織物表面微滴噴射打印沉積過程試驗研究

肖 淵， 劉金玲， 申 松， 陳 蘭(西安工程大學 機電工程學院， 陜西 西安 710048)

織物表面微滴噴射打印沉積過程試驗研究

肖 淵， 劉金玲， 申 松， 陳 蘭
(西安工程大學 機電工程學院， 陜西 西安 710048)

在織物表面微滴噴射打印沉積成形微細導電線路中，明確微滴在織物表面碰撞和滲透過程是成形高質量導電線路的前提。采用試驗研究的方法，在噴射系統可控噴射條件下，對微滴與織物表面的碰撞、鋪展及滲透過程進行圖像采集及動態過程研究。結果表明：微滴在織物基板表面的碰撞過程與固體基板類似，幾乎未發生滲透現象；由于毛細壓差的作用，不同織物在不同時間段內的滲透速率急劇增大，出現快速芯吸現象，且織物經緯密度越小，芯吸效果越明顯；微滴在織物表面的擴散形狀由織物的組織結構決定，擴散面積與織物潤濕性有關，隨潤濕性的減弱而減小。

導電線路； 電子智能紡織品； 微滴； 織物表面； 沉積； 噴射打印； 潤濕性

電子智能紡織品是紡織品與電子信息技術融合的一種智能紡織品，具備信息采集、識別、反饋及響應等功能，可實現自診斷、修復和自適應等[1]，因而在軍事、航空、航天、生物醫學、體育休閑、娛樂、醫療保健等領域有著重要的應用前景[2-3]。在電子智能紡織品中，信息采集系統是其核心部分，通常由電子元件相互連接而成，要求連接不易纏繞、斷裂，因此，如何實現各電子器件間的柔性連接是電子智能紡織品研究的熱點。目前，常見織物表面導電線路的制造方法有植入式和印刷式2種[4]。植入式是將金屬絲植入到織物紋理中以形成導電線路，實現各電子元器件間的連接。主要方法有刺繡、織造、編織[5-7]等，但上述方法存在制造工藝復雜，加工難度大，成本高等問題。印刷方法作為一種間接式導電線路制造方法，通過將導電油墨承印在紡織品表面形成導電線路。最常見的是絲網印刷技術，這種技術成形工藝簡單，操作靈活，不受形狀限制，成本低，但該方法使用的印版中網格的大小限制了導電線路的寬度，影響其分辨率[8-10]，且后續還需燒結處理以提高線路的導電性能，而較高的燒結溫度會損壞織物本身的性能。

圖2 織物組織微觀結構圖Fig.2 Microstructure figures of fabrics. (a) Fabric 1; (b) Fabric 2; (c) Fabric 3

微滴噴射技術是一種依靠外力作用使液體以微小液滴的形式從微米級小孔噴出，通過逐點逐層累加成形出復雜幾何結構[11]。基于此，課題組提出將微滴噴射技術和化學反應相結合，在織物表面定點沉積金屬鹽和還原劑溶液，通過反應沉積以形成金屬線路，該方法使用噴射材料為水性溶液，避免了導電油墨中導電粒子較難均勻分散問題，具有工藝流程短、非接觸、成本低等優點。

在織物表面沉積打印過程中，由于織物表面為多孔和高粗糙度結構，因此，明確微滴在織物表面的碰撞沉積過程對于導電線路的噴射打印成形至關重要。基于此，本文利用自行開發的微滴噴射系統，通過高速圖像采集技術，對微滴與織物碰撞、滲透的動態過程進行研究，以明確微滴碰撞、鋪展及滲透過程形態變化，掌握織物組織結構對微滴動態擴散過程的影響規律，為后續織物表面微滴打印質量的控制提供參考。

1 微滴噴射系統及沉積基板

1.1 氣動式微滴噴射系統

自行開發的氣動式微滴按需噴射系統如圖1所示，主要由3部分組成：微滴產生裝置、圖像采集子系統和運動平臺控制子系統。其中微滴產生裝置主要由電磁閥、四通、泄氣口及噴嘴等組成，通過計算機控制信號發生器產生的脈沖信號以控制電磁閥的通斷，在腔體內形成壓力波驅動液體從腔體底部的小孔噴出，實現微小均勻液滴的按需產生；圖像采集系統主要由光源和CCD相機(或高速攝像機)等組成，實現微滴噴射與沉積過程動態圖像采集；運動平臺控制系統由移動平臺和運動控制器等組成，實現微滴的按需定點沉積及導線成形路徑控制。

