘴，溶液喷出后的形式不同主要取决于溶液属性以及外加电场等因素。

静电纺丝是利用静电力拉伸高分子溶液来制备纳米纤维。静电纺丝过程可分为两个阶段，有序稳定喷射阶段和螺旋劈裂阶段。静电纺丝根据喷头与收集板之间的间距可以分为近场静电纺丝与远场静电纺丝。在近场静电纺丝中，喷头与收集板间距离缩短为0.5-3mm，使纳米纤维的收集处于电纺丝稳定喷射阶段，实现了电纺丝定向和定位过程的可控，能够实现纳米纤维的直写。而对于远场静电纺丝，其间距要更远，纳米纤维的收集处于螺旋劈裂阶段，能够用来制造出具有屈曲结构，电话线结构的纳米纤维。

目前电纺丝工艺中普遍采用三种类型的喷嘴：第一种是截面为圆形的硬质针尖喷嘴，这种喷嘴在静电纺丝过程中十分容易发生堵塞，如果为了减少堵塞而使用较粗口径的探针喷嘴又会使得制得的纤维直径过粗；第二种是实心金属探针喷嘴，在静电纺丝过程中，将探针针尖浸入高分子溶液，采用类似笔尖蘸取墨水的形式蘸取高分子溶液进行纳米纤维直写，这种喷嘴不能实现连续地进行静电纺丝，并且不能方便地对探针进行精确定位来实现纺丝过程的可重复性。第三种结构采用的是无喷嘴的结构，在一金属电极表面涂抹溶液，然后通过高压电场随机形成泰勒锥的位置与数量，可控性差。因而如何克服这三种类型的静电纺丝喷嘴在工业化生产中的问题已成为当务之急。

发明内容

本发明的目的是提供一种电流体动力喷印同轴喷头，采用非电导体管状喷嘴与金属探针组合的方式，能够根据需要调节喷嘴与探针高度方向上的相对位置，可以实现针尖溶液流量的精密控制，从而实现对微纳纤维的直径进行调控，有助于形成泰勒锥，并降低工艺电压。

为实现上述目的所采用的技术方案为：

一种电流体动力喷印同轴喷头，包括探针放置平台、喷嘴、支撑座、金属探针和唇套，所述喷嘴固定设置在探针放置平台上，所述支撑座安装在喷嘴上端，所述唇套套装在喷嘴下端的喷口上，金属探针上部针端套装在支撑座中心通孔内，针体置于喷嘴内腔，针体轴线与喷嘴中心轴线同轴，且探针下部的针尖穿过唇套内通孔并伸出于喷嘴。

所述支撑座底面与喷嘴上端面贴合，支承座上的中心通孔孔壁设有内螺纹，可与金属探针上部针端螺纹连接，可实现两者的相对高度的调节。

唇套由金属材料制成，中心开有锥形通孔，外表面与喷口内表面过渡配合套接。

喷嘴由非导电材料制成，在其上端面上设有一个中心孔，以及两圈阵列布置的圆孔，针体通过该中心孔插入到喷嘴内腔，阵列布置的圆孔用于定位或作为溶液的进料口。

本发明的电流体动力喷印同轴喷头，将金属探针通过支撑座与喷嘴连接在一起，并且尖端通过唇套的内通孔，形成同轴喷头。通过调节金属探针与支撑座的螺纹旋进深度，能够调整金属丝尖端与唇套在空间上的相对位置。当喷管中的溶液的量不够的时候，还能够通过喷嘴上端面的阵列布置的孔来补充溶液。可通过更换唇套，形成系列化喷头。

本发明还提供了上述电流体动力喷印同轴喷头在制备微纳米纤维中的应用。

与现在喷墨打印领域中所普遍使用的圆形硬质针尖喷嘴与实心金属探针喷嘴进行比较，该同轴喷头具有以下的优点：

1)由于溶液能够连续不断地流入到探针的尖端，在唇套尖端的溶液的溶剂不会轻易蒸发，浓度比较稳定，可避免因内径较小时喷头容易出现堵塞，又可避免因内径较大时喷头进行电喷印时出现液滴自然下落的问题，还能够避免实心金属探针无法实现连续喷印的问题，持续进行电流体动力喷印。

