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《Materials & Design》:采用电流体动力喷射打印技术制备聚合物纳米喷嘴,用于低粘度墨水的高分辨率打印

《Materials & Design》:采用电流体动力喷射打印技术制备聚合物纳米喷嘴,用于低粘度墨水的高分辨率打印

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-08-10 17:01
  • 访问量:

【概要描述】

《Materials & Design》:采用电流体动力喷射打印技术制备聚合物纳米喷嘴,用于低粘度墨水的高分辨率打印

【概要描述】

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2023年7月26日,大连理工大学的研究人员在《Materials & Design》上发表题为Polymer nano nozzle fabricated by nanoscale electrohydrodynamic jet printing for high-resolution printing of low-viscosity inks的研究论文,报道了采用纳米级电流体动力喷射打印技术制备聚合物纳米喷嘴,有效提高了高分辨率电子喷射打印的精度和兼容性。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112192

  研究简介  

电流体动力喷射(E-jet)打印以其高效率、低成本、高分辨率和对材料的广泛适应性而成为一种有前景的制造技术。但要将打印分辨率进一步提高到亚微米甚至纳米级,特别是对于具有显著扩散性的低粘度墨水,需要直径达数百纳米的喷嘴,而制造如此小直径的喷嘴尤其具有挑战性和复杂性。
本文开发了一种基于高分辨率电子喷射打印的简单方法来制造纳米喷嘴,从而实现一系列低粘度油墨的高分辨率打印。首先,采用E-jet打印和UV光刻技术制备了由BN303纳米材料和SU-8微平台组成的混合聚合物喷嘴模具;随后通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)的铸造工艺和随后的键合生产了聚合物喷嘴。通过使用聚合物喷嘴进行了初步的电子喷射打印,得到了细至140 nm的线条。本研究结果证明了高分辨率电子喷射打印的兼容性,并展示了所开发的聚合物纳米喷嘴在显著扩大电子喷射打印应用范围方面的潜力。

  研究内容解读  

本研究开发了一种用于高效生产精细的聚合物喷嘴的新方法,以扩大纳米级电子喷射打印的能力。本研究以BN303纳米板和SU-8微板为材料,制备了一种复合聚合物喷嘴模具,并采用电子喷射印刷和传统UV光刻技术生产。团队系统地考察了各种工作参数对光刻和打印工艺的影响,并对喷嘴模具进行优化。最终通过对喷嘴模具进行表面改性,实现了PDMS铸造过程中的无损脱模,并通过荧光染料试验验证了最终的粘接过程。此外还进行了电子喷射打印试验,以证明所制备的纳米喷嘴非常适合高分辨率电子喷射打印。

图1 聚合物喷嘴的制造工艺。

图2 (a) E-jet打印系统,图中显示了喷嘴尖端形成的锥形射流和聚合物线,(b)作用于墨水半月板处的力,(c)不同施加电压下射流的形貌,(d)图案线宽度与施加电压的关系,(e)不同收集基板速度(10 mm/s)下BN303图案线的形貌; (f)图案线宽与基片速度的关系,(g)高对准BN303纳米线阵列,(h)横向宽度为175 nm的BN303纳米线。

图3 (a-c)工作速度分别为48 mm/s、68 mm/s和78 mm/s时,宽度分别为3.38 um、0.92 um和0.64 um的BN303谱线二维AFM图像。(d)与(a- c)所示线条对应的AFM线扫描轮廓,(e)显示印刷线条宽度和高度与基板速度的关系的统计图。

图4 SU-8微通道在不同曝光时间下的光学显微镜图像。

图5 (a) SU-8、SiO和BN303的接触角随TMCS处理时间的变化;(b)喷嘴模具和喷嘴图像,(b1) BN303-SU-8喷嘴模具图像;(b2) PDMS喷嘴图像;(c)键合后微纳通道的横切面;(d)荧光图像显示充满罗丹明B溶液的微纳通道。

  研究结论  

本文提出了一种高效、可控的制备超细聚合物喷嘴的方法,使得低粘度功能墨水的直接书写具备良好的分辨率,并提高了纳米级电子喷射打印的材料适应性。这种制造方法结合了传统的光刻技术和E-jet打印技术来制造微纳混合喷嘴模具,从而促进了通过微通道到纳米通道的受控墨水输送。
该方法的创新之处在于,利用E-jet技术打印的高粘度纳米材料作为喷管纳米通道的纳米模具,可以经济高效地生产出纳米通道。此外,简单的铸造和粘合工艺成功制备出具有更高复制精度和大规模生产潜力的聚合物纳米喷嘴。最后,PDMS喷嘴还与各种墨水具有良好的兼容性,同时在高工作电压下提供抗放电绝缘。综合所有这些优势,这是纳米级电子喷射打印的一个突破,为一系列可打印材料和结构打开了新的机会。

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