圖1 氣動式微滴噴射系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of pneumatic miro-droplet injection system

1.2 沉積基板

選用市售3種不同組織結構的棉織物為沉積基板，3種織物參數如表1所示，其微觀照片如圖2所示。

表1 織物規格及相關參數Tab.1 Specifications and related parameters of fabrics

2 微滴與織物碰撞過程

以水為噴射材料，織物1為沉積基板，噴嘴直徑為140 μm，在系統穩定噴射情況下(頻率為1 Hz，脈沖寬度為1.953 ms，供氣壓力為20 kPa，泄氣閥開口角度為35°)，設定高速攝像機的幀速為1×105幀/s，采集微滴與織物表面碰撞沉積的動態過程照片，如圖3所示。

由圖3可看出，微滴在織物表面的碰撞過程主要經歷運動、射流、回縮、平衡這4個階段，碰撞過程與微滴在固體基板類似[12]。通過測量微滴在織物表面的最大鋪展直徑，得到其隨時間的變化情況，結果如圖4所示。

圖3 微滴碰撞過程形態變化圖Fig.3 Morphological variation figures of droplets in collision process

圖4 微滴鋪展直徑隨時間變化曲線Fig.4 Curve of diameter change versus time after droplets collision

從圖4可看出，微滴在織物表面經歷鋪展—回縮往復循環，在0.8 ms時達到最大鋪展直徑，此時微滴呈餅狀，此后在表面張力的作用下開始回縮，在2.6 ms時達到最大回縮位置，隨后不斷振蕩，最終約在35.5 ms時達到平衡狀態。對碰撞前后微滴體積進行測量，其體積基本保持在0.179 5 m3，說明微滴在織物表面碰撞過程中幾乎沒有發生滲透現象。

3 織物表面微滴滲透過程

3.1 微滴滲透試驗

選用直徑為100 μm的噴嘴，以水為噴射材料，為方便觀察，在水中添加少許著色劑，以3種織物為基板，進行微滴在織物中滲透過程研究，在穩定噴射條件下(頻率為1 Hz，脈沖寬度為1.953 ms，供氣壓力為20 kPa，泄氣閥開口角度為45°)，設定沉積高度為5 mm，CCD相機幀速為66 幀/s，獲得微滴在3種織物表面的鋪展滲透動態過程照片，如圖5所示。

圖5 不同織物表面微滴動態滲透過程Fig.5 Droplet dynamic penetration processes of different fabric surfaces. (a)Fabric 1; (b)Fabric 2; (c)Fabric 3

由圖5可看出，微滴沉積到織物表面后，其在織物表面的形態隨時間不斷發生變化，駐留于織物表面的液滴體積不斷減少，最終完全滲入織物中，3種織物的滲透時間分別為3 060 ms、228.27 s、465 ms。

為進一步分析液體在不同織物中的滲透過程，采用專業圖像分析軟件對微滴在3種不同織物表面鋪展滲透過程中微滴的高度進行測量，得到其高度隨時間的變化結果，如圖6所示。

由圖6可看出，在微滴動態擴散過程中，微滴高度隨時間的延長呈減小趨勢。由圖6(a)可知，織物1表面在0～2 200 ms期間，微滴高度隨時間變化不大，2 200 ms后微滴高度迅速減少，滲透加劇。由圖6(b)可知，織物2表面微滴高度隨時間的延長趨于線性變化并逐漸減小，在120～150 s之間高度迅速下降，滲透速率增大。由圖6(c)可知：微滴在0～140 ms之間滲透速率較小；但在140～170 ms之間曲線斜率最大，說明此階段微滴滲透加快，隨后微滴高度減小的速度變緩，基本呈線性減小趨勢；在滲透的最后階段，微滴高度又迅速減小。圖中3條曲線在不同時間段出現了斜率急速增大現象，這是由于織物特有的復雜結構導致產生毛細壓差。在毛細壓差作用下，液體會自發在孔隙中流動，在開始階段壓差大，織物中的孔隙順暢，液體滲入快，不斷填充孔隙，出現快速芯吸現象[13-14]。3種織物的芯吸效果不同，織物1芯吸效果最明顯。由表1可知：織物1經緯密度最小，織物較疏松，毛細管中的粗毛細管多，芯吸效果最明顯；而織物2密度較大，芯吸效果最不明顯。

