[發明專利]一種電流體動力噴印同軸噴頭及其應用

有效

• 申請號: 201110164601.2
• 申請日: 2011-06-17
• 公開（公告）號: CN102275386A
• 公開（公告）日: 2011-12-14
• 發明（設計）人: 黃永安;尹周平;潘艷橋;布寧斌
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B41J2/14
• 分類號: B41J2/14
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李佑宏

技術領域

本發明屬于噴墨打印領域，具體涉及一種電流體動力噴印裝置的噴頭及其應用。

技術背景

電流體動力噴印(EHD)采用電場驅動以“拉”方式從液錐頂端產生極細的射流，分別形成噴霧、纖維和液滴，對應著電噴涂，電紡絲和電噴印這三種噴印模式。EHD噴印具有許多獨特的優勢，如可實現亞微米分辨率，顆粒或聚合物溶液易于噴出而不發生堵塞等，非常適合于復雜和高精度圖案化，在柔性電子制造中具有廣泛的應用前景，如電噴涂、電紡絲、電噴印可分別用于制備柔性電子的薄膜層、器件互聯、電極。

電噴涂，電紡絲和電噴印三種噴印模式中可以使用相同的噴嘴，溶液噴出后的形式不同主要取決于溶液屬性以及外加電場等因素。

靜電紡絲是利用靜電力拉伸高分子溶液來制備納米纖維。靜電紡絲過程可分為兩個階段，有序穩定噴射階段和螺旋劈裂階段。靜電紡絲根據噴頭與收集板之間的間距可以分為近場靜電紡絲與遠場靜電紡絲。在近場靜電紡絲中，噴頭與收集板間距離縮短為0.5-3mm，使納米纖維的收集處于電紡絲穩定噴射階段，實現了電紡絲定向和定位過程的可控，能夠實現納米纖維的直寫。而對于遠場靜電紡絲，其間距要更遠，納米纖維的收集處于螺旋劈裂階段，能夠用來制造出具有屈曲結構，電話線結構的納米纖維。

目前電紡絲工藝中普遍采用三種類型的噴嘴：第一種是截面為圓形的硬質針尖噴嘴，這種噴嘴在靜電紡絲過程中十分容易發生堵塞，如果為了減少堵塞而使用較粗口徑的探針噴嘴又會使得制得的纖維直徑過粗；第二種是實心金屬探針噴嘴，在靜電紡絲過程中，將探針針尖浸入高分子溶液，采用類似筆尖蘸取墨水的形式蘸取高分子溶液進行納米纖維直寫，這種噴嘴不能實現連續地進行靜電紡絲，并且不能方便地對探針進行精確定位來實現紡絲過程的可重復性。第三種結構采用的是無噴嘴的結構，在一金屬電極表面涂抹溶液，然后通過高壓電場隨機形成泰勒錐的位置與數量，可控性差。因而如何克服這三種類型的靜電紡絲噴嘴在工業化生產中的問題已成為當務之急。

發明內容

本發明的目的是提供一種電流體動力噴印同軸噴頭，采用非電導體管狀噴嘴與金屬探針組合的方式，能夠根據需要調節噴嘴與探針高度方向上的相對位置，可以實現針尖溶液流量的精密控制，從而實現對微納纖維的直徑進行調控，有助于形成泰勒錐，并降低工藝電壓。

為實現上述目的所采用的技術方案為：

一種電流體動力噴印同軸噴頭，包括探針放置平臺、噴嘴、支撐座、金屬探針和唇套，所述噴嘴固定設置在探針放置平臺上，所述支撐座安裝在噴嘴上端，所述唇套套裝在噴嘴下端的噴口上，金屬探針上部針端套裝在支撐座中心通孔內，針體置于噴嘴內腔，針體軸線與噴嘴中心軸線同軸，且探針下部的針尖穿過唇套內通孔并伸出于噴嘴。

所述支撐座底面與噴嘴上端面貼合，支承座上的中心通孔孔壁設有內螺紋，可與金屬探針上部針端螺紋連接，可實現兩者的相對高度的調節。

唇套由金屬材料制成，中心開有錐形通孔，外表面與噴口內表面過渡配合套接。

噴嘴由非導電材料制成，在其上端面上設有一個中心孔，以及兩圈陣列布置的圓孔，針體通過該中心孔插入到噴嘴內腔，陣列布置的圓孔用于定位或作為溶液的進料口。

本發明的電流體動力噴印同軸噴頭，將金屬探針通過支撐座與噴嘴連接在一起，并且尖端通過唇套的內通孔，形成同軸噴頭。通過調節金屬探針與支撐座的螺紋旋進深度，能夠調整金屬絲尖端與唇套在空間上的相對位置。當噴管中的溶液的量不夠的時候，還能夠通過噴嘴上端面的陣列布置的孔來補充溶液。可通過更換唇套，形成系列化噴頭。

本發明還提供了上述電流體動力噴印同軸噴頭在制備微納米纖維中的應用。

與現在噴墨打印領域中所普遍使用的圓形硬質針尖噴嘴與實心金屬探針噴嘴進行比較，該同軸噴頭具有以下的優點：

1)由于溶液能夠連續不斷地流入到探針的尖端，在唇套尖端的溶液的溶劑不會輕易蒸發，濃度比較穩定，可避免因內徑較小時噴頭容易出現堵塞，又可避免因內徑較大時噴頭進行電噴印時出現液滴自然下落的問題，還能夠避免實心金屬探針無法實現連續噴印的問題，持續進行電流體動力噴印。

2)通過支撐座的內螺紋可以增加或減少噴嘴內溶液到探針針尖的流動行程，通過替換具有系列化內錐經和內錐度的唇套可以對同軸噴頭的內徑進行精調，相對于噴口內徑大小固定的針尖噴嘴，它可以實現對溶液的供給量、微納米纖維直徑進行調控，并適用于不同潤濕性和流變性的溶液。

3)由于唇套套裝在噴嘴下端的噴口上，可以采用具有較大內徑的噴嘴，降低其加工難度，內部的錐形通孔又能夠使該同軸噴頭的安裝變得更加方便，不容易損傷金屬探針。