CN108340681B - 一种电场-流场混合控制的电流体喷印方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电场‑流场混合控制的电流体喷印方法及装置，属于微纳制造技术领域。本发明的方法及装置中的喷头出口管为毛细管，在毛细管下方设置具有倒角的流体出口；毛细管周围的流体在流体出口的倒角作用下，在喷头的下方形成聚焦式的稳定的流体流场；接地电极置于流体出口下方，且接地电极上设有与流体出口同轴布置的通孔；在喷头和接地电极之间施加高压静电场，毛细管内流出的电流体在高压静电场和流体流场的共同作用下形成泰勒锥并拉出射流，射流穿过流体出口和通孔进行打印。本发明将电流体喷印技术和流动聚焦技术结合，提高打印精度和分辨率，并克服常规电流体喷印无法在绝缘基板或者自由曲面的基板上进行打印的问题。

Description

一种电场-流场混合控制的电流体喷印方法及装置

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，更具体地，涉及一种电场-流场混合控制的电流体喷印方法及装置。

背景技术

复杂微纳功能结构能够用于诸多领域，如柔性显示、打印/有机/柔性电子器件、多功能传感器等，因此近年来其制备工艺备受关注。喷墨打印作为非接触式图案化工艺都能够在基底上沉积微尺度结构，并且相对于光刻类的图案化工艺具有无须掩膜、节省材料、环境友好、操作便捷等优点，因而被认为是最佳的解决方案。

然而，传统的喷墨打印技术(如压电式打印和热泡式打印)通常具有最小的分辨率为20μm，所适应的打印溶液粘度一般不能够超过20cPs。除此之外，压电式打印设备结构组成复杂，对结构尺寸要求高，并且，由于压电晶体及其附件易老化造成液滴精度降低且喷头寿命短；而热气泡式打印设备存在局部加热，因而对喷射的溶液具有选择性，例如仅能喷射耐高温的材料。

在上述应用领域中，所喷印的溶液多为高质量分数的聚合物溶液，材料成本高，具有高粘度，不耐高温等特点，使得用传统喷墨工艺来打印时喷嘴容易堵塞，无法完成图案化制造。

相对于传统喷印技术，电流体喷印技术能够产生更细小的液滴与液丝，直径可以达到纳米级别。同时，电流体动力喷印技术可以喷印高分子有机物等更多种材料，使得其应用范围更加宽广，如柔性电子制造、陶瓷元件制造、组织工程等。电流体喷印技术应用电流体动力学机理，利用电场将液体从喷嘴口拉出形成泰勒锥，由于喷嘴具有较高的电势，喷嘴处的液体会受到电致切应力的作用；当局部电荷力超过液体表面张力后，带电液体从喷嘴处喷射，然后破裂成液柱或者小液滴。通过改变流速、电压、液体性质和喷嘴结构，可形成具有不同射流形状和破碎机理的电流体喷印模式，即电纺丝、电点喷和电喷雾。目前的电喷印喷嘴绝大数采用金属喷嘴和收集基板间形成高压电场，以完成电喷印过程。收集基板必须为导电材料且收集基板表面必须均匀平整以保证稳定均匀的高压电场的形成。这种模式的电流体喷印就无法在绝缘基板或者自由曲面的基板上完成打印。

发明内容

针对传统喷墨打印技术的以上缺陷以及电流体喷印技术的改进需求，本发明提供了一种电场-流场混合控制的电流体喷印装置及方法，其目的在于将电流体喷印技术和流动聚焦技术结合起来，利用外部流体的聚焦作用缩小喷头形成的射流，从而实现更高精度更高分辨率的打印，并克服常规电流体喷印无法在绝缘基板或者自由曲面的基板上进行打印的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电场-流场混合控制的电流体喷印方法，喷头出口管为毛细管，在毛细管下方设置具有倒角的流体出口，倒角位于毛细管所在侧；毛细管周围的流体在流体出口的倒角作用下，在喷头的下方形成聚焦式的稳定的流体流场；接地电极置于流体出口下方，且接地电极上设有与流体出口同轴布置的通孔；在喷头和接地电极之间施加高压静电场，在高压静电场和流体流场的共同作用下，毛细管内流出的电流体形成泰勒锥；高压静电场和流体流场从泰勒锥尖端拉出射流，射流穿过流体出口和通孔进行打印。

进一步地，流体出口的倒角角度、毛细管管口外部倒角角度取值范围均为[0°,90°)，毛细管管口到流体出口的距离为[200μm,10cm]；通过改变流体出口的倒角角度、毛细管管口外部倒角角度以及毛细管管口到流体出口的距离中的至少一个，以形成不同流场形式的聚焦流场，从而调节射流的流速和分散度。

