喷墨打印的Rayleigh失稳控制与功能器件制备研究

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喷墨打印技术在图案化功能器件的制备中有着重要的意义,传统的喷墨打印是以固体表面为承印基材,通过控制墨滴的沉积位置实现功能材料在表面的图案化,但是以固体表面为承印基材很难实现制备嵌入型器件(如微流体器件)的制备,并且对于电子电路的制备,在固体表面直接喷墨打印往往存在结合力较弱、容易剥落等缺点,使得电路的耐弯折性较差。本文基于对Rayleigh失稳的控制原理,研究了在液态承印基材表面图案的稳定性控制,实现了几种功能器件的制备,主要工作如下:  (1)基于液体模板法利用喷墨打印实现了微流体通道的制备。通过采用粘度对温度敏感的墨水,成功地抑制了其在表面张力作用下的Rayleigh失稳,得到了在硅氧烷流体中稳定的液态图案。同时,通过控制墨水与流体基材之间的浸润包覆行为,实现了流体基材对液态图案的自发包覆,得到了嵌入流体基材内部的液态图案,实现了液态图案在硅氧烷流体固化过程中的模板功能。另外,通过向液态模板中加入含碳碳双键的功能分子,使其在模板与流体基材界面参与硅氧烷单体的氢化硅烷化反应,成功实现了微通道形成过程中对其内壁的同步功能化修饰。这对微流体器件的制备及应用有着重要的意义。  (2)基于图案化的水油界面反应制备了半嵌入式的金属银图案,该图案与聚二甲基硅氧烷(PDMS)基材表面形成相互渗透的的过渡层,该过渡层能够有效提高银层的耐弯折及抗剥落性能,得到具有高耐弯折性的银电路。通过调节硅氧烷流体基材的预聚合时间控制墨水水相图案在其表面的稳定性,抑制了Rayleigh失稳,成功得到了连续稳定的图案化水油界面,使水相中的导电前驱体与油相中的还原剂在水油界面上发生氧化还原反应,得到图案化的界面反应银层。通过优化水相墨水的表面活性剂,实现了硅氧烷流体油相与墨水水对界面银层的共同浸润,在去除水相并固化油相后得到在PDMS基材表面呈半嵌入式的银层图案。另外,通过控制界面反应温度、反应物浓度、表面活性剂种类等因素,实现了厚度约为15-20μm的银层图案制备。该方法制备的半嵌入式银电路具有较高的耐弯折能力,对于柔性电路的制备有着重要意义。  (3)基于取向静电纺丝的方法制备了柔性可拉伸导电膜。用SnCl2还原硝酸银在纤维表面预制银种子的方法实现银在纤维表面的优先生长,所得到的导电膜在多次拉伸-恢复循环后仍有很好的导电性。导电膜的可拉伸性能与导电纤维的取向交角有关,当导电纤维成单一方向分布时,沿着纤维方向拉伸变形,导电纤维的实际变形率较大,纤维表面的银层发生较多的断裂,导电膜的耐拉伸性能较差。当导电纤维成一定的交角分布时,拉伸性变所导致的导电纤维的变形量减小,导电膜的耐拉伸性能较高。在0-180°区间内,导电纤维交角越大,同样的拉伸率下,纤维的变形量越小,纤维表面银层的断裂越弱,从而导电膜的耐拉伸性能越好。交角为150°的纤维导电膜在约22%的拉伸形变下,电阻增大幅度不高于100Ω,大约不到初始值的四倍,具有很好的可拉伸性能。但是当交角为180°,即拉伸方向垂直于纤维方向时,纤维间的相互连接减弱,使得导电膜的初始电阻增大,并且由于导电纤维之间接触点数量较少,从而耐拉伸性能减弱。该结果对于可拉伸导电膜的制备具有重要意义。
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