CN115091749B - 一种超临界气体辅助电喷雾装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于喷墨打印相关技术领域，其公开了一种超临界气体辅助电喷雾装置及方法，装置包括输气模块、加压模块、输液模块、喷雾模块及控制模块，输气模块、加压模块及输液模块分别连接于喷雾模块；控制模块分别连接于输气模块、加压模块、输液模块及喷雾模块；喷雾模块包括喷头及设置在喷头下方的基板；控制模块包括处理器、及分别连接于处理器的加热器及高压电源；高压电源的正极及负极分别连接于喷头的喷嘴及基板，且基板接地。本发明实现了电流体喷印技术和超临界气体技术的联合应用，降低了功能溶液的黏度，改善了溶液性质，解决了现有的电喷印装置喷印模式单一以及从根本上解决了高粘度聚合物溶液电喷雾工艺性能差等技术问题。

Description

一种超临界气体辅助电喷雾装置及方法

技术领域

本发明属于喷墨打印相关技术领域，更具体地，涉及一种超临界气体辅助电喷雾装置及方法。

背景技术

电流体喷墨打印技术是一种高精度非接触式增材制造技术，将功能溶液输入到喷头装置中，在喷嘴与基板之间施加高压电场，利用电场力、粘性力、溶液表面张力等因素的耦合作用，使功能溶液在喷嘴处形成直径远小于喷嘴内径的稳定聚焦射流，通过该射流在基板上实现所需微纳功能结构的制备。电喷印技术因具有加工精度高、材料利用率高、工艺简单、打印可控性强等优点，广泛应用于柔性电子、微纳传感器的制造过程中。

通过改变流速、电压、液体性质和喷嘴结构，可形成不同的电流体喷印模式，分为：电点喷、电纺丝和电喷雾等。传统的电喷印装置功能单一，一台装置只能对应产生一种喷印模式，并且装置启动电压高、操作复杂、集成程度低，特别是在针对高黏度的功能溶液进行喷印时，由于溶液的粘性力大而容易造成喷头装置的堵塞，使用电喷雾进行液滴沉积来制备薄膜时，由于溶液黏度高而容易造成喷印模式由电喷雾变为电纺丝，即便成功进行电喷雾，所产生的液滴尺寸大小不一，造成沉积的薄膜厚度不均匀，大大降低了薄膜的工艺性能。

针对上述问题，一些新的电喷印装置被提出来。如专利CN201710381028.8提出一种超声电喷印喷头，在喷嘴附近增加超声换能器，利用超声技术提高打印溶液的活性进而提升打印效果，同时利用超声技术清洗喷嘴可有效防止堵塞，但是所能打印的溶液黏度仍然有限，对于喷嘴尺寸仍然有较大的要求。又如专利CN201611126421.4和CN202110769991.X都提出了利用气流辅助进行电喷印，这在一定程度上可以提高喷印的质量，但是，这些都大多针对喷头进行改良，重点解决了喷头堵塞的问题，没有从根本上解决高黏度溶液进行电喷雾工艺性能差的问题。

针对电喷雾原理在薄膜沉积工艺上的应用前景以及存在的问题，急需开发一种适用于高黏度溶液电喷雾液滴直径达到纳米级别且尺寸分布均匀以保证液滴沉积制备薄膜厚度的均匀性，并且能够进行多种电喷印模式进行灵活转换的电喷雾装置，应用于薄膜制造、曲面电子、柔性电子、半导体制造等领域。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超临界气体辅助电喷雾装置及方法，其基于电流体喷印高精度、高可控性的工作特点并结合超临界气体高扩散性、低粘度的性质，实现了电流体喷印技术和超临界气体技术的联合应用，降低了功能溶液的黏度，改善了溶液性质，解决了现有的电喷印装置喷印模式单一以及从根本上解决了高粘度聚合物溶液电喷雾工艺性能差等技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种超临界气体辅助电喷雾装置，所述装置包括输气模块、加压模块、输液模块、喷雾模块及控制模块，所述输气模块、所述加压模块及所述输液模块分别连接于所述喷雾模块；所述控制模块分别连接于所述输气模块、所述加压模块、所述输液模块及所述喷雾模块；所述喷雾模块包括喷头及设置在所述喷头下方的基板；所述控制模块包括处理器、及分别连接于所述处理器的加热器及高压电源；所述高压电源的正极及负极分别连接于所述喷头的喷嘴及所述基板，且所述基板接地；

所述加热器用于加热所述输气模块的管道，以将所述输气模块传输的功能气体加热到临界温度；所述输液模块用于将功能溶液输入到所述喷头；所述加压模块用于将加压气体输入到所述喷头内，以对所述喷头内且来自所述输气模块的功能气体施加压力，使得所述功能气体达到临界压力；所述喷头用于将达到超临界状态的功能气体与功能溶液混合成膨胀溶液，并进行电喷雾。

进一步地，所述加压模块包括通过加压管道依次连接在一起的加压气瓶、加压泵、调压阀、安全阀及压力传感器；所述输液管道的一端连接于所述加压气瓶的出口，另一端连接于所述喷雾模块的喷头。

进一步地，所述安全阀与大气相通，其用于在加压管道内压力过大时进行泄气；所述压力传感器用于检测所述加压管道内的压力，并将检测到的压力数值传输给所述处理器。

进一步地，所述输气模块包括通过输气管道依次连接在一起的气瓶、加压泵、调压阀、压力传感器、安全阀、单向阀、温度传感器及旋拧阀；所述输气管道的一端连接于所述气瓶，另一端连接于所述喷头。

进一步地，所述安全阀用于在所述输气管道内的压力过大时进行泄压；所述旋拧阀用于手动调节所述输气模块的整体管路的开关；所述压力传感器及所述温度传感器分别用于检测所述输气管道内的压力及温度，并将检测到的压力值及温度值传输给所述处理器。

进一步地，所述输液模块包括通过输液管道依次连接在一起的储液罐、加压泵、调压阀、压力传感器、安全阀、单向阀及旋拧阀；所述储液罐用于储存用于进行电喷印的功能溶液；所述加压泵用于自所述储液罐内抽取功能溶液并施加压力后泵入所述喷头。

进一步地，所述旋拧阀用于手动调节所述输液模块整体管路的开关。

进一步地，所述加压管道的一部分形成螺旋状，该部分设置在加热器上以进行水浴加热。

进一步地，所述喷头相背的两端分别形成有通气孔及喷嘴，所述通气孔与所述加压模块相连通，所述喷嘴与所述高压电源的正极相连接；所述喷头基本呈筒状，其临近所述喷嘴的一端的四周开设有六个接口，六个所述接口均匀排布，所述输气模块及所述输液模块分别通过所述接口连接于所述喷头；所述喷头内设置有活塞，所述活塞将所述喷头的腔体分割成上下两部分，所述活塞受上部加压气体的作用下移，对下部的功能气体进行施加压力。

按照本发明的另一个方面，提供了一种超临界气体辅助电喷雾方法，所述方法，所述超临界气体辅助电喷雾方法是采用如上所述的超临界气体辅助电喷雾装置进行电喷雾的。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的超临界气体辅助电喷雾装置及方法主要具有以下有益效果：

1.本发明将超临界技术与电喷印技术进行结合，将超临界气体与打印的高黏度功能溶液进行混合，利用超临界气体高扩散性、低黏度以及高溶解性的性质，对高黏度功能溶液进行物性改良，降低了功能溶液的黏度，不仅克服了高黏度功能溶液电喷雾时堵塞喷头的问题，而且喷雾液滴直径大小均匀，沉积形成的薄膜厚度一致，有效的提高了电喷雾的精度、分辨率和便捷度，实现了高精度、高分辨率的喷雾打印，从根本上解决了高粘度溶液进行电喷雾工艺性能差的问题。

2.本发明结合超临界气体的物理性质，克服了多种溶液混合困难不均匀的问题，实现了功能溶液快速、均匀的混合。

3.所述装置耐受高温高压，集成了温度与压力的闭环控制，可实现一个处理器控制整个装置，集成程度高，操作简单便捷，同时设置绝缘保护和超压保护，保证了操作安全。

4.本发明的装置相较于传统的电喷印装置，集成了多种喷印模式为一体，只需要打开和关闭对应的阀门，设置相应的信号参数就可以实现连续直写、按需喷印、纺丝和喷雾等打印模式，打印效率高。

附图说明

图1是本发明提供的超临界气体辅助电喷雾的原理示意图；

图2是本发明提供的超临界气体辅助电喷雾装置的示意图；

图3是图2中的超临界气体辅助电喷雾装置的喷头的示意图。

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-处理器，2-气瓶，3-加压泵，4-调压阀，5-压力传感器，6-加热器，7-加压气瓶，8-旋拧阀，9-喷头，10-安全阀，11-温度传感器，12-基板，13-单向阀，14-高压电源，15-输液管道，16-储液罐。

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、图2及图3，本发明提供了一种超临界气体辅助电喷雾装置，所述装置包括加压模块、输气模块、输液模块、喷雾模块及控制模块，所述加压模块、所述输气模块及所述输液模块分别连接于所述喷雾模块，所述控制模块分别连接于所述加压模块、所述输气模块、所述输液模块及所述喷雾模块。

本实施方式中，以超临界二氧化碳为例，将超临界二氧化碳与黏度为1cps～2000cps的高黏度聚合物溶液进行混合，将混合形成的膨胀溶液注入喷头模块中，喷头模块与基板分别连接高压电源的两个电极，在喷嘴与基板之间形成高压电场，膨胀溶液在溶液表面张力、重力、粘性力、电场力等共同作用下形成泰勒锥而产生锥射流，锥射流中液滴包裹着带电粒子和CO₂气体，由于压力降低和温度下降，CO₂气体不断从液滴中释放，同时伴随着溶剂的蒸发，液滴的电荷密度不断增加，电场力将大的液滴分裂形成小液滴，最终形成喷雾。

其中，所述加压模块用于将加压气体送入所述喷雾模块，以对所述喷雾模块内部施加压力，使得进入所述喷雾模块内的功能气体达到临界压力。所述输气模块用于将功能气体加热到临界温度后压入所述喷雾模块内部。所述输液模块用于将功能溶液压入所述喷雾模块内部。所述喷雾模块用于将功能溶液与超临界气体混合以得到膨胀溶液，并完成电喷雾。所述控制模块用于进行各个部分的状态监测和参数设定与控制。

所述加压模块包括通过加压管道依次连接在一起的加压气瓶7、加压泵3、调压阀4、安全阀10及压力传感器5。所述输液管道的一端连接于所述加压气瓶7的出口，另一端连接于所述喷雾模块的喷头9。所述加压气瓶7用于存放加压气体。所述加压泵3用于抽取加压气体并施加压力以将加压气泵入所述喷雾模块。所述调压阀4用于根据加压管道的压力大小来调整其阀门开度以调节压力。所述安全阀10与大气相通，其用于管道内压力过大时进行泄气，以防止造成管道破损而出现危险。所述压力传感器5用于检测所述加压管道内的压力，并将检测到的压力数值传输给所述控制模块。

所述输气模块包括通过输气管道依次连接在一起的气瓶2、加压泵3、调压阀4、压力传感器5、安全阀10、单向阀13、温度传感器11及旋拧阀8。所述输气管道的一端连接于所述气瓶2，另一端连接于所述喷头9。所述气瓶2用于存放功能气体。所述加压泵3用于自所述气瓶2内抽取功能气体并施加压力后将其泵入所述喷头9内。所述调压阀4用于根据所述输气管道压力大小来调整阀门开度以调节压力。所述安全阀10用于在所述输气管道内的压力过大时进行泄压。所述单向阀13用于保证功能气体单向流动，防止功能气体回流。所述旋拧阀8用于手动调节所述输气模块的整体管路的开关。所述压力传感器5及所述温度传感器11分别用于检测所述输气管道内的压力及温度，并将检测到的压力值及温度值传输给所述控制模块。

其中所述安全阀10与大气相通，当压力过大时，所述安全阀10导通，输气管道内部的气体通入大气以对所述输气管道进行降压。所述单向阀13的后面一段管道设置成螺旋状，该部分位于所述控制模块的加热器6内进行水浴加热，保证所述输气管道充分受热，以将所述功能气体加热到临界温度。当不需要使用功能气体时，只进行简单的电喷印工作时，只需要拧紧所述旋拧阀8以将输气管道关闭即可。

所述输液模块包括通过输液管道15依次连接在一起的储液罐16、加压泵3、调压阀4、压力传感器5、安全阀10、单向阀13及旋拧阀8。所述储液罐16用于储存用于进行电喷印的功能溶液。所述加压泵3用于自所述储液罐16内抽取功能溶液并施加压力后将其泵入所述喷头9。所述调压阀4用于根据输液管道15的压力大小调整阀门开度来调节压力。所述安全阀10通过管道与所述储液罐16进行连接，当管道内压力过大时，所述安全阀10打开，将功能溶液导回所述储液罐16，以对管道进行降压的同时防止功能溶液的浪费。所述单向阀13用于保证功能溶液的单向流动，防止回流。所述旋拧阀8用于手动调节所述输液模块整体管路的开关。

所述喷雾模块包括上下布置的喷头9及基板12，整体使用隔离罩进行封闭隔离，以防止工作时喷雾飞溅伤人。所述喷头9分别连接于所述加压模块、所述输气模块及所述输液模块，将功能气体加压到临界状态并将功能溶液和超临界气体进行混合，以形成膨胀溶液并进行喷雾。所述基板12为一表面平整光滑的金属板，与高压电源14的负极进行连接并接地。

所述喷头9相背的两端分别形成有通气孔及喷嘴，所述通气孔与所述加压管道相连通以通入高压气体，所述喷嘴与所述高压电源14的正极相连接。所述喷头9基本呈筒状，其临近所述喷嘴的一端的四周开设有六个接口，六个所述接口均匀排布，所述输气模块及所述输液模块分别通过所述接口连接于所述喷头9，以保证功能溶液和超临界气体快速充分均匀混合。所述喷头9内设置有活塞，所述活塞将所述喷头9的腔体分割成上下两部分，所述活塞受上部加压气体的作用下移，对下部的功能气体进行施加压力。其中，所述喷头9的整体使用耐高温耐高压材料制造，各个接口处都进行绝缘处理，防止了管路带电。

所述控制模块包括处理器1、加热器6及高压电源14，所述处理器1分别连接于所述加热器6、所述高压电源14、所述温度传感器11及所述压力传感器5，其用于进行整个装置的功能整合和各部分的参数调控。所述加热器6连接于所述输气管道，其用于对所述输气管道的螺旋段进行加热以使得功能气体达到临界温度。所述高压电源14的正极及负极分别连接于所述喷嘴及所述基板12，其用于产生各种波形的高压信号。

所述处理器与各模块的加压泵3、调压阀4、压力传感器5、温度传感器11进行连接以形成压力和温度的闭环控制，同时与所述加热器6和所述高压电源14连接，将所有参数集成于所述处理器1进行显示，统筹进行设置，以提高装置的数字化集成程度。

本实施方式中，所述输液模块的安全阀通过管道与所述储液罐进行连接，当管道内部压力过大时，所述安全阀导通将管道内部的功能溶液导回储液罐，防止昂贵的功能溶液产生浪费。

所述加压模块、所述输气模块和所述输液模块各阀门和部件之间通过耐高压的钢管进行连接且管路中布置压力传感器以用于进行管道压力监测，所述处理器通过压力传感器反馈的信号对加压泵和调压阀进行调控，形成闭环控制，保证管路内部的压力平稳。

本发明还提供了一种超临界气体辅助电喷雾方法，在高黏度聚合物溶液中加入超临界气体，超临界气体可以和高黏度溶液快速混合，而且超临界气体分子可以渗透进聚合物分子团空隙中，形成膨胀溶液。原理上，高黏度聚合物溶液中由于超临界气体的存在，带电溶液中不再只是库仑斥力，而是气压力和库仑斥力两者之和，克服粘力和表面张力，溶液流动性得以改善，在喷嘴出口处气体释放射流易于断裂，雾化启动门槛降低；而且由于很多气体分子在高分子团中，气体加压过程使液体膨胀，积聚了更多电荷，膨胀溶液液滴在飞行过程中一边气体释放，一边溶剂蒸发，这样液滴快速收缩，单位体表面积上的液滴电荷密度更大，爆炸更猛烈，液滴分裂更彻底，能得到极小液滴。超临界气体聚合物溶液雾化液滴的高表面体积比允许它在飞行中溶剂快速蒸发。如果雾滴的飞行时间长于其蒸发时间，则分散在喷雾溶液中的物质可以干燥地输送到目标基板上，为三维结构表面上提供一种很好的液滴成膜的制备方式。

所述方法包括以下步骤：

S1启动输气模块的加压泵3，将功能气体泵入管道，启动加热器6进行加热，将功能气体加热到临界温度，将功能气体通入喷头9。

S2启动加压模块的加压泵3，将加压气体泵入管道并通入喷头模块9的顶部对内部的功能气体进行加压，使功能气体到达临界压力，进入超临界状态。

S3启动输液模块的加压泵3，将功能溶液泵入管道并沿着管道通入喷头9内部，使功能溶液与超临界气体在喷头9内部充分混合形成膨胀溶液，降低功能溶液的黏度。

S4打开高压电源14，在喷头9的喷嘴与基板12之间形成高压电场，将内部的膨胀溶液牵引出来，功能气体逸出进入大气，功能溶液沉积到基板形成薄膜，完成电喷雾。

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 (10)

1.一种超临界气体辅助电喷雾装置，其特征在于：

所述装置包括输气模块、加压模块、输液模块、喷雾模块及控制模块，所述输气模块、所述加压模块及所述输液模块分别连接于所述喷雾模块；所述控制模块分别连接于所述输气模块、所述加压模块、所述输液模块及所述喷雾模块；所述喷雾模块包括喷头及设置在所述喷头下方的基板；所述控制模块包括处理器、及分别连接于所述处理器的加热器及高压电源；所述高压电源的正极及负极分别连接于所述喷头的喷嘴及所述基板，且所述基板接地；

所述加热器用于加热所述输气模块的管道，以将所述输气模块传输的功能气体加热到临界温度；所述输液模块用于将功能溶液输入到所述喷头；所述加压模块用于将加压气体输入到所述喷头内，以对所述喷头内且来自所述输气模块的功能气体施加压力，使得所述功能气体达到临界压力；所述喷头用于将达到超临界状态的功能气体与功能溶液混合成膨胀溶液，并进行电喷雾；其中，所述喷头内设置有活塞，所述活塞将所述喷头的腔体分割成上下两部分，所述活塞受上部加压气体的作用下移，对下部的功能气体进行施加压力以使功能气体到达临界压力而进入超临界状态。

2.如权利要求1所述的超临界气体辅助电喷雾装置，其特征在于：所述加压模块包括通过加压管道依次连接在一起的加压气瓶、加压泵、调压阀、安全阀及压力传感器；输液管道的一端连接于所述加压气瓶的出口，另一端连接于所述喷雾模块的喷头。

3.如权利要求2所述的超临界气体辅助电喷雾装置，其特征在于：所述安全阀与大气相通，其用于在加压管道内压力过大时进行泄气；所述压力传感器用于检测所述加压管道内的压力，并将检测到的压力数值传输给所述处理器。

4.如权利要求1所述的超临界气体辅助电喷雾装置，其特征在于：所述输气模块包括通过输气管道依次连接在一起的气瓶、加压泵、调压阀、压力传感器、安全阀、单向阀、温度传感器及旋拧阀；所述输气管道的一端连接于所述气瓶，另一端连接于所述喷头。

5.如权利要求4所述的超临界气体辅助电喷雾装置，其特征在于：所述安全阀用于在所述输气管道内的压力过大时进行泄压；所述旋拧阀用于手动调节所述输气模块的整体管路的开关；所述压力传感器及所述温度传感器分别用于检测所述输气管道内的压力及温度，并将检测到的压力值及温度值传输给所述处理器。

6.如权利要求1所述的超临界气体辅助电喷雾装置，其特征在于：所述输液模块包括通过输液管道依次连接在一起的储液罐、加压泵、调压阀、压力传感器、安全阀、单向阀及旋拧阀；所述储液罐用于储存用于进行电喷印的功能溶液；所述加压泵用于自所述储液罐内抽取功能溶液并施加压力后泵入所述喷头。

7.如权利要求6所述的超临界气体辅助电喷雾装置，其特征在于：所述旋拧阀用于手动调节所述输液模块整体管路的开关。

8.如权利要求2所述的超临界气体辅助电喷雾装置，其特征在于：所述加压管道的一部分形成螺旋状，该部分设置在加热器上以进行水浴加热。

9.如权利要求1-8任一项所述的超临界气体辅助电喷雾装置，其特征在于：所述喷头相背的两端分别形成有通气孔及喷嘴，所述通气孔与所述加压模块相连通，所述喷嘴与所述高压电源的正极相连接；所述喷头基本呈筒状，其临近所述喷嘴的一端的四周开设有六个接口，六个所述接口均匀排布，所述输气模块及所述输液模块分别通过所述接口连接于所述喷头。

10.一种超临界气体辅助电喷雾方法，其特征在于：所述超临界气体辅助电喷雾方法是采用权利要求1-9任一项所述的超临界气体辅助电喷雾装置进行电喷雾的。

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