进一步地，流体出口的倒角角度、毛细管管口外部倒角角度取值范围均为[20°,60°]。

进一步地，通过改变流体出口的前后压力差调节气流流场速度，从而调节射流的流速和分散度。

进一步地，通过在流体出口上端、下端以及收集基板上设置一个或多个电极，在不同的电极上施加不同的电压，并控制不同电极之间的距离，调节喷头处的电场分布，从而调节射流。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种电场-流场混合控制的电流体喷印装置，包括：基座、罩体、喷头和接地电极环；

基座与罩体密封连接，基座与罩体共同围成空心的内腔体；基座侧面设有供流体流入内腔体的流体入口，罩体中心设有流体出口，流体出口上部倒角；

喷头密封安装于在基座上部，且与高压电源相连；喷头前端的毛细管伸入内腔体，毛细管下端位于流体出口的正上方，且与流体出口同轴布置；流体出口直径设置为毛细管管口内径的50％～150％范围内；

接地电极环设于罩体下部，且与流体出口同轴布置。

进一步地，罩体与基座通过螺纹连接，用于通过旋转罩体调节流体出口与毛细管管口的相对距离；流体出口与毛细管管口的相对距离范围为[200μm,10cm]。

进一步地，毛细管管口外部设有倒角，流体出口的倒角角度、毛细管管口外部倒角角度取值范围均为[0°,90°)。

进一步地，流体出口正下方设有收集基板；在流体出口上端、下端以及收集基板三个位置中的至少一处设置电极，并在不同的电极上施加不同的电压；其中，位于流体出口上端和/或下端的电极均开设有与流体出口同轴的通孔。

进一步地，罩体在流体出口处的厚度与流体出口直径尺寸在同一数量级变化，用于调节流体出口上端和下端两个电极的间距。

总体而言，与现有技术相比，本发明构思的技术方案具有如下有益效果：

1、本发明的喷头出口处射流受到静电场和流场聚焦的混合作用，相比于现有技术，能够对射流提供更大的轴向拉伸力，从而得到更小尺寸的射流，实现更高精度和分辨率的打印；经测试，本发明的打印分辨率提高至1μm以下，相比于传统喷墨打印技术20μm的分辨率，提升了20倍以上。

2、本发明在打印过程中，聚焦式流体流场所提供的径向约束力能够平衡静电场所产生的径向电场力，避免了射流发生偏移或打印到非收集作用的接地电极环上；将接地电极集成到喷头结构中时，克服常规电流体喷印无法在绝缘基板或者自由曲面的基板上进行打印的问题；对于纺丝打印，流体经聚焦喷出流体出口之后同样对射流具有一定的约束效果，同时能减轻基板运动的拖拽效应，在提高打印的定位精度；对于进行喷雾打印时，其雾化作用产生的液滴相对于电喷雾和流动聚焦单一方式产生的液滴要更小更均匀。

3、通过将流体出口的倒角角度、毛细管管口外部倒角角度设为[20°,60°]，配合调整毛细管管口到流体出口的距离和/或电压差，可以将打印分辨率提升至数百纳米，实现纳米级打印。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的电场-流场混合控制的电流体喷印装置的剖面示意图。

图2是图1中的喷印装置的局部剖视图。

图3是本发明电场-流场混合控制的电流体喷印的原理示意图。

图4是本发明第二实施例提供的电场-流场混合控制的电流体喷印装置的剖面示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-喷头，2-密封圈，3-基座，4-罩体，5-接地电极环，6-上电极环，7-收集基板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，为本发明第一实施例的电场-流场混合控制的电流体喷印装置，所述喷印装置包括喷头1、密封圈2、基座3、罩体4和接地电极环5；基座3与罩体4进行螺纹连接，在其内部形成空心的内腔体；基座3侧面设有螺纹孔，用于安装标准气压或液压管接头，使气体或液体等流体流入内腔体，本实施例以气体为例进行说明。罩体4中心设有小孔，作为内腔体流体的出口，流体出口上方设有倒角。流体出口直径设置为毛细管管口内径的50％～150％范围内。在本实施例中，流体出口直径等于毛细管管口内径。由于流体从较大的内腔体到达流体出口时，流通面积骤然缩小，流动速度骤然增加，而流体出口位于毛细管管口下方，因此在毛细管管口下方产生强烈的聚焦效应，能够对射流提供更大的轴向拉伸力，缩小射流直径。

