CN109693329A - 一种毛笔印刷制膜装置及基于该装置的纳米薄膜印刷方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种毛笔印刷制膜装置及基于该装置的纳米薄膜印刷方法，所述毛笔印刷制膜装置包括毛笔装置，所述毛笔装置包括外供液管(1)、紧固管(2)和内供液管(3)；所述内供液管(3)的内壁上固定设置若干根突出笔毛(5)，若干根突出笔毛(5)均分为两份，在内供液管(3)的相对内壁上各设置一份，并使两份突出笔毛的尖端相交并拢；所述内供液管(3)的外壁上环内供液管固定设置一圈储液毛(4)，在储液毛(4)上套设外供液管(1)，并在外供液管(1)上再套设紧固管(2)，通过紧固管固定外供液管和固定有储液毛和突出笔毛的内供液管，使突出笔毛和储液毛组合为锥状纤维毛笔头。本发明制备的超长功能纳米膜重复性好。

Description

一种毛笔印刷制膜装置及基于该装置的纳米薄膜印刷方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体地，本发明涉及一种毛笔印刷制膜装置及基于该装置的纳米薄膜印刷方法。
背景技术
薄膜材料是原子、分子或离子沉积在基片表面形成的二维材料。膜材料(或薄膜)所涉及的制造和应用领域十分广泛，包括建筑建材、节能环保、医药、电子、食品、交通、能源、化工等各个行业。例如：防护阻隔用膜，包括护卡膜、太阳能电池用薄膜等；光学薄膜，包括液晶显示用薄膜、感光胶片等；电子电气膜，如电容器用薄膜、抗静电薄膜、绝缘膜等。受传统中国画中毛笔墨水转移控制的启发，毛笔直写技术在制备功能化的微图案，以及集成的功能器件方面有着重要的意义。
然而，在已有的技术中存在诸多缺陷：
(1)毛笔印刷装置在长距离，大规模印刷薄膜的过程中，毛笔印刷装置上的液体消耗很大，越宽的膜，液体消耗越大，若采用蘸液的方式补给液体，在大规模阵列的绘制过程中，不能长距离刷膜，且开始的时候液体量大，结束时液体量小，造成开始时宽度宽厚度厚，结束时宽度窄厚度薄，不可能使厚度和宽度均匀。若采用储液囊的方法给毛笔印刷装置供液，开始的时候液体量大，结束时液体量小，开始时宽度宽厚度厚，结束时宽度窄厚度薄，也有膜厚度和宽度不均匀的问题。
(2)在绘制较窄的薄膜时，如果仅使用少数几根并排的锥状纤维毛，由于纤维毛间动态储存的液体很少，对于具有挥发性的溶液，在大规模绘制中，很容易造成溶剂挥发后纤维毛干涸，导致液体在纤维毛尖供液不顺畅，影响刷膜质量甚至不能刷膜。
(3)毛笔印刷装置中如果突出双尖毛固定在内供液管外围，当毛笔印刷装置被功能分子溶液浸润时，外围的突出双尖毛容易因为受力不均匀，出现扭曲变形，甚至因为弯曲度太大，使双尖毛不能突出于多根毛组合，大大影响薄膜绘制的可重复性和稳定性。
(4)目前很多能满足微纳薄膜制备精度要求的夹持装置，都对被夹持的毛笔印刷装置有重量限制，带有墨囊和溶液的毛笔会超过夹持装置的重量限制，使得毛笔印刷装置角度和下压程度不能满足精度要求，影响了宽度和厚度的可控性以及大规模制备的重复性。
(5)旋涂法是目前广泛采用于制备薄膜的方法，但其会造成旋涂也大量浪费，无法精确控制薄膜图案，浸涂法制备薄膜其膜的厚度无法精确控制，喷墨打印技术墨水可适应性差，丝网印刷的薄膜厚度较厚。
发明内容
本发明提供一种毛笔印刷制膜装置，该装置可用于大面积制备超长、连续、重复性好、厚度均匀、粗细均匀的超细超薄膜层。
为达到上述目的，本发明采用以下的技术方案来实现：
一种毛笔印刷制膜装置，所述毛笔印刷制膜装置包括毛笔装置，所述毛笔装置包括外供液管1、紧固管2和内供液管3；
所述内供液管3的内壁上固定设置若干根突出笔毛5，若干根突出笔毛5均分为两份，在内供液管3的相对内壁上各设置一份，并使两份突出笔毛的尖端相交并拢；
所述内供液管3的外壁上环内供液管固定设置一圈储液毛4，在储液毛4上套设外供液管1，并在外供液管1上再套设紧固管2，通过紧固管固定外供液管和固定有储液毛和突出笔毛的内供液管，使突出笔毛和储液毛组合为锥状纤维毛笔头。
进一步地，所述制膜装置还包括微量液体输送仪和二维移动平台；
