CN114920995B - 石墨烯/纳米纤维素叠层微结构、制备方法、装置及应用 - Google Patents

石墨烯/纳米纤维素叠层微结构、制备方法、装置及应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114920995B
CN114920995B CN202210368264.7A CN202210368264A CN114920995B CN 114920995 B CN114920995 B CN 114920995B CN 202210368264 A CN202210368264 A CN 202210368264A CN 114920995 B CN114920995 B CN 114920995B
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene
nanocellulose
printing
microstructure
nano
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210368264.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114920995A (zh
Inventor
齐乐华
牛佳宁
连洪程
罗俊
张蕊蕊
李艳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN202210368264.7A priority Critical patent/CN114920995B/zh
Publication of CN114920995A publication Critical patent/CN114920995A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114920995B publication Critical patent/CN114920995B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/18—Manufacture of films or sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/112—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using individual droplets, e.g. from jetting heads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/35—Cleaning
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/20—Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2301/00—Characterised by the use of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • C08J2301/02—Cellulose; Modified cellulose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/042—Graphene or derivatives, e.g. graphene oxides
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明石墨烯/纳米纤维素叠层微结构、制备方法、装置及应用，属于纳米材料领域；采用微滴喷射的方法在打印基底上沉积石墨烯/纳米纤维素叠层微结构，包括交替堆叠的纳米纤维素薄膜和石墨烯微结构，位于最底层的纳米纤维素薄膜为纳米纤维素基底，其余纳米纤维素薄膜为纳米纤维素绝缘层；基于纳米纤维素氢键的作用，交织形成一个微米级厚度的纳米网状薄膜作为叠层微结构的基底，同时上层的纳米纤维素和下层的纳米纤维素在氢键的作用下连接形成一个无分层的薄膜，实现了一体式叠层微结构的一次性准确成型。本发明制备工艺简单，成本低，对环境不造成污染，为多层超材料吸波器和集成电路等复杂三维功能器件的工业化制备提供了一种有效且实用的方法。

Description

石墨烯/纳米纤维素叠层微结构、制备方法、装置及应用
技术领域
本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种石墨烯/纳米纤维素叠层微结构、制备方法、装置及应用。