基座3上部设有喷头安装孔，喷头1安装孔外侧设有密封圈槽。喷头1安装在基座3上的喷头1安装孔处，喷头1前端的毛细管伸入内腔体中，并与罩体4小孔同轴布置；密封圈2嵌基座3的密封槽内，保证喷头1与基座3间的密封；罩体4下部设有电极槽，接地电极环嵌于罩体4的电极槽内；喷头1与高压电源相连；接地电极环5接地。

根据毛细管管口到流体出口的距离以及所需电场强度的不同，高压电源提供的电压在200V至数千V之间调整，在同等电场强度要求下，毛细管管口到流体出口的距离越小，高压电源提供的电压越小。

所述罩体4与所述基座3进行螺纹连接，通过旋转螺纹结构可以调节罩体4小孔与所述喷头1的出口的相对距离，得到不同的气流聚焦的效果。

基座3和罩体4内部均设有圆角，保证基座与罩体4形成的内腔体表面均为圆滑过渡，减少内腔体内气流紊流的形成，提高气流的稳定性。

请参阅图2、3，所述喷头1与所述罩体4均可替换，通过更换不同规格的喷头1和罩体4可以调节喷头1出口与罩体4小孔的相对大小关系，同样也可以调节喷头1出口和罩体4小孔的倒角角度，得到不同的气流聚焦的效果。喷头1出口的倒角角度a与罩体4小孔的倒角角度b可取[0°,90°)。当喷头1出口的倒角角度a与罩体4小孔的倒角角度b在[20°,60°]范围内时，配合调整毛细管管口到流体出口的距离和/或电压差更容易获得较高的分辨率，经测试，可以将打印分辨率提升至数百纳米，实现纳米级打印。

所述喷头1通入纺丝溶液且喷头1接高压直流电进行电纺丝时，喷头1出口处纺丝射流受到静电场和流场的混合作用，避免了射流发生偏移或打印到接地接地电极环5上；与此同时，相对于仅仅在喷头1下方直接安置接地接地电极环5的情况，喷头1下方所形成的聚焦式气流能进一步减小纺丝射流的直径，提高纤维的分辨率；纺丝纤维打印到基板上之后会受到运动基板的拖拽，气流能减轻基板运动的拖拽效应，在一定程度上提高纺丝纤维的定位精度。

所述喷头1接高压交流电进行电点喷打印时，喷头1出口处喷射的液滴受到静电场和流场的混合作用，同样能避免了液滴发生偏移或打印到接地接地电极环5上，并减小液滴的尺寸，提高液滴分辨率。

所述喷头1接高压直流电进行电喷雾时，喷头1出口处射流会发生雾化，得到大量微小液滴。喷头1出口处射流受到静电场和流场的混合作用，除了能避免了液滴喷射到接地接地电极环5上之外，其雾化作用产生的液滴相对于电喷雾和流动聚焦单一方式产生的液滴要更小更均匀。

请参阅图4，为本发明第二实施例提供的电场-流场混合控制的电流体喷印装置，所述喷印装置包括喷头1、密封圈2、基座3、罩体4、接地电极环5、上电极环6和收集基板7；基座3与罩体4进行螺纹连接，在其内部形成空心的内腔体；基座3侧面设有螺纹孔，用于安装标准气压或液压管接头，使流体流入内腔体；罩体4中心设有小孔，作为内腔体流体的出口；基座3上部设有喷头安装孔，喷头1安装孔外侧设有密封圈槽；喷头1安装在基座3上的喷头1安装孔处，喷头1前端伸入内腔体中，并与罩体4小孔同轴布置；密封圈2嵌基座3的密封槽内，保证喷头1与基座3间的密封；罩体4小孔上端设有上电极槽并且下端设有下电极槽，接地电极环5嵌于罩体4下电极槽内，电极环6嵌于罩体4上电极槽内；喷头1与高压电源相连；接地电极环5和上电极环6分别连接不同的电压源；收集基板7接地。

所述上电极环6和接地电极环5分别连接不同的电压源，控制两个电极环的电压，喷头1与高压电源相连，收集基板7接地；通过旋转罩体4与基座3的螺纹结构可以调节罩体4小孔上端的上电极环6与所述喷头1的出口的相对距离，通过改变罩体4在小孔处的厚度可以调节流体出口上下端上电极环6和接地电极环5的间距，同时整个装置到收集基板7的距离也可以调节，实现现喷头处电场分布的控制，对射流产生不用的作用效果。

本发明的基本工作原理如下：利用收缩的孔结构在喷头的下方形成聚焦式的稳定的气流流场，接地电极置于孔结构下方；在喷头和接地电极之间施加高压静电场，在高压静电场和气流流场的共同作用下喷嘴处的溶液变形形成泰勒锥，在静电力和流场作用力的作用下从泰勒锥尖端拉出射流，射流穿过孔结构打印到收集基板上。