2)通过支撑座的内螺纹可以增加或减少喷嘴内溶液到探针针尖的流动行程，通过替换具有系列化内锥经和内锥度的唇套可以对同轴喷头的内径进行精调，相对于喷口内径大小固定的针尖喷嘴，它可以实现对溶液的供给量、微纳米纤维直径进行调控，并适用于不同润湿性和流变性的溶液。

3)由于唇套套装在喷嘴下端的喷口上，可以采用具有较大内径的喷嘴，降低其加工难度，内部的锥形通孔又能够使该同轴喷头的安装变得更加方便，不容易损伤金属探针。

4)由于金属探针伸出于喷嘴，其表面吸附作用可以促进喷嘴处泰勒锥的形成，有效降低工艺所需的外加电压的临界电压值。

5)当金属探针直径较小时，由于探针针尖处流体的流动，容易引起探针的颤振，可用于伸缩电子波纹结构的直写。

6)在精密流量泵控制精度不够的时候，可通过调节金属探针伸出喷口的距离，实现溶液的供给量的有效调节。

7)金属探针的材质可以为钨丝，则溶液不一定必须要求具有导电性。传统结构是将电极插入到溶液中，在电场的作用下，导电液中的液滴挣脱溶液的表面张力而喷射到基板上形成图案。在同轴喷头结构中，电极加在钨丝上，在钨丝尖端的小液滴也能够在外加电场的作用下挣脱表面张力的束缚，喷射到基板上形成图案。

附图说明

图1为本发明一种电流体动力喷印同轴喷头的剖面示意图。

图2为本发明一种电流体动力喷印同轴喷头的俯视图。

图3为本发明一种电流体动力喷印同轴喷头采用同一个唇套的情况下，对针尖露出喷嘴的距离进行调整的示意图。

图4为本发明一种电流体动力喷印同轴喷头采用系列化内锥孔径的示意图。

图5为本发明一种电流体动力喷印同轴喷头采用系列化内锥锥度的示意图。

图6为本发明一种电流体动力喷印同轴喷头连接到设备中后的工作示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-6所示，本发明的一种电流体动力喷印同轴喷头，包括探针放置平台1、喷嘴2、支撑座3、金属探针4、唇套5组成。

所述喷嘴2固定设置在探针放置平台1上，所述支撑座3安装在喷嘴2上端，所述唇套5套装在喷嘴2下端的喷口上，金属探针4上部针端套装在支撑座3中心螺纹孔内，针体置于喷嘴2内腔，针体轴线与喷嘴2中心轴线同轴，且探针下部的针尖穿过唇套5内通孔并伸出于喷嘴2外。

金属探针4长约几厘米，尖端直径为微米级，越细效果越好，底端直径为1～2毫米，探针顶端与一有外螺纹的圆柱钢芯固连，在圆柱钢芯上面引出一条导线同上高压静电的正极。圆柱钢芯的外螺纹与支承座3的内螺纹配合，使得金属探针套装在支承座的中心孔上。金属探针的导电性良好，如钨丝，长度为5～8厘米，尖端直径为1～5微米，底端直径为0.5～2毫米，金属探针尖端伸出唇套的距离上下可调整的范围为0-3毫米，若采用同一个唇套，则可以实现对同轴喷头内径的粗调。

支撑座3的材质为金属材料，支撑座的各尺寸均为毫米级，具体尺寸由探针与喷嘴来确定。支撑座3的中心孔有内螺纹，底面与喷嘴2贴合，通过其上阵列的孔与喷嘴2连接。另外还能够通过这些孔对该同轴喷头添加溶液。

喷嘴2的材质为非导电材料，在其支撑座面上有两圈阵列的圆孔以及一个中心孔，空心孔的直径为4-8毫米，阵列的两圈小圆孔直径均为3-5毫米，其中没有作为定位用的小圆孔可以作为溶液的进料口。整体高度大约只有几厘米。