背景技术
石墨烯是一种二维单原子层材料，具有优异的物理化学性质、高透光性、良好的导电性和柔韧性，在能源、电子及光电领域具有广阔的应用前景。纳米纤维素是一种新型天然绝缘材料，它凭借轻质、强机械性能、易成膜性、可降解和可再生性等优势成为电子及光电器件等领域极具应用前景的基底和绝缘层材料。结合两者优势，以纳米纤维素为功能器件的基体或绝缘层材料、石墨烯作为功能材料，可制备性能优良且绿色环保的功能器件。
为实现电子、光电等领域功能器件的小型化和高集成度打印，需将石墨烯加工成微结构的形式并在垂直方向上进行多层堆叠才能有效发挥其作用，现有方法尚无法实现石墨烯/纳米纤维素异质叠层微结构的高灵活性和定制化制备，还有待开发新增材制造方法，实现石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的直接成形。
专利“CN109880136B-一种纳米纤维素/石墨烯纳米片复合膜的制备方法”将纳米纤维素分散液和石墨烯纳米片混合后搅拌超声，再经流延成膜和烘干后制得纳米纤维素/石墨烯纳米片复合薄膜，获得的薄膜具有较高的电导率和力学强度。但流延法只适合于制备厚度较大的薄膜，难以实现石墨烯微结构特别是叠层微结构的精准构建，极大限制了该方法在功能器件制备上的应用。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种石墨烯/纳米纤维素叠层微结构、制备方法、装置及应用，采用微滴喷射的方法在打印基底上沉积石墨烯/纳米纤维素叠层微结构，基于纳米纤维素氢键的作用，交织形成一个微米级厚度的纳米网状薄膜作为叠层微结构的基底，同时上层的纳米纤维素和下层的纳米纤维素在氢键的作用下连接形成一个无分层的薄膜，实现了一体式叠层微结构的一次性准确成型。
本发明的技术方案是：一种石墨烯/纳米纤维素叠层微结构，包括交替堆叠的纳米纤维素薄膜和石墨烯微结构，位于最底层的纳米纤维素薄膜为纳米纤维素基底，其余位于相邻石墨烯微结构之间的纳米纤维素薄膜为纳米纤维素绝缘层；所述石墨烯/纳米纤维素叠层微结构为连续无分层的一体式薄膜。
一种石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的制备方法，首先，采用微滴喷射的方法在打印基底上沉积纳米纤维素微滴，得到纳米纤维素基底；然后，在纳米纤维素基底上采用微滴喷射的方法沉积石墨烯微滴，得到第一层石墨烯微结构；之后在第一层石墨烯微结构上再次沉积纳米纤维素微滴作为绝缘层；继续交替沉积、层层堆叠，最终实现石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的制备。
本发明的进一步技术方案是：所述纳米纤维素微滴干燥后，纳米纤维素在其自身的氢键作用下交织形成一个微米级厚度的纳米网状薄膜作为叠层微结构的基底；所述第一层石墨烯微结构沉积后，其溶剂被纳米纤维素薄膜上的孔隙吸收，形成厚度薄且均匀的图案。
本发明的进一步技术方案是：在后沉积的纳米纤维素微滴与在前打印的纳米纤维素薄膜紧密粘合，形成连续无分层的一体式薄膜。
一种制备石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的打印装置，包括双通道压电驱动控制器、压电喷头、储液器和三维运动平台；
两个所述压电喷头分别通过输液管与装有石墨烯分散液和纳米纤维素分散液的两个储液器连通，并通过所述压电驱动控制器控制两个压电喷头的分散液喷射；
所述三维运动平台位于压电喷头的下方，用于放置打印基底，并能够控制温度。
本发明的进一步技术方案是：所述双通道压电驱动控制器通过输出方波信号的电压幅值、脉宽、频率控制压电喷头的喷射。
本发明的进一步技术方案是：所述储液器连接有导气管，通过导气管向储液器内充入气体，通过气体将储液器内的分散液挤压至压电喷头。
本发明的进一步技术方案是：所述三维运动平台包括真空吸附加热平台和三维运动平台控制器；所述真空吸附加热平台用于放置打印基底，分别与温控仪、真空泵连接，通过温控仪控制真空吸附加热平台的温度，真空泵通过抽气管对打印基底采用抽真空的方式吸附固定；所述三维运动平台控制器用于控制调整真空吸附加热平台的位置和高度，进而调整打印基底的位置。
一种采用打印装置制备石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的方法步骤如下：
步骤1：首先设计叠层微结构的三维CAD图像，将三维图像进行切片获得每层的二维图像，按图像信息编写打印轨迹；然后与所述三维运动平台和压电喷头联动工作，进行自动化打印；
