CN112428699A - 一种柔性微波屏蔽器的一体化打印装置及微波屏蔽器的线路设计方法 - Google Patents

一种柔性微波屏蔽器的一体化打印装置及微波屏蔽器的线路设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于银纳米线喷墨打印领域，提供了一种柔性微波屏蔽器的一体化打印装置及微波屏蔽器的线路设计方法。本发明通过错流过滤装置和紫外线装置，来提高银纳米线分散液的纯度和导电性；本发明通过压电喷头的压电驱动器控制压电陶瓷的形变大小控制喷出溶液滴的大小，保证打印的银纳米线分散液的均匀性；本发明通过直接将托板下沉至烘干箱，保证烧结出的银纳米线薄膜的平坦度。本发明可以应用在柔性透明微波屏蔽器领域，且制备工艺简单，成本低廉，具有良好的应用前景。

Description

一种柔性微波屏蔽器的一体化打印装置及微波屏蔽器的线路 设计方法
技术领域
本发明属于银纳米线喷墨打印领域，特别涉及一种柔性微波屏蔽器一体化打印装置以及微波屏蔽器的线路设计方法。
背景技术
无线通信技术，尤其是使用IEEE 802.11a/b/g/n/ac和相关技术的WiFi技术协议带来了许多便利和好处我们的日常生活。但与此同时，伴随的电磁污染也越来越多严重。电磁污染不仅会干扰WiFi信号，减慢网络工作速度并导致网络拥塞，而且还会对人体健康产生负面影响。因此，有紧急情况需要WiFi波段微波吸收器。为了让解决这些局限性，研究人员探索了不同的策略，开发高效、高适应性的EMI(电磁干扰屏蔽)材料和简单易行的微波屏蔽器是其中主要的方法。
传统的EMI(电磁干扰屏蔽)材料主要选用ITO(氧化铟锡)材料作为电磁屏蔽干扰材料。但传统的ITO(氧化铟锡)薄膜的质地较脆、柔性差，限制了其在柔性电子上的使用，不利于携带，故选用最有可能替代传统ITO(氧化铟锡)透明电极的材料银纳米线。银纳米线除具有银优良的导电性之外，由于其纳米级别的尺寸效应，还具有优良的透光性和耐曲挠性。因此，银纳米线在柔性电子学等领域具有重要的应用前景。
在制备柔性微波屏蔽器的过程中，银纳米线薄膜电路的传统制备方法通常选用旋涂法作为主要的制备方法。这种制备方法的优点是简单高效、成膜均匀，但也存在着导电性能均一性、雾度较大、后处理工序复杂等方面的问题。
发明内容
本发明要解决的技术难题是针对传统的柔性微波屏蔽器的结构复杂、成本昂贵以及后处理工序复杂的缺点，提供一种通过喷墨打印的方式实现柔性微波屏蔽器的一体化打印制备，以及提供一种微波屏蔽器线路的设计方案。该方案可以在装置上实现对银纳米线分散液的纯化、焊接以及柔性微波屏蔽器的线路打印和对银纳米线分散液线路的快速烧结制备出致密导电的银纳米线薄膜电路。其中，柔性微波屏蔽器的线路设计方案选用裂环谐振器方案，并设计出了一种以银纳米线为导体的微波屏蔽器的线路，该方案的实现方式较为简单而且覆盖波段广泛。
本发明的技术方案是：
一种柔性微波屏蔽器的一体化打印装置，包括箱体1、X轴移动构件2、Y轴移动构件3、Z轴移动构件4、托板5、夹持机构6、烘干箱7、盖板8、微波屏蔽器9、压电喷头10、外接设备11、错流过滤装置12和紫外线装置13；
所述烘干箱7底部设有盖板8，托板5置于盖板8上，微波屏蔽器9两端通过夹持机构6固定在托板5上；
所述Y轴移动构件3安装在箱体1顶部的固定杆上，两Y轴移动构件3分别位于两个相对面；X轴移动构件2两端分别固定在Y轴移动构件3上，压电喷头10安装在X轴移动构件2上，错流过滤装置12安装在压电喷头10上；Z轴移动构件4安装在箱体1另一侧面的固定杆上，其固结在托板5上；
所述压电喷头10周围安装有紫外线装置13；
所述箱体1外安装有外接设备11。