唇套5的材质为金属材料，中心开有锥形通孔，外表面与喷嘴的底端内表面过渡配合，涂上粘合剂之后可以轻轻的将其挤入喷嘴中。这样，喷嘴的最小直径可以放大一些，降低喷嘴加工的难度。并且在安装的时候也容易一些，不会损伤金属丝针尖。内部锥孔的锥度为10～30度，锥孔的小径端的内径大小为几微米到几十微米，并且可以成为系列化，如2微米、5微米、10微米、20微米等等，来满足对喷头的内径精确调整的需要。

喷嘴2与唇套5为过渡配合，涂点粘合剂后即可轻轻压入，使两者配合完好。喷嘴通过其上端的支撑座面与探针放置平台紧密贴合在一起，并通过小孔将两者连接在一起。

探针放置平台1通过一定的连接方式可以固定到X-Y工作平台上，在平台的底端放上承载基板，将基板接地后，就能够在基板上制得微纳米纤维，通过调节溶液的浓度，探针露出喷嘴的距离、X-Y工作平台移动的速度可以对制得的微纳米纤维的线宽进行控制。

与喷嘴尖端配合的唇套外圆柱面的直径为几毫米，可以降低喷嘴的加工难度，使得整体安装更加方便。

喷嘴为非电导性管状喷嘴，如玻璃喷嘴，最小内径可为几毫米。

在安装时，端部唇套内部的锥形通孔可以让针尖慢慢插入，到使其达合适的中心位置，降低整体安装时的难度，避免损伤金属丝针尖。

对金属探针进行表面处理，增强溶液对其的润湿性，使得溶液不易自然滴落以及堵塞喷头。

Claims (7)

1.一种电流体动力喷印同轴喷头，包括探针放置平台(1)、喷嘴(2)、支撑座(3)、金属探针(4)和唇套(5)，其中，所述喷嘴(2)固定设置在探针放置平台(1)上，所述支撑座(3)安装在喷嘴(2)上端，所述唇套(5)套装在喷嘴(2)下端的喷口上，所述金属探针(4)上部针端套装在支撑座(3)中心螺纹孔内，针体置于喷嘴(2)内腔，针体轴线与喷嘴(2)中心轴线同轴，且金属探针(4)下部的针尖穿过所述唇套(5)内的通孔并伸出于喷嘴(2)外。

2.根据权利要求1所述的电流体动力喷印同轴喷头，其特征在于，所述支撑座(3)的底面与喷嘴(2)上端端面贴合，支承座(3)上的中心通孔的孔壁设有内螺纹，以与金属探针(4)上部针端的螺纹连接，从而实现两者相对高度的调节。

3.根据权利要求1或2所述的电流体动力喷印同轴喷头，其特征在于，所述唇套(5)由金属材料制成，中心开有锥形通孔，唇套(5)外表面与所述喷口内表面过渡配合套接。

4.根据权利要求1-3之一所述的电流体动力喷印同轴喷头，其特征在于，所述喷嘴(2)由非导电材料制成，在其上端面上设有中心孔，和呈阵列布置在该中心孔外周的多个圆孔，所述针体通过该中心孔插入到喷嘴(2)内腔，所述圆孔用于定位或作为溶液的进料口。

5.根据权利要求1-4之一所述的电流体动力喷印同轴喷头，其特征在于，所述金属探针(4)长为3-9厘米，尖端直径为微米或亚微米级。

6.权利要求书1-5之一所述的电流体动力喷印同轴喷头在制备微纳米纤维中的应用，其特征在于，将该喷头的探针放置平台(1)固定连接到X-Y工作平台上，在该X-Y工作平台的底端放置承载基板，并将所述支撑座(3)与高压静电正极相连，将所述承载基板接地，即可在所述承载基板上制备微纳米纤维。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，通过调节进入喷嘴(2)内腔的溶液浓度、探针露出喷嘴的距离和/或所述X-Y工作平台移动的速度，可实现对所述制备的微纳米纤维线宽的调节。

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