步骤2：对压电喷头、输液管、储液器进行超声清洗，超声清洗完成后各部分相互连接；
步骤3：将石墨烯分散液和纳米纤维素分散液分别装入两个储液器中；通过气压将两个储液器中的分散液分别挤压至对应压电喷头；
步骤4、通过双通道压电驱动控制器输出方波信号的电压幅值、脉宽、频率控制两个压电喷头的喷射，用以获得均匀稳定的石墨烯微滴和纳米纤维素微滴；同时，采用CCD相机和LED灯观察微滴的喷射情况；
步骤5、将打印基底固定于三维运动平台上，调整三维运动平台的位置和高度使其位于压电喷头正下方；
步骤6、启动打印程序，根据预设的打印轨迹开始第一层纳米纤维素薄膜的打印；打印完成后，对第一层纳米纤维素薄膜进行干燥；
步骤7、第一层纳米纤维素薄膜打印完成后，启动石墨烯微结构图案的打印程序；打印完成后调整温度，对石墨烯微结构进行干燥；
步骤8、重复进行纳米纤维素薄膜和石墨烯微结构的打印，打印完成后将其从打印基底上揭下，即为成型的石墨烯/纳米纤维素一体式叠层微结构。
一种石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的应用，所述石墨烯/纳米纤维素叠层微结构应用于电子或光电领域的功能器件制作。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明采用均匀微滴喷射法喷射石墨烯微滴和纳米纤维素微滴，以数字化打印方式精准构建微米甚至纳米级厚度的任意复杂形状微图案。同时由于打印的纳米纤维素薄膜富含纳米孔隙，渗吸作用较强，在石墨烯图案的打印中避免了众多基板上存在的咖啡环效应，成形图案薄且均匀，为多层叠加提供了有利条件。将石墨烯微滴和纳米纤维素微滴用同一装置逐层交替打印，打印过程中无需反复转移，可保证多层打印过程中的高精度对准，同时上层的纳米纤维素和下层的纳米纤维素在氢键的作用下连接形成一个无分层的薄膜，实现了一体式叠层微结构的一次性准确成型。制备工艺简单，成本低，制备中对环境不造成污染，为多层超材料吸波器和集成电路等复杂三维功能器件的工业化制备提供了一种有效且实用的方法。
附图说明
图1是均匀微滴喷射打印石墨烯/纳米纤维素一体式叠层超材料微结构的装置示意图。
图2是均匀微滴喷射打印石墨烯/纳米纤维素一体式叠层超材料微结构分层示意图。
附图标记说明：1-计算机，2-CCD相机，3-双通道压电驱动控制器，4-压电喷头，5-石墨烯微滴，6-纳米纤维素微滴，7-压电喷头，8-输液管，9-输液管，10-导气管，11-储液器，12-导气管，13-储液器，14-温控仪，,15-真空泵，16-抽气管，17-LED灯，18--三维运动平台，19-真空吸附加热平台，20-三维运动平台控制器。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1所示，本实施例一体式叠层超材料微结构为一种石墨烯/纳米纤维素叠层微结构为，包括交替堆叠的纳米纤维素薄膜和石墨烯微结构，从下到上依次是纳米纤维素基底、第一层石墨烯微结构、纳米纤维素绝缘层、第二层石墨烯微结构、纳米纤维素绝缘层、第三层石墨烯微结构、纳米纤维素封装层；所述石墨烯/纳米纤维素叠层微结构为连续无分层的一体式薄膜。
打印时先在塑料板上沉积纳米纤维素微滴，微滴干燥后纳米纤维素在其自身的氢键作用下交织形成一个微米级厚度的纳米网状薄膜作为叠层微结构的基底。然后在此薄膜上沉积石墨烯微滴作为第一层石墨烯微结构，石墨烯微滴沉积后其溶剂被纳米纤维素薄膜上的孔隙吸收，形成厚度薄且均匀的图案。之后在石墨烯图案层上再次沉积纳米纤维素微滴作为绝缘层，新沉积的纳米纤维素微滴与之前打印的纳米纤维素薄膜紧密粘合，形成连续无分层的一体式薄膜。交替打印层层堆叠，最终实现石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的制备。此方法可以一次成型轻薄且图案均匀的一体式叠层微结构。制备过程无需掩膜和真空环境，工艺流程简单，成本低，有利于实现各种功能器件的规模化制备。
参照图1所示，本实施例所用的微滴喷射打印装置包括计算机1、CCD相机2、双通道压电驱动控制器3、压电喷头4、石墨烯微滴5、纳米纤维素微滴6、压电喷头7、输液管8、输液管9、导气管10、储液器11、导气管12、储液器13、温控仪14、真空泵15、抽气管16、LED灯17、三维运动平台18、真空吸附加热台19、三维运动平台控制器20。其中计算机1通过三维运动平台控制器20和双通道压电驱动控制器3操纵三维运动平台18的移动和压电喷头4及压电喷头7的喷射，通过控制CCD相机2观测液滴的喷射状态。温控仪14和真空泵15与放置在三维运动平台18上的真空吸附加热平台19连接，实现干燥温度的控制和支撑基底的固定。双通道压电驱动控制器3分别向压电喷头4和压电喷头7施加脉宽、频率、幅值可控的方波信号。压电喷头4通过输液管9和储液器11相连接，压电喷头7通过输液管8和储液器13相连接，储液器11和储液器13中的分散液向输液管和压电喷头供液和退液由向导气管10和导气管12注气和抽气控制。向导气管10和导气管12注入气体，使石墨烯分散液和纳米纤维素分散液充满输液管和压电喷头。移动储液器位置至合适高度，使压电喷头4和压电喷头7在方波信号的作用下喷射出均匀稳定的微滴，温控仪14通过加热基板控制液滴的干燥，最终液滴沉积在基板上干燥后形成微结构或薄膜。
