[發(fā)明專利]一種基于噴墨打印技術(shù)的薄膜制備裝置及制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611056334.6
• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN106587041A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 任天令;寧柯瑜;劉厚方;鞠鎮(zhèn)毅;程荊磊;楊軼
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: C01B32/198
• 分類號: C01B32/198;C01B25/00;C01G41/00;C01B19/04;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y70/00;B33Y80/00
• 代理公司: 北京路浩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11002
• 代理人: 湯財寶

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及薄膜制備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于噴墨打印技術(shù)的薄膜制備裝置及制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯是近年來發(fā)展起來的一種新型二維無機納米材料，由于其具極高的機械強度、出色的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，以及豐富的來源，在化學(xué)、物理、材料、電子等各個領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，石墨烯的工業(yè)化應(yīng)用存在諸多問題，其中，規(guī)模化制備石墨烯便是主要的挑戰(zhàn)之一。

氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，因與石墨烯在結(jié)構(gòu)上非常類似，是制備石墨烯常用的前驅(qū)體。同時，氧化石墨烯也是一種性能優(yōu)異的新型碳材料，具有較高的比表面積和豐富的官能團，如羥基、環(huán)氧基、羧基和羰基等。此外，氧化石墨烯的拉伸模量和極限強度與單壁碳納米管的拉伸模量和極限強度相似，且其質(zhì)量輕，導(dǎo)熱性好，并且價廉易得，是制備聚合物納米復(fù)合材料的優(yōu)質(zhì)原材料。

此外，二維薄膜材料由于其在光、電、磁方面的優(yōu)異性能，使其具有廣闊的應(yīng)用前景。制備氧化石墨烯或二維薄膜材料的傳統(tǒng)的方法主要有旋涂法和噴涂法。

以制備氧化石墨烯薄膜的方法為例。旋涂法是利用高速旋轉(zhuǎn)的勻膠機，通過配料、高速旋轉(zhuǎn)和揮發(fā)成膜三個步驟制備薄膜。通過控制旋涂的時間、轉(zhuǎn)速、石墨烯溶液的滴液量以及溶液濃度來控制薄膜的厚度。但該方法中，影響薄膜質(zhì)量的因素較多，如溶液濃度、轉(zhuǎn)速、溶劑類型、旋涂次數(shù)、外界溫度和濕度都會影響薄膜的質(zhì)量，且由于氧化石墨烯的粘度非常低，該方法制備的薄膜附著性差，薄膜的均勻性和厚度不可控，使得該方法難以應(yīng)用于大面積的氧化石墨烯薄膜的制備。

噴涂法是通過噴霧器霧化氧化石墨烯溶液，然后將霧化的氧化石墨烯溶液噴灑到基底表面，形成氧化石墨烯薄膜。但該方法中，溶液濃度、溶液的分散程度、噴涂的均勻性均對薄膜的質(zhì)量有很大影響，薄膜的均勻性和厚度難以精確控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的能夠大規(guī)模制備薄膜的基于噴墨打印技術(shù)的薄膜制備裝置及制備方法。

隨機式噴墨打印技術(shù)是將少量墨水轉(zhuǎn)化成墨滴，并將墨滴噴涂到紙上，形成字符或圖案。隨機式噴墨打印技術(shù)中，受打印信號的控制，墨水只在打印需要時才噴射。為了提高打印速度，隨機式噴墨打印機大多采用多噴頭的結(jié)構(gòu)，并在噴頭上設(shè)置換能器，精確控制噴頭中墨水的噴射。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，基于隨機式噴墨打印技術(shù)，提供一種基于噴墨打印技術(shù)的薄膜制備裝置，包括安裝有噴頭陣列的頂板和能夠固定基底的底板，所述噴頭陣列連接控制裝置，所述噴頭陣列的噴頭的側(cè)面安裝有由控制裝置控制的換能器，且所述噴頭面向底板上放置的基底。

該裝置結(jié)構(gòu)簡單，并且，在薄膜制備時，按照控制裝置預(yù)設(shè)的形狀，由噴頭陣列中的噴頭同時向基底上噴射試劑，充分保證所制備薄膜的均一性。此外，噴頭陣列的設(shè)置，有利于快速、大面積制備薄膜。同時，放置在底板上的基底的形狀和大小能夠調(diào)節(jié)，進(jìn)一步保證大規(guī)模制備薄膜的實現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種基于噴墨打印技術(shù)的薄膜制備方法，能夠應(yīng)用于制備氧化石墨烯薄膜和二維薄膜材料，其中二維薄膜材料主要為石墨烯薄膜、黑磷薄膜、WS₂薄膜、TiSe₂薄膜、Bi₂Se₃薄膜。其包括以下步驟：

S1、配置制備薄膜的試劑，并將該試劑裝入所述儲液盒中；

S2、將基底固定放置于可移動平臺上；

S3、根據(jù)預(yù)設(shè)的薄膜生長形狀，控制裝置控制噴頭陣列和可移動平臺移動至合適的位置；

S4、儲液盒中的試劑進(jìn)入到噴頭陣列中，控制裝置控制噴頭陣列的噴頭，將試劑噴射至基底上，制備得到薄膜。

該制備方法工藝過程簡單，在常溫、常壓條件下，直接制備得到與基底有更好附著性的薄膜材料，避免高溫條件下對薄膜性質(zhì)的影響。

本申請?zhí)岢龅囊环N基于噴墨打印技術(shù)的薄膜制備裝置及制備方法，其有益效果主要如下：

(1)在頂板和底板上對應(yīng)設(shè)置用于制備薄膜的噴頭陣列和放置基底的可移動平臺，結(jié)構(gòu)簡單；

(2)由控制裝置控制底板上可移動平臺，以調(diào)整基底上生長的薄膜的位置和形狀，控制方式簡便；

(3)頂板上設(shè)置的噴頭陣列，便于快速、大面積制備薄膜；

(4)噴頭的噴嘴尺寸小，同時由于換能器的作用，試劑噴射速度快，便于準(zhǔn)確控制薄膜的厚度，增加薄膜與基底的附著力；

(5)薄膜制備方法的工藝過程簡單，易于控制；

(6)采用噴頭陣列，能夠同時向基底大面積噴射溶液，有效的提高了薄膜的均一性；