所述的夹持机构6主要由夹持手、螺母、导轨以及托板内的步进电机组成；其中，夹持机构6由夹板两端的螺母控制夹紧程度，拉伸程度由步进电机及传动装置确定的夹板位置所决定。通过这种方式实现将基体拉伸，以达到双轴预拉伸的目的。夹持机构6的最长拉伸距离为350mm，夹持最宽距离为200mm。
所述的托板5、夹持机构6、烘干箱7及盖板8均采用高熔点及隔热性能优良的材料。
所述的错流过滤装置12主要由内管、外管、上接口和侧接口组成；其中，内管壁上分布有大小均一、尺寸小于银纳米线长度的纳米级微孔；上接口接通未过滤的银纳米分散液，银纳米线分散液由流量泵驱动流入，侧接口为过滤后的杂质的出口。
所述的压电喷头10主要由喷嘴、溶液腔、压电陶瓷及压电驱动器组成；其中，压电陶瓷位于溶液腔的两侧。
所述的微波屏蔽器9由预埋电极导线的柔性衬底和银纳米线电路两部分组成；其中，柔性衬底选用PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料；制备方式为A液(乙烯基封端的聚(二甲基-甲基乙烯基硅氧烷))10g和B液(聚(二甲基-甲基氢硅氧烷))1g磁力搅拌30min至均匀混合，在混合完成后，将其置于真空箱内脱气1h，使混合液中无气泡，得到未固化的无气泡PDMS液。将其平铺在PVC(聚氯乙烯)薄板上，通过调节刮刀高度，用自动刮涂装置刮涂为5mm厚的涂层，两端表面预埋PAN(聚丙烯腈)基碳纤维丝作为电极导线，然后将其放入110℃的真空烘箱中加热1h使其固化，得到高弹性的PDMS。固化完成后将其从PVC(聚氯乙烯)薄板上剥离，切割成32cm X 18cm的形状，再用等离子气体处理5min以降低其疏水性；银纳米线电路的为开口的椭圆裂环，开口位于椭圆的短轴端点处，椭圆最长为20mm，最宽为10mm，间隙宽度为6mm，而银纳米线溶液采用多元醇法制备，并由错流过滤装置进行银纳米线分散液的纯化，获得银的质量占比90％以上、固含量10mg/ml的银纳米线分散液。
所述的紫外线装置分布方式为围绕喷头一周，以对沿各个方向打印出来的银纳米线分散液进行照射“焊接”以提高银纳米线分散液的导电率。
工作时，将使用多元醇法制备的银的质量占比90％以上、固含量10mg/ml的银纳米线分散液接入错流过滤装置，进行银纳米线分散液的纯化。纯化后，银纳米线分散液进入到压电喷头中。同时，通过外接设备控制X轴移动构件和Y轴移动构件调整喷头的位置并打开紫外线装置。接着，使用外接设备控制压电驱动器将银纳米线分散液喷涂到已经使用夹持机构进行预拉伸的PDMS的柔性衬底上，并在外接装置对X轴移动构件和Y轴移动构件控制下继续调整喷头位置以在PDMS柔性衬底上绘出设计的微波屏蔽器的图案。图案打印完毕后，通过外接装置控制Z轴移动构件将托板以及带有银纳米线分散液的PDMS柔性衬底一起置于烘干箱内，在130℃的环境下烘干1min，即可制得柔性微波屏蔽器9。
本发明的显著效果是：通过基于喷墨打印技术的一体化制备柔性微波屏蔽器的装置，可以一次性制得高透明度的柔性微波屏蔽器。同时，设计的微波屏蔽器线路(如图5所示)在实际的使用过程中通过拉伸PDMS柔性衬底可以改变线路的电感和电容来获得更多的波段实现共振，以实现更广的屏蔽效果。而新型的排布方式分布密度更大，可以产生强度更大的微波，实现更好的屏蔽效果。
本发明的有益成果：
1.相比较于传统的制备方法，通过喷墨打印以及外接设备的控制使得制备过程更加节省时间、材料以及成本，并得到更高透明度、更高导电性、更高精密性的柔性微波屏蔽器。
2.本发明通过错流过滤法进行对银纳米线分散液的纯化，可以以较短的时间获得较高纯度的银纳米线分散液，节省时间。
3.本发明通过控制PDMS柔性衬底的拉伸程度改变银纳米线电路(即LC电路)中的电容和电感来获得不同的波段。相比较于传统的微波屏蔽器，产生不同波段手段更加的简单便利。