本发明一种电场-流场混合控制的电流体喷印方法的技术效果体现在：相对于仅仅提供电场力或流动聚焦的情况，聚焦式气流和电场力共同作用时对射流提供轴向更大拉伸力，能进一步减小射流尺寸，提高打印的分辨率；与此同时，所形成的射流受到聚焦式气流流场的所提供的径向约束力能够平衡静电场所产生的径向电场力，避免了射流发生偏移或打印到非收集作用的接地电极上；将接地电极集成到喷头结构中时，克服常规电流体喷印无法在绝缘基板或者自由曲面的基板上进行打印的问题；除此之外，对于电纺丝打印时，气流流场能减轻基板运动时产生的拖拽情况，在一定程度上提高打印的定位精度；对于进行喷雾打印时，其雾化作用产生的液滴相对于电喷雾和流动聚焦单一方式产生的液滴要更小更均匀。

通过改变气流收缩口处小孔的倒角角度和喷头倒角角度及喷头到孔结构的距离，能够形成不同流场形式的聚焦流场，调节聚焦流场对射流的作用效果；通过改变聚焦式气流流场的前后压力差，可以调节流场速度，不同的流场速度对射流产生不同的作用效果。

通过在流体出口上端、下端以及收集基板上设置一个或多个电极，在不同的电极上施加不同的电压，并控制不同电极之间的距离，调节喷头处的电场分布，实现喷头处电场分布的控制，对射流产生不用的作用效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电场-流场混合控制的电流体喷印方法，其特征在于，喷头出口管为毛细管，在毛细管下方设置具有倒角的流体出口，倒角位于毛细管所在侧；毛细管周围的流体在流体出口的倒角作用下，在喷头的下方形成聚焦式的稳定的流体流场；接地电极置于流体出口下方，且接地电极上设有与流体出口同轴布置的通孔；在喷头和接地电极之间施加高压静电场，在高压静电场和流体流场的共同作用下，毛细管内流出的电流体形成泰勒锥；高压静电场和流体流场从泰勒锥尖端拉出射流，射流穿过流体出口和通孔进行打印；流体出口的倒角角度、毛细管管口外部倒角角度取值范围均为[20°,60°]，毛细管管口到流体出口的距离为[200μm,10cm]；通过改变流体出口的倒角角度、毛细管管口外部倒角角度以及毛细管管口到流体出口的距离中的至少一个，以形成不同流场形式的聚焦流场，从而调节射流的流速和分散度。

2.如权利要求1所述的一种电场-流场混合控制的电流体喷印方法，其特征在于，通过改变流体出口的前后压力差调节气流流场速度，从而调节射流的流速和分散度。

3.如权利要求1所述的一种电场-流场混合控制的电流体喷印方法，其特征在于，通过在流体出口上端、下端以及收集基板上设置一个或多个电极，在不同的电极上施加不同的电压，并控制不同电极之间的距离，调节喷头处的电场分布，从而调节射流。

4.一种电场-流场混合控制的电流体喷印装置，其特征在于，包括：基座、罩体、喷头和接地电极环；

基座与罩体密封连接，基座与罩体共同围成空心的内腔体；基座侧面设有供流体流入内腔体的流体入口，罩体中心设有流体出口，流体出口上部倒角；

喷头密封安装于在基座上部，且与高压电源相连；喷头前端的毛细管伸入内腔体，毛细管下端位于流体出口的正上方，且与流体出口同轴布置；流体出口直径设置为毛细管管口内径的50％～150％范围内；

接地电极环设于罩体下部，且与流体出口同轴布置；罩体与基座通过螺纹连接，用于通过旋转罩体调节流体出口与毛细管管口的相对距离；流体出口与毛细管管口的相对距离范围为[200μm,10cm]；毛细管管口外部设有倒角，流体出口的倒角角度、毛细管管口外部倒角角度取值范围均为[20°,60°]。

5.如权利要求4所述的一种电场-流场混合控制的电流体喷印装置，其特征在于，流体出口正下方设有收集基板；在流体出口上端、下端以及收集基板三个位置中的至少一处设置电极，并在不同的电极上施加不同的电压；其中，位于流体出口上端和/或下端的电极均开设有与流体出口同轴的通孔。

6.如权利要求5所述的一种电场-流场混合控制的电流体喷印装置，其特征在于，罩体在流体出口处的厚度与流体出口直径尺寸在同一数量级变化，用于调节流体出口上端和下端两个电极的间距。