所述微量液体输送仪与毛笔装置的外供液管1连通，通过微量液体输送仪给外供液管、内供液管以及锥状纤维毛笔头供液；将基底放置在二维移动平台上，并采用锥状纤维毛笔头通过二维移动平台的移动在基底上印刷出膜层。
优选地，所述储液毛的尖端距离内供液管头部的长度为4-15mm，突出笔毛的尖端距离储液毛的尖端的长度为0-2mm。
优选地，若干根突出笔毛的数量是2n根，其中n为1-5。更进一步优选地，突出笔毛的数量为2根。
优选地，所述储液毛的数量为5-300根。
优选地，所述储液毛为化纤毛、金属毛、狼毫纤维毛、石獾毛和兔毛中一种或几种；
所述突出笔毛为化纤毛、金属毛、狼毫纤维毛、石獾毛和兔毛中一种或几种。
优选地，所述储液毛和突出笔毛的直径均为≤100μm。
本发明目的包括绘制超细膜层，对于细毛而言，如果能保证弹性优良，自然是越细越好，现有的毛笔如石獾毛、狼毫纤维毛等由于有适当的粗细和弹性也可以作为笔毛使用，但是粗细(笔毛毛体的直径，即除尖端以外部分的直径)有上限≤100μm，过于粗的毛不容易绘制出细膜和薄膜，优选范围20-100μm，进一步优选40-80μm。
本发明还提供了一种基于上述毛笔印刷制膜装置的纳米薄膜印刷方法，所述印刷方法包括如下步骤：
1)将毛笔装置上的锥状纤维毛笔头(优选纤维长度0.5-5cm)，分别使用丙酮、酒精和水超声清洗5-15min，常温晾干；
2)将功能分子(如，PEDOT：PSS，Ag纳米粒子和液晶等具有光、电或者磁性的分子)加溶剂配成溶液，吸入微量液体输送仪中；
3)将清洗干净的锥状纤维毛笔头，固定在二维移动平台上，与刷涂平面成5-90度角靠近基底，接触基底后下压0-5mm；
4)微量液体输送仪以0μL/min-5mL/min的速度供液，二维移动平台以5μm/s-100mm/s的速度移动，制得长度、宽度和厚度均可控的超长功能纳米薄膜。
优选地，步骤2)中，功能分子加溶剂配成溶液的溶液粘度范围0.5cP-1000cP。
优选地，步骤4)中，二维移动平台移动速度为200μm/s-3mm/s。
优选地，微量液体输送仪以0μL/min-50μL/min的速度供液。
在本发明中，连接微量液体输送仪的毛笔装置前端有突出笔毛和储液毛，且突出笔毛和储液毛为锥状纤维毛。储液毛中的液体在锥状纤维毛间在拉普拉斯压力、各向异性粘附力和重力作用下平衡，由于锥状纤维的锥形结构诱导拉普拉斯压力差会产生指向纤维根部的力的作用，从而使得储液毛中可以储存大量的功能分子溶液。由于突出笔毛处于储液毛中间，通过储液毛的毛细作用力给突出笔毛供液，使突出笔毛尖端被功能分子溶液浸润。突出笔毛在拉普拉斯压力、各向异性粘附力和重力作用下平衡，有少量功能分子溶液动态储存在突出笔毛尖端。当突出笔毛接触基底时，由于基底和液体表面的粘附作用使得原来的力学平衡破坏，液体会从突出笔毛流下，当微量液体输送仪的供液速度、二维移动平台的移动速度、毛笔装置角度和毛笔装置下压程度相匹配时，可以在基底(如纸、玻璃片和硅片)上形成厚度和宽度均匀可控的纳米功能膜。
本发明用于制备超长、连续、重复性好、厚度均匀、粗细均匀的超细超薄膜。
本发明的有益效果如下：
(1)毛笔印刷制膜装置在长距离、大规模印刷薄膜的过程中，毛笔印刷制膜装置上的液体消耗很大，本装置创新性地采用微量液体输送仪，给连接微量液体输送仪的毛笔装置自动供液，可以实现0μL/min～5mL/min的精准供液，及时而均匀地给毛笔印刷制膜装置补给溶液，保证了薄膜宽度和厚度的均匀性。采用本发明公开的装置可以克服采用蘸液的方式补给液体时，开始的时候液体量大，结束时液体量小，造成开始时宽度宽厚度厚，结束时宽度窄厚度薄，使膜厚度和宽度不均匀的问题。采用本发明公开的装置还可以克服采用储液囊供液时，刚开始储液囊中溶液多，重力大，出液量大，随着绘制进行储液囊中溶液减小，出液减小导致的薄膜宽度、厚度不均匀问题。
(2)本发明使用的毛笔印刷制膜装置，在内供液管外固定有储液毛，储液毛中可以储存大量的功能分子溶液，使毛笔对挥发性溶液的适应性大大增强。由于突出笔毛处于储液毛中间，通过储液毛的毛细作用力给突出笔毛供液，使突出笔毛尖端被功能分子溶液浸润。