4.本发明设计一种新的微波屏蔽器的线路，可以得到更多频段的微波进行共振。并且通过一种分布密度更广的排布方式来提高产生的微波强度，以产生更好的屏蔽效果。
附图说明
图1是本发明的一种柔性微波屏蔽器一体化打印装置的结构示意图。
图2是烘干机构盖板打开以及托板进入烘干箱的结构示意图。
图3是烘干结构盖板闭合后的结构示意图。
图4是喷头及紫外线装置的结构示意图。
图5(a)是设计的微波屏蔽器结构示意图，图5(b)是设计的银纳米线线路示意图。
图6(a)是错流过滤装置的结构示意图，图6(b)是错流过滤装置的剖视图。
图中：1箱体，2X轴移动构件，3Y轴移动构件，4Z轴移动构件，5托板，6夹持机构，7烘干构件，8盖板，9柔性衬底及银纳米线线路，10压电喷头，11外接设备，12错流过滤装置，13紫外线装置。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明是基于喷墨打印的柔性微波屏蔽器一体化打印装置，装置示意图如图1所示，其组成包括箱体1、X轴移动构件2、Y轴移动构件3、Z轴移动构件4、托板5、夹持机构6、烘干箱7、盖板8、微波屏蔽器9、压电喷头10、外接设备11、错流过滤装置12、紫外线装置13。其中，箱体1所需电源及X轴移动构件2、Y轴移动构件3、Z轴移动构件4的步进电机均通过电路接入外接设备13进行供电及控制。
所述托板5上的夹持机构6通过螺母控制夹持的松紧程度，而两块夹持板中间的距离由托板内的步进电机根据需要控制距离。
所述的烘干箱7的具体操作过程如图1、图2、图3所示。
所述的微波屏蔽器9的银纳米线电路基于裂环谐振器设计，通过控制裂环的距离产生不同的波段。
所述的压电喷头10的喷涂过程是通过控制压电陶瓷的形变来对溶液腔中的银纳米线分散液产生压力从而推出银纳米线分散液。而喷出溶液滴的大小由外接设备13控制压电驱动器决定。
所述的错流过滤装置12内部结构如图6(b)剖视图所示，其中，错流过滤装置的内管壁上分布着均匀的小于银纳米线长度的纳米级微孔。当银纳米线分散液通过错流过滤装置时，纯化的银纳米线分散液通过内管进入压电喷头的溶液腔，银纳米线分散液中的杂质通过内管壁上的纳米级微孔进入外管并通过外管壁上的接口排出。
使用上述的基于喷墨打印的柔性微波屏蔽器一体化打印装置制备柔性微波屏蔽器的过程具体如下：
(1)选取用高弹性PDMS柔性衬底，放置在托板5上的夹持机构6中夹紧，控制托板5中的步进电机将PDMS柔性衬底拉伸到所需的长度。
(2)将银纳米线分散液接入错流过滤装置12，银纳米线分散液由流量泵驱动流入错流过滤装置12进行银纳米线分散液的纯化。之后，纯化的银纳米线分散液进入压电喷头10的溶液腔。在溶液腔内，压电驱动器在外接设备11的控制下调整压电陶瓷的形变程度，将银纳米线分散液从溶液腔“挤出”，并以此控制银纳米线分散液的厚度。
(3)由外接设备11控制X、Y、Z轴移动构件的步进电机通过传动机构让托板5和压电喷头10达到指定的位置，接着通过外接设备11继续控制X、Y轴移动构件的步进电机使压电喷头10在PDMS柔性衬底绘制出设计的微波屏蔽器线路图。在绘制过程中，打开紫外线装置13照射银纳米线分散液，提高银纳米线分散液的导电性。
(4)打开烘干箱7的盖板8，由外接设备13控制Z轴的步进电机4通过传动机构使托板5、夹持机构6以及微波屏蔽器9一同降入烘干箱7内。接着闭合盖板8，控制烘干箱7内的温度达到130℃，烘干1min后即可制得柔性微波屏蔽器。

Claims (7)

1.一种柔性微波屏蔽器的一体化打印装置，其特征在于，所述的柔性微波屏蔽器的一体化打印装置包括箱体(1)、X轴移动构件(2)、Y轴移动构件(3)、Z轴移动构件(4)、托板(5)、夹持机构(6)、烘干箱(7)、盖板(8)、微波屏蔽器(9)、压电喷头(10)、外接设备(11)、错流过滤装置(12)和紫外线装置(13)；
