基于EHD的聚酰亞胺打印工藝研究

孫信虎， 劉 禹

(江南大學 機械工程學院， 江蘇 無錫 214122)

高分子功能材料由于其優(yōu)異的機械性能和光學性能，易于大規(guī)模印刷和良好的生物相容性等特點，被認為是替代某些無機材料的理想選擇[1]。例如，聚酰亞胺(PI)是一種很有前途的工程聚合物，使用溫度范圍為-250～450 ℃[2]，除了具有耐高溫、耐低溫、耐化學和輻射的特性，還具有優(yōu)異的機械性能、柔韌性和介電性能[3]，已廣泛應用于航空航天、微電子、納米、液晶、分離膜和激光等領(lǐng)域[4-5]。

在過去的幾十年里，PI的增材制造主要包括光固化3D打印[6]、激光燒蝕成型[7]和熔融擠出成型[8]3種方法。然而，這些制造方法都存在制造精度問題，以激光燒蝕成型為例，由于縮孔和結(jié)晶導致結(jié)構(gòu)的尺寸精度不高，同時在成型時還需要對工藝進行嚴格把控，增加成型的復雜度。因此，噴墨打印和EHD打印技術(shù)已被考慮用于提高制造精度。其中：噴墨打印技術(shù)代表了一種高度成熟且成功的增材制造方法，但噴墨打印的打印分辨率受限于打印頭的最小噴嘴尺寸，且噴嘴易堵塞；EHD打印被認為是噴墨打印的一種創(chuàng)新替代方法，因為它具有突破打印噴嘴的物理尺寸極限，并且具有產(chǎn)生至少一個數(shù)量級較小的墨滴尺寸的能力[9]。目前，已有學者利用電紡聚酰亞胺制備纖維膜，并對其性能進行了研究[10]，但有關(guān)EHD打印聚酰亞胺的報導比較少見。

課題組選擇聚酰亞胺作為研究對象，對聚酰亞胺漿料的EHD打印行為進行了研究，重點關(guān)注了打印過程中的工藝優(yōu)化過程，證明了聚酰亞胺在EHD打印方式下成型微結(jié)構(gòu)的可行性。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

以商用聚酰亞胺為打印漿料(采購自sigma平臺)。

1.2 實驗裝置

EHD打印系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由高精度三軸運動平臺、波形發(fā)生器、電壓放大器、氣壓控制器、不銹鋼噴嘴和收集襯底組成。運動平臺具有X，Y和Z方向共3個自由度，運動分辨率為1 μm，運動速度最高可達500 mm/s。電壓輸出范圍有0～1 kV和0～10 kV共2個檔位可選，放大倍數(shù)分別為100倍和1 000倍，輸出精度為滿量程的0.3%。氣壓控制器(EFD)的調(diào)節(jié)分辨率為0.1 kPa。不銹鋼噴嘴內(nèi)徑為200 μm，不銹鋼噴嘴與料筒的前端相連，料筒后端連接到氣壓擠出裝置。打印時通過氣壓推動漿料實現(xiàn)打印。

圖1 EHD打印系統(tǒng)原理圖Figure 1 Schematic diagram of EHD printing system

1.3 表征

利用德國Leica公司生產(chǎn)的DVM6超景深顯微鏡對EHD打印的樣品的形貌和尺寸進行測量表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 施加電壓的影響

通過設置合適的氣壓值，打印漿料可以在噴嘴端形成彎月面而不滴落，當施加外部電壓時，液滴隨著電壓的增加而受到靜電力的作用而變形，其自身從彎月面變?yōu)閳A錐形，最后形成液體射流。實驗時，設置工作電壓比正常噴射電壓高一些，使射流噴射快速啟動[11]，隨后逐漸降低電壓使?jié){料達到正常噴射狀態(tài)。當噴嘴與基底之間距離為0.5 mm，擠出氣壓為200 kPa，收集板速度為10 mm/s時，改變電壓值，觀察電壓大小與打印線條直徑之間的關(guān)系。不同電壓下打印線條直徑表征如圖2所示。