(3)采用本发明装置中的毛笔印刷制膜装置，若干根突出笔毛固定在内供液管里面，使突出笔毛位于储液毛中间，当功能分子溶液浸润毛笔印刷制膜装置时，储液毛施加给突出笔毛的力是均匀的，使突出笔毛保持竖直，且始终可以突出于储液毛的尖端，避免了突出笔毛固定在内供液管外围因受力不均而扭曲变形的问题，大大增加了薄膜制备的可重复性和稳定性。突出笔毛尖端并拢排列，使得毛笔更稳定的绘制出宽度<10μm的功能分子薄膜，大大有利于宽度的定量控制。
(4)目前很多能满足微纳薄膜制备精度要求的夹持装置，都对被夹持的毛笔装置有重量限制，带有墨囊和溶液的毛笔会超过夹持装置的重量限制，使得毛笔装置角度和下压程度不能满足精度要求，影响了宽度和厚度的可控性以及大规模制备的重复性。然而，本发明创新性的使用了微量液体输送仪和带有外供液管的毛笔装置，微量液体输送仪通过外供液管给毛笔装置持续供液，避免了使用储液囊等装置，减轻了毛笔的重量，真正实现了超长功能纳米薄膜的大规模可重复制备。
(5)本发明因为采用了微量液体输液仪和带有外供液管的毛笔印刷制膜装置，使液体的供应量可以有效和精确的控制，实现了在超宽的粘度范围0.5cP-1000cP下工作，既弥补了喷墨打印机不能使用低粘度薄膜的缺陷，又弥补了储液囊等供液方式不能使用流动性差的高粘度溶液的缺陷，对功能分子溶液的适应性非常好。
(6)使用本发明制备的超长功能纳米薄膜制备成本低，超长、连续、重复性好，边缘规整，长度、宽度和厚度均连续可调，且厚度均匀，宽度均匀，成膜性能良好，用其制备出的薄膜可用于光、电或磁学领域。
附图说明
图1示出本发明装置的使用示意图；
图2示出本发明毛笔印刷制膜装置的立体结构示意图一；
图3示出本发明毛笔印刷制膜装置的立体结构示意图二；
图4示出本发明毛笔印刷制膜装置的剖面结构示意图；
图5示出实施例1所制备的11.61μm宽薄膜的光学显微镜图(目镜10X，物镜5X)；
图6示出实施例2所制备的33.54μm宽薄膜的光学显微镜图(目镜10X，物镜5X)；
图7示出实施例3所制备的85μm宽薄膜的光学显微镜图(目镜10X，物镜5X)；
图8示出实施例3所制备的85μm宽薄膜的光学图片。
附图标记：1、外供液管；2、紧固管；3、内供液管；4、储液毛；5、突出笔毛。
具体实施方式
为了更清楚底说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相同的部件以相同的附图标记进行表示，本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
参照图1-图4，将2根狼毫纤维毛均分成两份通过内供液管上的双毛固定点固定在内供液管的相对内壁上，使2根狼毫纤维毛的尖端距离内供液管头部的距离11mm，使突出笔毛在尖端处并拢，内供液管外壁上固定250根狼毫纤维毛作为储液毛，使储液毛的尖端距离内供液管头部的距离10mm，在储液毛外套上外供液管，再通过紧固管固定外供液管和固定有储液毛和突出笔毛的内供液管，所述储液毛和突出笔毛的直径均为≤100μm。将制备好的毛笔装置，用丙酮、酒精和水超声清洗10min，常温晾干。随后将配置好的PEDOT：PSS溶液(溶液粘度200cP)吸入微量液体输送仪。毛笔装置的外供液管通过导管连接到微量液体输送仪上，设置微量液体输送仪供液速度为4.5μL/min，固定毛笔装置5°，下压1mm，设置二维移动平台移动速度3mm/s，在5寸硅片上绘制出长度>10cm，宽度为11.61μm的导电高分子薄膜，光学显微镜图见图5。
实施例2：
参照图1和图2，将10根化纤毛均分成两份通过内供液管上的双毛固定点固定在内供液管的相对内壁上，使10根化纤毛的尖端距离内供液管头部的距离17mm，使化纤毛在尖端处交叉并拢，内供液管外壁上固定300根狼毫纤维毛作为储液毛，使储液毛的尖端距离内供液管头部的距离15mm，在储液毛外套上外供液管，再通过紧固管固定外供液管和固定有储液毛和突出笔毛的内供液管，所述储液毛和突出笔毛的直径均为≤100μm。将制备好的毛笔装置，用丙酮、酒精和水超声5min清洗，常温晾干。随后将配置好的PEDOT：PSS溶液(溶液粘度0.5cP)吸入微量液体输送仪。毛笔装置的外供液管通过导管连接到微量液体输送仪上，设置微量液体输送仪供液速度为50μL/min，固定毛笔装置90°，下压3mm，设置二维移动平台移动速度2mm/s，在5寸硅片上绘制出长度>10cm，宽度为33.54μm的导电高分子薄膜，光学显微镜图见图6。
实施例3：
参照图1和图2，将6根石獾毛均分成两份，通过内供液管上的双毛固定点固定在内供液管的相对内壁上，使6根石獾毛的尖端距离内供液管头部的距离4mm，使石獾毛在尖端处并拢，内供液管外壁上固定5根石獾毛作为储液毛，使储液毛的尖端距离内供液管头部的距离4mm，在储液毛外套上外供液管，再通过紧固管固定外供液管和固定有储液毛和突出笔毛的内供液管，所述储液毛和突出笔毛的直径均为≤100μm。将制备好的毛笔印刷制膜装置，用丙酮、酒精和水超声15min清洗，常温晾干。随后将配置好的PEDOT：PSS溶液(溶液粘度1000cP)吸入微量液体输送仪。毛笔装置的外供液管通过导管连接到微量液体输送仪上，设置微量液体输送仪供液速度为9μL/min，固定毛笔装置30°，下压5mm，设置二维移动平台移动速度1mm/s，在5寸硅片上绘制出长度>10cm，宽度为85μm的导电高分子薄膜，光学显微镜图见图7，光学图片见图8。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种毛笔印刷制膜装置，其特征在于，所述毛笔印刷制膜装置包括毛笔装置，所述毛笔装置包括外供液管(1)、紧固管(2)和内供液管(3)；
所述内供液管(3)的内壁上固定设置若干根突出笔毛(5)，若干根突出笔毛(5)均分为两份，在内供液管(3)的相对内壁上各设置一份，并使两份突出笔毛的尖端相交并拢；
所述内供液管(3)的外壁上环内供液管固定设置一圈储液毛(4)，在储液毛(4)上套设外供液管(1)，并在外供液管(1)上再套设紧固管(2)，通过紧固管固定外供液管和固定有储液毛和突出笔毛的内供液管，使突出笔毛和储液毛组合为锥状纤维毛笔头。
2.根据权利要求1所述的毛笔印刷制膜装置，其特征在于，所述制膜装置还包括微量液体输送仪和二维移动平台；
所述微量液体输送仪与毛笔装置的外供液管(1)连通，通过微量液体输送仪给外供液管、内供液管以及锥状纤维毛笔头供液；将基底放置在二维移动平台上，并采用锥状纤维毛笔头通过二维移动平台的移动在基底上印刷出膜层。
3.根据权利要求1或2所述的毛笔印刷制膜装置，其特征在于，所述储液毛的尖端距离内供液管头部的长度为4-15mm，突出笔毛的尖端距离储液毛的尖端的长度为0-2mm。
4.根据权利要求1或2所述的毛笔印刷制膜装置，其特征在于，若干根突出笔毛的数量是2n根，其中n为1-5。
5.根据权利要求1或2所述的毛笔印刷制膜装置，其特征在于，所述储液毛的数量为5-300根。
6.根据权利要求1或2所述的毛笔印刷制膜装置，其特征在于，所述储液毛为化纤毛、金属毛、狼毫纤维毛、石獾毛和兔毛中一种或几种；
所述突出笔毛为化纤毛、金属毛、狼毫纤维毛、石獾毛和兔毛中一种或几种。
7.根据权利要求1或2所述的毛笔印刷制膜装置，其特征在于，所述储液毛和突出笔毛的直径均为≤100μm。
8.一种基于权利要求2所述毛笔印刷制膜装置的纳米薄膜印刷方法，所述印刷方法包括如下步骤：
1)将毛笔装置上的锥状纤维毛笔头，分别使用丙酮、酒精和水超声清洗5-15min，常温晾干；
2)将功能分子加溶剂配成溶液，吸入微量液体输送仪中；
3)将清洗干净的锥状纤维毛笔头，固定在二维移动平台上，与刷涂平面成5-90度角靠近基底，接触基底后下压0-5毫米；
4)微量液体输送仪以0μL/min-5mL/min的速度供液，二维移动平台以5μm/s-100mm/s的速度移动，制得长度、宽度和厚度均可控的超长功能纳米薄膜。
9.根据权利要求8所述的纳米薄膜印刷方法，其特征在于，步骤2)中，功能分子加溶剂配成溶液的溶液粘度范围0.5cP-1000cP。
10.根据权利要求8所述的纳米薄膜印刷方法，其特征在于，步骤4)中，二维移动平台移动速度为200μm/s-3mm/s。
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