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電流體噴印過程中,墨水噴射沉積到基底表面依靠電場力驅(qū)動,電場的強(qiáng)度及穩(wěn)定性對打印效果起到?jīng)Q定作用,絕緣材料由于其介電特性會削弱電場,在電流體噴印電場作用時產(chǎn)生的絕緣表面電荷積累及液滴殘余電荷會進(jìn)一步削弱電場并造成電場畸變,這些嚴(yán)重影響電流體噴印的穩(wěn)定性。因此,如何增強(qiáng)電場并消除電場畸變是提高打印性能的關(guān)鍵。

等離子體處理輔助電流體噴印工藝原理

實驗發(fā)現(xiàn),在原始絕緣表面進(jìn)行電流體噴印時,墨水噴射極不穩(wěn)定,沉積呈炸裂或毛刺狀,而使用等離子體處理絕緣表面后,在同樣的打印條件下,墨水能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定噴射沉積,打印線條均勻無毛刺。

圖1-1 (a)等離子體處理前后PI表面電流體噴印時噴嘴狀態(tài);(b)處理前后PI表面打印圖案對 比;(c)處理前后陶瓷表面打印圖案對比。 

圖1-1(a)(b)展示了等離子體表面處理前后同樣打印參數(shù)下PI表面打印銀漿時的噴嘴噴射狀態(tài)及打印雪花圖案的圖像對比,圖1-1(c)是等離子體表面處理前后同樣打印參數(shù)下陶瓷表面打印的銀漿花朵圖案對比。

圖2-1 等離子體處理輔助電流體噴印工藝的原理示意圖:(a)處理前;(b)處理中;(c)處理后。 

根據(jù)上述,增強(qiáng)電場并消除電場畸變是提高打印性能的關(guān)鍵,為直觀展示等離子體表面處理在提高打印性能過程中的作用,繪制了原理示意圖如圖2-1所示。圖2-1(a)是絕緣表面原始狀態(tài)下進(jìn)行電流體噴印的示意圖,噴嘴施加直流電壓驅(qū)動墨水噴射,此時噴嘴前端會產(chǎn)生一定程度的尖端放電,空氣中電荷在電場驅(qū)動下到達(dá)絕緣表面,而沉積液滴中同樣攜帶大量電荷,原始絕緣表面電導(dǎo)率極低,且表面電荷陷阱中深陷阱較多,而淺陷阱較少,這導(dǎo)致表面電荷極易被電荷陷阱捕獲且難以耗散,造成絕緣表面電荷的大量不均勻聚集,這些電荷產(chǎn)生的電場與噴印驅(qū)動電場相排斥導(dǎo)致電場強(qiáng)度減弱甚至產(chǎn)生畸變,嚴(yán)重影響打印性能;圖2-1(b)是等離子體處理絕緣表面的示意圖,反應(yīng)離子刻蝕機(jī)的腔體中激發(fā)氧等離子體,活性反應(yīng)成分在偏壓下轟擊絕緣表面,活性成分與絕緣表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),等離子體刻蝕絕緣表面改變微觀形貌,并且向絕緣表面修飾大量活性基團(tuán),導(dǎo)致親水性的提高,這個過程中絕緣表面電導(dǎo)率大幅提高,表面深電荷陷阱減少,淺電荷陷阱增多,對電荷的束縛能力下降;圖2-1(c)是等離子體處理后絕緣表面電流體噴印的示意圖,噴嘴尖端放電產(chǎn)生的電荷到達(dá)絕緣表面時很難被陷阱束縛,而沉積液滴中攜帶的電荷也因為表面電導(dǎo)率的提高而迅速導(dǎo)走,并且由于電導(dǎo)率的提升及活性基團(tuán)的注入,電流體噴印電場中絕緣表面極化效果加強(qiáng)從而增強(qiáng)電場,最終電流體噴印的性能大幅提高。

綜上所述：等離子體處理絕緣表面改變表面微觀形貌并修飾了大量含氧官能團(tuán),導(dǎo)致表面親水性的提高;同時等離子體表面改性還使得表面電導(dǎo)率大幅提升,深電荷陷阱減少,淺電荷陷阱增多,絕緣表面對電荷的束縛能力下降,抑制了絕緣表面電荷積累,使得沉積液滴所殘余電荷迅速耗散;電導(dǎo)率的提升及含氧官能團(tuán)的注入加強(qiáng)了表面極化,從而穩(wěn)定增強(qiáng)空間電場,最終大幅提升電流體噴印的穩(wěn)定性。