本发明石墨烯/纳米纤维素一体式叠层超材料微结构的制备方法具体步骤如下：
步骤1、多层超材料微结构的打印程序设置。在计算机1上设计多层超材料微结构的形状、尺寸及空间分布，建立三维CAD模型。将三维CAD模型进行切片获得每层的二维图像。按每层的图像信息编写打印程序，设计喷射打印的起始点、截止点、打印路径以及重复打印次数，实现三维运动平台18、压电喷头4和压电喷头7的联动工作，以确保高精度自动化打印。
步骤2、喷射装置的清洗与连接。超声清洗压电喷头4、压电喷头7、输液管8、输液管9、储液器11、储液器13，功率60～80w，时间20～30min。超声完成后将压电喷头4、输液管9、储液器11相连接，将压电喷嘴7、输液管8、储液器13相连接。导气管10和导气管12分别插入储液器11和储液器13中，真空吸附加热平台19与抽气管16和真空泵15相连接。
步骤3、利用工业搅拌器将0.5～1mg/ml纳米纤维素分散液在2000r/min的转速下高速搅拌30min，使纳米纤维素均匀分散并消去分散液中的气泡。将浓度为0.1～0.5mg/ml的石墨烯分散液超声分散30～60min，超声功率为100～120W，之后将两种分散液分别装入储液器11和储液器13。向导气管10和导气管12中注入气体，使两种分散液充满输液管和压电喷头。
步骤4、将压电喷头4和压电喷头7固定，调节储液器11和储液器13的高度，使储液器液面略低于压电喷头最底端。
步骤5、调节双通道压电驱动控制器3输出方波信号的幅值、脉宽和频率。当控制压电喷头4喷射的方波信号参数调节到电压幅值300V，脉宽10μs～18μs，频率1～2Hz，控制压电喷头7喷射的方波信号参数调节到电压幅值300V，脉宽为25～30μs，频率0.5～0.8Hz时，石墨烯微滴5和纳米纤维素微滴6都能实现均匀稳定的喷射。
步骤6、在真空吸附加热平台19上放置塑料板作为叠层超材料微结构的支撑基底，打开真空泵15抽气使塑料板固定在真空吸附加热平台19上。移动三维运动平台18，使压电喷头4和压电喷头7位于基底的正上方，喷头底部距离基底高度为2～5mm。
步骤7、启动打印程序，开始第一层纳米纤维素薄膜的打印。打印完成后打开温控仪14，将温控仪调至50℃，干燥0.5h。
步骤8、在纳米纤维素微滴沉积干燥形成薄膜后，启动石墨烯层的打印程序，打印石墨烯微结构图案。打印完成后打开温控仪14，将温控仪14调至50℃，干燥0.5h。
步骤10、在石墨烯微滴干燥形成图案后，重复进行两种材料的逐层交替喷射，打印完成后将其从塑料板上剥离，即为成型的石墨烯/纳米纤维素一体式叠层超材料微结构。
本实施例所制备石墨烯/纳米纤维素一体式叠层超材料微结构能够应用于多层超材料吸波器和集成电路等复杂三维功能器件的制备。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种采用打印装置制备石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的方法，其特征在于：
所述打印装置包括双通道压电驱动控制器、压电喷头、储液器和三维运动平台；两个所述压电喷头分别通过输液管与装有石墨烯分散液的储液器和纳米纤维素分散液的储液器连通，并通过所述压电驱动控制器控制两个压电喷头的分散液喷射；所述三维运动平台位于压电喷头的下方，用于放置打印基底，并能够控制温度；
所述制备石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的方法具体步骤如下：
步骤1：首先设计叠层微结构的三维CAD图像，将三维图像进行切片获得每层的二维图像，按图像信息编写打印轨迹；然后与所述三维运动平台和压电喷头联动工作，进行自动化打印；
步骤2：对压电喷头、输液管、储液器进行超声清洗，超声清洗完成后各部分相互连接；
步骤3：将石墨烯分散液和纳米纤维素分散液分别装入两个储液器中；通过气压将两个储液器中的分散液分别挤压至对应压电喷头；