3.2 織物結構中液體擴散分析

為進一步分析織物組織結構及潤濕性對微滴滲透過程的影響規律，測得了微滴在織物表面滲透過程中的擴散痕跡，如圖7所示。

圖6 不同織物中微滴高度隨時間變化Fig.6 Curves of droplet height changes on different fabrics. (a) Fabric 1； (b)Fabric 2； (c)Fabric 3

圖7 微滴在不同織物中滲透擴散Fig.7 Penetration and diffusion of droplet on different fabrics. (a) Fabric 1; (b) Fabric 2; (c)Fabric 3

由圖7可看出，微滴在滲透到織物內部后在其表面的擴散痕跡各不相同，在織物1上呈條狀，在織物2上近似為圓形，在織物3上近似為橢圓狀。這主要由于3種織物的組織結構不同所致。采用專業圖像分析軟件對微滴擴散后的面積進行測量，得到微滴在織物1、2、3上的擴散面積分別為0.977、0.237、1.758 mm2。可看出，微滴在織物3中的擴散面積最大，在織物2中擴散面積最小。結合表1中3種織物的接觸角可知，隨著接觸角的增大，微滴在織物表面的擴散面積從1.758 mm2逐漸減小為0.237 mm2。織物3具有較好的潤濕性，微滴滲透的同時在不斷地鋪展，致使擴散面積變大。微滴擴散面積與織物潤濕性的強弱基本吻合，擴散面積隨著潤濕性的減弱而減小，因此，微滴滲透擴散后的形狀則取決于織物的組織結構。而擴散面積大小與織物的潤濕性有關，如要得到良好的微滴沉積形態，后續可從織物表面改性處理或者選用不同特性參數的流體進行研究，以獲得理想的微滴沉積形態，抑制微滴的擴散滲透行為，為實現織物表面微滴噴射打印成形導電線路的制備奠定基礎。

4 結 論

1)對微滴與織物表面碰撞過程研究表明，微滴與織物表面碰撞與固體基板碰撞過程類似，整個過程幾乎不發生滲透現象。

2)對不同織物表面微滴滲透過程進行研究發現，由于毛細壓差的作用，在滲透過程不同時間段內滲透速率急劇增大，出現快速芯吸現象，且織物經緯密度越小，芯吸效果越明顯。

3)對微滴在織物表面擴散的形狀研究表明，表面擴散形狀由織物組織結構決定，擴散面積與織物潤濕性有關，擴散面積隨著潤濕性的減弱而減小。

FZXB

[1] 王軍, 陳曉玫, 穆蕓, 等. 智能紡織品的內涵、設計及其應用前景分析[J]. 武漢紡織大學學報, 2015, 28(1): 23- 26. WANG Jun, CHEN Xiaomei, MU Yun, et al. The connotation, design and application prospect of smart textiles[J]. Journal of Wuhan Textile University, 2015,28(1): 23-26.

[2] KIEKENS P, JAYARAMAN S. Intelligent Textiles and Clothing for Ballistic and NBC Protection: Technology at the Cutting Edge [M]. Berlin: Springer Netherlands, 2012:119-136.

[3] WU Y C, CHEN R H, JIN W, et al. Intelligent clothing for automated recognition of human physical activities in free-living environment [J]. Journal of the Textile Institute, 2012, 103(8): 806-816.

[4] 肖淵, 蔣龍, 陳蘭,等. 織物表面導電線路成形方法的研究進展[J]. 紡織導報, 2015(8): 92-95. XIAO Yuan, JIANG Long, CHEN Lan, et al. Research progress on forming method of conductive circuits on fabric surface[J]. China Textile Leader, 2015(8): 92- 95.