圖2 不同電壓下PI線條直徑Figure 2 Diameter of PI line under different voltages

當電壓較大時，將會出現(xiàn)多股射流，無法得到可控PI線條，得到的是雜亂無序的線條；隨著電壓降低將會出現(xiàn)適合打印的單股射流；當電壓降低到一定程度時，達不到臨界噴射電壓，無法形成射流。實驗發(fā)現(xiàn)電壓在1.8～2.8 kV范圍內(nèi)可得到單股射流，且在該范圍內(nèi)，隨著電壓降低，PI線條直徑逐漸增大，這是由于電壓降低導致更小的電場強度，線條受到的拉伸力更小[12]，因此線條直徑較大，電壓大小與PI線條直徑關(guān)系如圖3所示。

圖3 電壓與線條直徑關(guān)系圖Figure 3 Relationship between voltage and line diameter

2.2 收集板速度對PI線條直徑的影響

EHD打印過程中線條的沉積速度與收集板運動速度之間的關(guān)系直接決定了線條的沉積形式。當噴嘴與基底之間距離為0.5 mm，擠出氣壓為200 kPa，施加電壓為2 kV時,改變收集板速度，觀察收集板速度與打印線條直徑之間的關(guān)系。當沉積速度大于收集板的移動速度時，線條以“螺旋”狀形式沉積到收集板上；當收集板速度與線條沉積速度相匹配時，“螺旋”線將變?yōu)橹本€。由于“螺旋”形線條在沉積過程中具有不確定性，無法精確地沉積在指定的位置，而直線線條則可以較為精確地沉積在指定的位置，因此在EHD直寫打印過程中應避免“螺旋”形線條的出現(xiàn)，要求射流沉積速度與收集板運動速度盡可能相匹配[13-14]。實驗發(fā)現(xiàn)，控制收集板運動速度在5～15 mm/s可得到直線PI線條，在該范圍內(nèi)，PI線條直徑隨收集板運動速度變化如圖4所示。

圖4 不同速度下PI線條直徑Figure 4 Diameter of PI line under different speed

當PI線條呈 “直線”沉積后，若繼續(xù)增大收集板速度，此時線條將會受到機械拉伸力作用，從而導致線條直徑變小；收集板速度增大到一定程度時(大于20 mm/s)，線條將會斷裂，使EHD打印無法繼續(xù)進行。因此，在EHD打印過程中收集板速度既不能過小導致“螺旋”形線條的出現(xiàn)，也不能過大使線條被拉斷，應盡可能保持射流沉積速度與收集板移動速度相一致，以保證線條沉積的位置準確有序。收集板運動速度與PI線條直徑關(guān)系如圖5所示。

圖5 收集板速度與線條直徑關(guān)系圖Figure 5 Relationship between speed of collector and diameter of line

在探究了電壓及收集板運動速度對PI線條直徑的影響后，我們采用優(yōu)化后的實驗參數(shù)進行了網(wǎng)格微圖案打印，具體打印參數(shù)如下：噴嘴內(nèi)徑為200 μm，噴嘴與基底之間距離為0.5 mm，擠出氣壓為200 kPa，施加電壓為2.0 kV，收集板運動速度為10 mm/s，打印結(jié)果如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格微圖案打印結(jié)果表征圖Figure 6 Characterization diagram of printing result of grid micro-pattern

3 結(jié)語

課題組以絕緣聚合物聚酰亞胺作為打印材料，通過控制變量的實驗方法，得到了其在EHD打印方法下的一般成型規(guī)律。課題組主要探討了工作電壓和集板移動速度對PI線條直徑的影響，研究結(jié)果表明：①電壓在1.8～2.8 kV時，增加工作電壓有利于減小線條直徑，從而提高打印分辨率；②收集板移動速度在5～15 mm/s范圍內(nèi)可得到直線PI線條；在該范圍內(nèi)，進一步提高收集板的移動速度可使線條受到機械拉伸力，使線條直徑變小，從而提高微圖案的打印分辨率。最后，通過優(yōu)化后的工藝參數(shù)成功打印了PI網(wǎng)格微結(jié)構(gòu)，證明了聚酰亞胺在EHD打印方式下成型微結(jié)構(gòu)的可行性。