步骤4、通过双通道压电驱动控制器输出方波信号的电压幅值、脉宽、频率控制两个压电喷头的喷射，用以获得均匀稳定的石墨烯微滴和纳米纤维素微滴；同时，采用CCD相机和LED灯观察微滴的喷射情况；
步骤5、将打印基底固定于三维运动平台上，调整三维运动平台的位置和高度使其位于压电喷头正下方；
步骤6、启动打印程序，根据预设的打印轨迹开始第一层纳米纤维素薄膜的打印；打印完成后，对第一层纳米纤维素薄膜进行干燥；
步骤7、第一层纳米纤维素薄膜打印完成后，启动石墨烯微结构图案的打印程序；打印完成后调整温度，对石墨烯微结构进行干燥；
步骤8、重复进行纳米纤维素薄膜和石墨烯微结构的打印，打印完成后将其从打印基底上揭下，即为成型的石墨烯/纳米纤维素叠层微结构；
所述石墨烯/纳米纤维素叠层微结构包括交替堆叠的纳米纤维素薄膜和石墨烯微结构，位于最底层的纳米纤维素薄膜为纳米纤维素基底，其余位于相邻石墨烯微结构之间的纳米纤维素薄膜为纳米纤维素绝缘层；所述石墨烯/纳米纤维素叠层微结构为连续无分层的一体式薄膜。
2.根据权利要求1所述一种采用打印装置制备石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的方法，其特征在于：所述双通道压电驱动控制器通过输出方波信号的电压幅值、脉宽、频率控制压电喷头的喷射。
3.根据权利要求1所述一种采用打印装置制备石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的方法，其特征在于：所述储液器连接有导气管，通过导气管向储液器内充入气体，通过气体将储液器内的分散液挤压至压电喷头。
4.根据权利要求1所述一种采用打印装置制备石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的方法，其特征在于：所述三维运动平台包括真空吸附加热平台和三维运动平台控制器；所述真空吸附加热平台用于放置打印基底，分别与温控仪、真空泵连接，通过温控仪控制真空吸附加热平台的温度，真空泵通过抽气管对打印基底采用抽真空的方式吸附固定；所述三维运动平台控制器用于控制调整真空吸附加热平台的位置和高度，进而调整打印基底的位置。
5.根据权利要求1所述一种采用打印装置制备石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的方法，其特征在于：所述纳米纤维素基底在纳米纤维素自身的氢键作用下交织形成一个微米级厚度的纳米网状薄膜；第一层石墨烯微结构沉积后，其溶剂被纳米纤维素基底上的孔隙吸收，形成厚度薄且均匀的图案。
6.根据权利要求5所述一种采用打印装置制备石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的方法，其特征在于：在后沉积的纳米纤维素微滴与在前打印的纳米纤维素薄膜紧密粘合，形成连续无分层的一体式薄膜。
7.根据权利要求1所述一种采用打印装置制备石墨烯/纳米纤维素叠层微结构的方法，其特征在于：所述石墨烯/纳米纤维素叠层微结构应用于电子或光电领域的功能器件制作。
CN202210368264.7A 2022-04-01 2022-04-01 石墨烯/纳米纤维素叠层微结构、制备方法、装置及应用 Active CN114920995B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210368264.7A CN114920995B (zh) 2022-04-01 2022-04-01 石墨烯/纳米纤维素叠层微结构、制备方法、装置及应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210368264.7A CN114920995B (zh) 2022-04-01 2022-04-01 石墨烯/纳米纤维素叠层微结构、制备方法、装置及应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114920995A CN114920995A (zh) 2022-08-19
CN114920995B true CN114920995B (zh) 2023-04-28

Family

ID=82805560

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210368264.7A Active CN114920995B (zh) 2022-04-01 2022-04-01 石墨烯/纳米纤维素叠层微结构、制备方法、装置及应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114920995B (zh)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106891414B (zh) * 2017-01-18 2019-10-22 西北工业大学 微滴喷射打印装置及利用该装置制备石墨烯超材料微结构的方法
