采用两种 Electrohydrodynamic 射流的高分辨率模式: 需求下降和近场静电纺丝

Summary

在这里, 我们提出了一个协议, 以产生高分辨率导电模式使用 electrohydrodynamic (EHD) 喷墨打印。该协议包括两种 EHD 喷墨打印模式: 连续近场静电纺丝 (NFES) 和基于点的需求下降 (DOD) EHD 打印。

Abstract

Electrohydrodynamic (EHD) 喷墨打印在各个领域引起了广泛的关注, 因为它可以作为一种高分辨率、低成本的直接图形工具。EHD 印刷使用射流供应商, 以保持挤出的半月板, 通过推动墨水出喷嘴尖端。然后用电场将半月板拉到基板上以产生高分辨率的图案。EHD 印刷的两种模式被用于精细模式: 连续近场静电纺丝 (NFES) 和基于点的需求下降 (DOD) EHD 印刷。根据印刷方式, 对印刷设备和油墨黏度的要求将有所不同。尽管采用单 EHD 打印机可以实现两种不同的模式, 但在油墨、射流系统和驱动电压方面, 实现方法有显著差异。因此, 如果不正确理解射流的要求和限制, 就很难取得预期的结果。本文的目的是提出一个指导方针, 使经验不足的研究人员可以减少试验和错误的努力, 使用 EHD 喷气机的具体研究和开发目的。为了演示精细模式的实现, 我们使用 Ag 纳米粒子墨水来实现协议中的导电模式。此外, 我们还提出了通用的印刷准则, 可用于其他类型的墨水为各种精细模式的应用。

Introduction

EHD 喷墨印花已广泛应用于各种领域, 如印刷电子、生物技术和先进材料应用, 因为它能够高分辨率和低成本直接模式¹。印制线宽度或印刷网点尺寸可降至1µm, 大大小于传统的压电式喷墨打印¹。

在 EHD 印刷中, 一小部分墨水 (或半月板) 被推出喷嘴尖端, 并通过控制流速^{1、2、3、4、5}或正气压1来维持. ^,6,7。挤出半月板是充电, 可以很容易地从喷嘴尖端拉到基板的电场, 如图 1所示。锥形半月板在喷射过程中形成, 产生比喷嘴尺寸更薄的墨流。

Protocol

为了健康和安全起见, 在使用任何墨水和清洁解决方案之前, 请参阅材料安全数据表 (MSDS)。

1. 按需 Electrohydrodynamic 喷墨印花用银纳米粒子墨水

1. 将经过过滤的银纳米微粒 (AgNP) 墨水填充在 EHD 印刷系统的墨水库中。
   注: 市面上可用的 AgNP 墨水可用于喷墨用途。该油墨应具有约 10 cP 的粘度和表面张力为 20 ~ 40 锰/米, 以获得需求下降喷射。
2. 使用热拉拔器制作用于国防部 EHD 打印的喷嘴。
   1. 将玻璃毛细管 [内径 (ID) 的1毫米] 放在热拉拔器中。
   2. 设置热拉拔器的参数;例如, 加热温度的范围为 580-590 摄氏度, 拉动速度约为18毫米/秒。
      注: 热拉拔的参数应根据目标喷嘴 ID 和环境条件而异。
   3. 使用设定参数操作热拉拔器, 在毛细管的中心处加热, 并在两端拉起, 使喷嘴的 ID 为5µm。
      注: 根据基板上的目标点大小确定喷嘴 ID 的大小。为参考, 5 µm 的喷嘴 ID 可以打印5个µm 大小的点。
   4. 通过玻璃刀具切割玻璃喷嘴, 调整玻璃喷嘴的长度。
3. 将喷嘴装配到喷嘴架和连接器上,通过聚四氟乙烯 (PTFE) 油管连接到油墨储层。
4. 应用气压向喷嘴尖端提供墨水。
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Results

基于点的按需打印:
国防部印刷是基于一滴喷射每一个喷射触发器。要生产国防部喷射, 应使用粘度约为 10 cP 的低粘性墨水。EHD 国防部印刷的墨水要求与传统的国防部喷墨打印机的需求相似, EHD 印刷方法与传统的国防部喷墨打印法是一样的。在传统的喷墨打印中, 光栅印刷技术被广泛应用, 因为它适用于使用多喷嘴头的位图图像打印。然而, 在 EHD 喷墨打印的情况下, 由于喷嘴之间的电交叉谈话, 多喷嘴头的实现有一个限制。因此, 使用单喷嘴的矢量打印通常用于基于 CAD 的线打印。尽管如此, 无论是光栅还是矢量打印模式都应该从打印软件中选择, 以打印各种类型的图案。注意, 算法和实现可以根据打印模式而有所不同。在矢量模式中, x、 y方向的同步移动用于打印线条, 而在光栅打印中, 单轴用于在主方向上打印点, 然后移动到子方向的下一条带状。图 4显示了使用光栅和矢量打印的代表性打印结果。

Discussion

在本协议中, 我们将重点放在使用 AgNP 墨迹打印精细图案的两种模式: DOD EHD 打印和 NFES。然而, EHD 喷墨印花的应用并不局限于使用 AgNP 的导电油墨。在这里, 我们将讨论的一般准则, 选择的墨水, 系统配置, 和其他打印参数需要使用 EHD 喷墨打印的各种精细模式的应用。

EHD 印刷的第一个也是最重要的步骤是油墨的选择和准备。传统喷墨印花中使用的墨水可用于国防部 EHD 印刷。国防部喷墨打印油墨的粘度在 1 ~ 50 cp (通常 10 cp)¹⁴的范围内。然而, 应注意的是, 国防部 EHD 印刷的气动控制方法不同于传统的国防部喷墨打印机。传统的喷墨打印机使用负压保持喷嘴表面内的半月板位置, 以防止任何墨水滴水和喷嘴润湿。另一方面, EHD 国防部印刷使用正压, 这可以推动油墨形成一个挤出半月板。请注意, 如果油墨粘度超过 100 cP, 半月板是难以控制的, 因为空气可以很容易地压缩, 而不是把墨水推到喷嘴尖端。喷射的粘度范围取决于喷嘴的 ID。如果使用较小的喷嘴 ID, 则应相应地减少粘度, 以便在没.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
EHD 集成打印系统	Psolution Ltd.，韩国	PS300
Harima Ag 纳米粒子墨水	Harima Inc.，日本	Harima NPS-JL	Ag 固体含量：~ 53 wt%，粘度：~10 cP，表面张力：~30 mN/m
玻璃毛细管	Narishige Scientific Instrument Lab	G-1	内径：1 mm;用于制造 DOD EHD 喷射打印的喷嘴 使用热拉
拔器	Sutter Instrument， USA	Sutter P-1000
显微镜载玻片（玻璃切片）	Paul-Marienfeld & Co.KG， Germany	10 006 12	尺寸（长 x 宽 x 厚）：76 mm x 26 mm x 1 mm
磁力搅拌器	Barnstead Thermolyne Corp.，美国	Cimarec SP131635
涡旋搅拌器	韩国 Jeiotech	实验室伴侣 VM-96T
Ag 纳米浆料	NPK，韩国	ES-R001	Ag 固体含量：~85.5 wt%，粘度：~11000 cP
聚环氧乙烷 （PEO）	Sigma-Aldrich，美国	372773-500G	Mw = 400000
乙醇	Sigma-Aldrich，美国	459836-500ML