[5] DHAWAN A, GHOSH T K, SEYAM A M, et al. Woven fabric based electrical circuits: part II: yarn and fabric structures to reduce crosstalk [J]. Textile Research Journal, 2004, 74(11): 955-960.

[6] ZYSSET C. Weaving integrated circuits into textiles[C]// CHERENACK K, KINKELDEI T. International Symposium on Wearable Computers. Switzerland: IEEE Xplore, 2010:1-8.

[7] KANG T H, Sensors on textile substrates for home-based healthcare monitoring[C]//MERRITT C, KARAGUZEL B. Conference on Distributed Diagnosis & Home Heal. Raleigh: IEEE Computer Society, 2006:5-7.

[8] LOCHER I, TROSTER G. Fundamental building blocks for circuits on textiles [J]. IEEE Transactions on Advanced Packaging, 2007, 30(3): 541-550.

[9] KIM Y, KIM H, YOO H J. Electrical characterization of screen-printed circuits on the fabric[J]. IEEE Transactions on Advanced Packaging, 2010, 33(1):196-205.

[10] KAMYSHNY A, STEINKE J, MAGDASSI S. Metal-based inkjet inks for printed electronics [J]. Open Applied Physics Journal, 2011, 4(19):19-36.

[11] 齊樂華,鐘宋義,羅俊. 基于均勻金屬微滴噴射的3D打印技術[J]. 中國科學, 2015, 45(2): 212-223. QI Lehua, ZHONG Songyi, LUO Jun. Three-dimensional printing technology based on uniform metal droplet ejecting[J]. Scientia Sinica Informationis, 2015, 45(2): 212-223.

[12] 曾祥輝, 齊樂華, 蔣小珊, 等. 金屬熔滴與基板碰撞變形的數值模擬[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2011, 43(3)：70-74. ZENG Xianghui, QI Lehua, JIANG Xiaoshan, et al. Numerical simulation of a metal drop in impinging on substrate[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2011, 43(3)：70-74.

[13] 范菲,齊宏進. 織物孔徑特性與織物結構及芯吸性能的關系[J]. 紡織學報, 2007, 28(7): 38-41. FAN Fei, QI Hongjin. Relationship between capillary properties and configurations and wicking capability of fabric[J]. Journal of Textile Research, 2007, 28(7)：38-41.

[14] 張輝,張建春.棉織物結構對芯吸效應的影響[J]. 棉紡織技術, 2003, 31(11): 12-15. ZHANG Hui, ZHANG Jianchun. Influence on wicking property of cotton fabric structure[J]. Cotton Textile Technology, 2003, 31(11): 12-15.

Experimental research on deposition process of micro-droplet jet printing on fabric surface

XIAO Yuan， LIU Jinling， SHEN Song， CHEN Lan
(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,Xi′anPolytechnicUniversity,Xi′an,Shaanxi710048,China)

During deposition forming of fine conductive circuit on fabric surface, micro-droplet jet printing droplets collision and penetration process on fabric surface are determined to be premise to form a high quality conductive circuit. Using experimental research methods,under the controlled injection condition of the injection system, the dynamic process of the droplets collision,deposition and penetration on the fabric surface were captured and studied. The results show that droplets collision on the fabric substrate surface is similar to the solid substrate, and penetration phenomenon almost does not occur. As the effect of capillary pressure difference,different fabrics in different periods have penetration rate increasing sharply, rapid wicking phenomenon appears. The small the thread count, the more obvious wicking effect. Droplets diffusion shapes on the fabric surface are determined by the structure of the fabric. The area of diffusion is related to fabric wettability, and it decreaes with weakened wettablity.

conductive circuit; electronic intelligent textiles; micro-droplet; fabric surface; deposition; jet printing; wettability

2016-06-12

2017-02-18

國家自然科學基金資助項目(51475350)；西安工程大學研究生創新基金項目(CX201610)

肖淵(1975—)，男，副教授，博士。主要研究方向為微滴噴射技術、機電控制技術。E-mail：xiaoyuanjidian@xpu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160602206

TS 101；TH 16

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