CN107915853A (zh) * 2017-10-27 2018-04-17 华南理工大学 一种纳米纤维素/石墨烯复合柔性薄膜及其制备方法与应用
CN108329495B (zh) * 2017-12-20 2020-08-25 上海交通大学 具有仿生结构的石墨烯-纤维素纳米晶复合导热薄膜及其制备
CN109378110B (zh) * 2018-09-26 2020-01-21 浙江理工大学 具有压阻感应性能的纤维素/石墨烯纳米片柔性导电复合材料的制备方法
CN112582541B (zh) * 2020-12-06 2022-07-29 南开大学 一种基于二维叠层异质结构的垂直单分子膜场效应晶体管及其制备方法
CN113121887B (zh) * 2021-03-29 2022-09-02 上海大学 一种纳米纤维素导热复合薄膜及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114920995A (zh) 2022-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10603839B2 (en) 3D printing apparatus and method of using the single-printhead achieved multi-material and multi-scale printing
JP4059260B2 (ja) 多層構造形成方法、配線基板の製造方法、および電子機器の製造方法
CN107088366B (zh) 一种制备有机-无机纳米复合膜的方法
CN105129769B (zh) 微滴喷射装置及采用微滴喷射装置沉积制备CNTs薄膜的方法
WO2005014184A1 (en) Method of pattern coating
KR20060050702A (ko) 다층 구조 형성 방법, 배선 기판의 제조 방법, 및 전자기기의 제조 방법
CN103552242B (zh) 3d打印机用工件防变形方法
CN114920995B (zh) 石墨烯/纳米纤维素叠层微结构、制备方法、装置及应用
CN104010446A (zh) 微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法及装置
US20240068130A1 (en) Creating defined electrospun fiber geometries
CN107601425B (zh) 一种纳米梁结构的打印制造方法
Słoma 3D printed electronics with nanomaterials
JPH09103732A (ja) 流体供給装置
CN207617114U (zh) 一种高精度电场驱动喷射沉积3d打印机
WO2011017638A2 (en) Segmented or selected-area coating
CN206066797U (zh) 一种用于制作聚合物微针的设备
CN105575677B (zh) 一种超级电容器的制备方法
CN110394985B (zh) 一种利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的装置及其方法
CN109706433B (zh) 一种超声喷雾沉积薄膜装置和方法
JP2005057140A (ja) 多層配線基板とその製造方法
CN115646739B (zh) Pcba板封装设备
CN104485419B (zh) 制造有机场效应晶体管的方法、实现该方法的喷嘴及装置
CN111441038B (zh) 一种基于化学气相沉积法的纳米材料打印机
CN112770519A (zh) 一种基于气流吹动的双层液态金属电路及其制备方法
Kim et al. Aerosol jet printing toward advanced electronics: Versatile, facile, additive processes for 2D/3D structuring

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant