本文介绍了一种利用电液动力（EHD）喷墨技术制备高分辨率导电图案的实验方案。该方案包含两种EHD喷墨打印模式：连续近场静电纺丝（NFES）和基于液滴的按需喷射（DOD）EHD打印。
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本文内容
摘要
摘要
电液动力学（EHD）喷墨打印因其可作为高分辨率、低成本的直接图案化工具，在多个领域受到关注。EHD打印通过推动墨水从喷嘴尖端挤出，利用流体供给系统维持形成的弯月面。随后，利用电场将该弯月面拉向基底，从而形成高分辨率的图案。目前用于精细图案化的EHD打印有两种模式：连续式近场静电纺丝（NFES）和基于液滴的按需喷射（DOD）EHD打印。根据不同的打印模式，对打印设备和墨水黏度的要求也有所不同。尽管同一台EHD打印机可实现两种不同模式，但在墨水选择、流体系统和驱动电压方面，其实现方法存在显著差异。因此，若缺乏对喷射需求与限制的充分理解，很难获得理想的打印结果。本文旨在提供一套操作指南，使缺乏经验的研究人员能够减少试错过程，更高效地将EHD喷印技术应用于特定的研究与开发目的。为展示精细图案化的具体实施方法，本实验方案中采用银纳米粒子墨水进行导电图案的制备。此外，我们还提供了通用的打印指导原则，可适用于其他类型墨水及多种精细图案化应用。
引言
由于能够实现高分辨率、低成本的直接图案化，EHD喷墨打印已广泛应用于印刷电子、生物技术和先进材料等领域1。其打印线宽或打印点尺寸可缩小至1 µm，显著小于传统的基于压电的喷墨打印技术1。
在EHD打印中，通过控制流速1,2,3,4,5或正向气压1,6,7，使少量墨水（或弯月面）从喷嘴尖端被推出并保持稳定。被挤出的弯月面带电后，在电场作用下可轻易从喷嘴尖端被拉向基底，如图1所示。在喷射过程中形成锥形弯月面，产生远细于喷嘴尺寸的墨水流。
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方案
出于健康与安全考虑，在使用任何油墨和清洗液之前，请查阅材料安全数据表（MSDS）。
1. 使用银纳米颗粒墨水的按需喷射电液动力喷墨打印
- 将过滤后的银纳米颗粒（AgNP）墨水注入电液动力（EHD）打印系统的墨水储液器中。
注意：可使用市售的银纳米颗粒（AgNP）墨水进行喷墨打印。该墨水的黏度应约为10 cP，表面张力应在20 ~ 40 mN/m范围内，以实现按需喷射。 - 使用热拉仪制备用于按需喷射电液动力打印的喷嘴。
- 将一根玻璃毛细管（内径为1 mm）放入热拉仪中。
- 设定热拉仪的参数；例如，加热温度范围为 580 - 590 °C 拉伸速度约为 18 mm/s。
注意：热拉制仪的参数应根据目标喷嘴内径和环境条件进行调整。 - 使用设定参数操作热拉制仪，在毛细管中心施加热量并从其两端进行拉伸，以制备内径为 5 µm.
注意：根据基底上目标点的尺寸确定喷嘴内径的大小。作为参考，喷嘴内径 5 µm 可以打印 5 µm大小不一的点。 - 通过切割玻璃喷嘴来调整其长度 通过 玻璃切割器
- 将喷嘴与喷嘴支架和连接器组装在一起，后者与墨水储液器相连 通过 聚四氟乙烯（PTFE）管
- 施加....
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结果
基于点的按需喷墨打印：
按需喷墨（DOD）打印基于每个喷射触发信号产生一个液滴。为实现DOD喷射，应使用黏度较低的油墨，其黏度约为10 cP。电液动力学（EHD）DOD打印对油墨的要求与传统DOD喷墨打印相似，其打印方法也与传统DOD喷墨类似。在传统喷墨打印中，光栅打印技术已被广泛使用，因其适用于采用多喷嘴喷头进行位图图像打印。然而，在EHD喷射打印中，由于喷嘴之间存在电学串扰，多喷嘴喷头的实现受到限制。因此，通常采用单喷嘴的矢量打印方式进行基于CAD的线条打印。尽管如此，为了实现多种类型的图案打印，打印软件应可选择光栅或矢量任一种打印模式。需注意，不同打印模式下的算法和实现方式可能有所不同。在矢量模式下，通过x、y方向的同步移动来打印线条；而在光栅打印中，则先沿主方向使用单轴打印点阵，随后在次方向上移动至下一打印条带。采用光栅和矢量打印的代表性打印结果如图4所示。
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讨论
在本实验方案中，我们重点介绍使用两种模式——按需喷射电液动力（DOD EHD）打印和近场静电纺丝（NFES）——利用银纳米颗粒（AgNP）墨水打印精细图案。然而，电液动力喷射打印的应用不仅限于使用银纳米颗粒的导电墨水。本文将讨论为实现多种精细图案应用而选择墨水、系统配置以及其他电液动力喷射打印参数的一般性指导原则。
电液动力（EHD）打印的第一步也是最重要的一步是油墨的选择与制备。传统喷墨打印中使用的油墨可用于按需滴落式（DOD）EHD打印。DOD喷墨打印所用油墨的黏度范围通常为1 ~ 50 cP（典型值为10 cP）14。然而需要注意的是，DOD EHD打印的气动控制方式与传统DOD喷墨打印不同。传统喷墨打印采用负压来维持喷嘴表面内部的弯月面位置，以防止油墨滴落和喷嘴润湿。而EHD DOD打印则使用正压，可推动油墨形成突出的弯月面。需注意，若油墨黏度超过100 cP，则弯月面将难以控制，因为此时空气容易被压缩，而无法有效推动油墨到达喷嘴尖端。喷射所需的黏度范围可能取决于喷嘴内径（ID）。若使用更小的喷嘴内径，则应相应降低油墨黏度，以.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究由韩国国家研究基金会（NRF）通过韩国教育科学技术部资助的基础科学研究中心项目（2016R1D1A1B01006801）支持，并部分得到顺天乡大学研究基金的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| EHD 集成打印系统 | Psolution Ltd., South Korea | PS300 | |
| Harima Ag 纳米粒子油墨 | Harima Inc., Japan | Harima NPS-JL | Ag 固含量：约 53 wt%，黏度：约 10 cP，表面张力：约 30 mN/m |
| 玻璃毛细管 | Narishige Scientific Instrument Lab | G-1 | 内径：1 mm；用于通过热拉制仪制备 DOD EHD 喷射打印用喷嘴 |
| 喷嘴热拉制仪 | Sutter Instrument, USA | Sutter P-1000 | |
| 显微镜载玻片（玻璃基底） | Paul-Marienfeld & Co.KG, Germany | 10 006 12 | 尺寸（长 × 宽 × 厚）：76 mm × 26 mm × 1 mm |
| 磁力搅拌器 | Barnstead Thermolyne Corp., USA | Cimarec SP131635 | |
| 涡旋搅拌器 | Jeiotech, South Korea | Lab Companion VM-96T | |
| Ag 纳米膏 | NPK, South Korea | ES-R001 | Ag 固含量：约 85.5 wt%，黏度：约 11000 cP |
| 聚氧化乙烯（PEO） | Sigma-Aldrich, USA | 372773-500G | 分子量 Mw = 400000 |
| 乙醇 | Sigma-Aldrich, USA | 459836-500ML |
参考文献
- Onses, M. S., Sutanto, E., Ferreira, P. M., Alleyne, A. G., Rogers, J. A. Mechanisms, Capabilities, and Applications of High-Resolution Electrohydrodynamic Jet Printing. Small. 11 (34), 4237-4266 (2015).
- Jaworek, A., Krupa, A. Classification of the modes of EHD spraying. Journal of Aerosol Science. 30 (93), 873-893 (19....
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重印与许可