所述烘干箱(7)顶部设有盖板(8)，托板(5)置于盖板(8)上，微波屏蔽器(9)两端通过夹持机构(6)固定在托板(5)上；
所述Y轴移动构件(3)安装在箱体(1)顶部的固定杆上，两Y轴移动构件(3)分别位于两个相对面；X轴移动构件(2)两端分别固定在Y轴移动构件(3)上，压电喷头(10)安装在X轴移动构件(2)上，错流过滤装置(12)安装在压电喷头(10)上；Z轴移动构件(4)安装在箱体(1)另一侧面的固定杆上，其固结在托板(5)上；
所述压电喷头(10)周围安装有紫外线装置(13)，紫外线装置(13)分布方式为围绕压电喷头(10)一周，以对沿各个方向打印出来的银纳米线分散液进行照射“焊接”以提高银纳米线分散液的导电率；
所述箱体(1)外安装有外接设备(11)。
2.根据权利要求1所述的柔性微波屏蔽器的一体化打印装置，其特征在于，所述的微波屏蔽器(9)由预埋电极导线的柔性衬底和银纳米线电路两部分组成；其中，柔性衬底选用高弹性的PDMS材料；银纳米线电路的为开口的椭圆裂环，开口位于椭圆的短轴端点处，椭圆最长为20mm，最宽为10mm，间隙宽度为6mm，相邻两行的椭圆裂环，交错布置；银纳米线溶液采用多元醇法制备，并由错流过滤装置(12)进行银纳米线分散液的纯化，获得银的质量占比90％以上、固含量10mg/ml的银纳米线分散液。
3.根据权利要求1或2所述的柔性微波屏蔽器的一体化打印装置，其特征在于，所述的夹持机构(6)主要由夹持手、螺母、导轨以及托板内的步进电机组成；其中，夹持机构(6)由夹板两端的螺母控制夹紧程度，拉伸程度由步进电机及传动装置确定的夹板位置所决定；夹持机构(6)的最长拉伸距离为350mm，夹持最宽距离为200mm。
4.根据权利要求3所述的柔性微波屏蔽器的一体化打印装置，其特征在于，所述的托板(5)、夹持机构(6)、烘干箱(7)及盖板(8)均采用高熔点及隔热性能优良的材料。
5.根据权利要求1、2或4所述的柔性微波屏蔽器的一体化打印装置，其特征在于，所述的错流过滤装置(12)主要由内管、外管、上接口和侧接口组成；其中，内管壁上分布有大小均一、尺寸小于银纳米线长度的纳米级微孔；上接口接通未过滤的银纳米分散液，银纳米线分散液由流量泵驱动流入，侧接口为过滤后的杂质的出口。
6.根据权利要求5所述的柔性微波屏蔽器的一体化打印装置，其特征在于，所述的压电喷头(10)主要由喷嘴、溶液腔、压电陶瓷及压电驱动器组成；其中，压电陶瓷位于溶液腔的两侧。
7.一种用柔性微波屏蔽器的一体化打印装置制备微波屏蔽器的线路设计方法，其特征在于，在喷涂开始之前，对银纳米线溶液直接进行过滤纯化；喷涂时，选用压电喷头作为银纳米线分散液的喷出装置，同时打开紫外线装置进行照射焊接；喷涂后，直接将托板以及带有银纳米线分散液的PDMS柔性衬底沉入烘干箱进行烘干；步骤如下：
(1)将使用多元醇法制备的银的质量占比90％以上、固含量10mg/ml的银纳米线分散液接入错流过滤装置(12)，进行银纳米线分散液的纯化；纯化后，银纳米线分散液进入到压电喷头(10)中；同时，通过外接设备(11)控制X轴移动构件(2)和Y轴移动构件(3)调整压电喷头(10)的位置并打开紫外线装置(13)；
(2)使用外接设备(11)控制压电驱动器将银纳米线分散液喷涂到已经使用夹持机构(6)进行预拉伸的PDMS的柔性衬底上，并在外接设备(11)对X轴移动构件(2)和Y轴移动构件(3)控制下继续调整压电喷头(10)位置以在PDMS柔性衬底上绘出设计的微波屏蔽器的图案；
(3)图案打印完毕后，通过外接设备(11)控制Z轴移动构件(4)将托板以及带有银纳米线分散液的PDMS柔性衬底一起置于烘干箱内，在130℃的环境下烘干1min，即制得柔性微波屏蔽器(9)。
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