MicroFab Inkjet发生微小液滴的探索系列（二）——Positive Purdue波形介绍
通常，用按需打印头产生的液滴的半径与喷射它们的喷嘴的半径大致相同。往往减小液滴体积的可靠方法是减小孔口的尺寸。然而，通过缩小孔口的尺寸，喷头堵塞的问题变得更加严重。因此，对发生微小液滴不同方法的需求一直在增加。按需打印的喷墨系统（能够喷射出液滴半径小于孔口半径）是目前发生微小液滴降低成本的 佳方式。
喷射滴的过程不是一个简单的过程，因为按需滴系统喷射小的和单分散的微滴的发生是所有可能液滴发生的一个非常小的子集。这些液滴发生必须通过反复试验和错误来调整（通常是经验性的），才能进行适当的按需打印。MicroFab JetDrive™提供三种波形，因此为不同的波形设置提供了多种可能性。
MicroFab的压电式Inkjet在摸索发生微小液滴方面已经有很多经验，并总结了Inkjet喷头发生微小液滴的一些规律。通过测试了多种类型的波形，发现发生微小液滴的波形种类，例如Positive Purdue波形，Negative Purdue波形，Sakai波形等其他波形。
本文主要介绍在使用MicroFab压电式inkjet时，利用Sakai波形等其他波形方面探索发生微小液滴的方法。
2.1 液滴发生原理
Positive Purdue波形（图2.1）的液滴发生原理。总共分为三个步：Step1：膨胀（正电压），Step2：快速压缩（负电压），Step3：快速膨胀（正电压）Step1 和 Step2 中的 dwell time1和 dwell time2，主要作用是保准 Inkjet 能够将喷头内部溶液可以沿着流道方向高速流动。具体的表现是从喷嘴口挤出一部分溶液在喷嘴口（类似锥形），在此称为液体锥（如图2.2a）。Step3 中的 dwell time3 的快速膨胀使得挤出喷嘴口的溶液迅速回收到喷嘴中，在此过程中由于速度梯度增加（并且改变了速度方向），（基于惯性）迫使液体锥前端的液体脱离主体，形成一个小的微滴（图2.2b）。
▲ 图2.1 Positive Purdue 波形 
▲ 图2.2a 液体锥 ▲ 图2.2b 微小液滴
然而，该模型是基于向喷嘴外挤溶液和向喷嘴内吸溶液而引起的惯性效应。此处描述了液体发生过程的力学性质，而不代表在喷射设备中发生的复杂的声学效应。Purdue 波形在其他粘度和流体上的应用还没有取得令人满意的结果，但在这一领域的研究仍在继续。
2.2 第二段波形截面变化的影响
根据 Purdue 大学的实验，第一批次实验所用溶液是水和甘油混合物。并发现发生液滴效果 好的溶液样品是20%甘油（η≈2mPas）。2-methyl-1-propanol（异丁醇）在液滴发生方面的综合效果 好。水也可以产生小的微滴，但水会在喷嘴口处堆积影响液体锥的形成从而影响液滴发生。因此，水的结果是非常不稳定的。并且挥发性强的溶剂或快速干燥的液体的实验效果也不理想。然而，具体结论还需要进一步的研究来评估。Positive Purdue 波形的第二段波形可以理解为一个单级方波，它是由第二个 dwell time（t4）和相邻的 rise time（t3）和 fall time（t5）组成。这段波形是产生液体锥的主要因素，并且这段波形的积分的值是给 Inkjet 系统的能量值。通过假设一个声学模型，这些能量会产生一个强度一致的压力波。在实验过程中，一般会将 rise time（t3）和 fall time（t5）设置为固定的参数（1µs、2µs或3µs）。然而，最终的升降时间总是受到 JetDriver 的电容量的限制（见2.3）。通过多个 MicroFab 的 Inkjet（60µm孔径）进行实验，实验结果一致性较高。实验结果：dwell time（t4）越大，Purde 波形第二段的输入能量值越大，从而液体锥振荡振幅更高（更混乱）即可产生一个更大的微小液滴（或喷射）。此外，此微小液滴的速度和液滴直径也会有所增加。
图2.3 a-e显示了增加 dewell time（t4）的情况下，液滴发生过程变化的情况。液体发生其他参数的设置见图2.3的数据表。1) Inkjet（B0-48-01）的 dwell time（t4）控制在5µs至7µs之间时，液滴发生情况相似；2) 将溶液换成异丁醇之后也得到了类似的结果，但 dwell time（t4）比甘油和水混合物要小，在t4=7µs就会出现卫星液滴或喷射两滴的情况发生。也发现增加 dwell time（t4），液滴下降速度和液滴直径略有增加。3) 通过增加 dwell time（t2和t6），可以进一步提高液滴下降速度。
▲ 图2.3 编号为 B0-48-01 喷头的第二 dewell time 变化和峰值电压轻微漂移
▲ 图2.4a
dwell time t4 = 4µs时，可以形成液体锥，但液体锥中心的流体速度不够高，液体锥前端的液体不足以脱离主体，从而不能发生卫星液滴。
▲ 图2.4b
dwell time t4 = 5µs时，可以喷射微小液滴，并且喷射之后，在喷嘴口剩余的溶液会发生低频振动。
（液滴直径=30μm，液滴速度 = 2.6m/s）
▲ 图2.4c
dwell time t4 = 6µs时，可以喷射微小液滴，并且喷射小液滴之后，在喷嘴口剩余的溶液会发生振动，小液滴发生之后会跟着一个液柱。
（第一颗液滴直径=35μm，液滴速度 = 3.1m/s）
▲ 图2.4d
dwell time t4 = 7µs时，可以喷射微小液滴，并且喷射之后，在喷嘴口剩余的溶液会发生高频振动，形成液滴状态不稳定的状态。
（第一颗液滴直径=35μm，液滴速度 = 3.1m/s）
▲ 图2.4e
dwell time t4 = 8µs时，不能产生液滴，并且喷嘴口呈现不稳定的液滴分配情况。
2.3 第一段和第三段波形截面变化的影响
第一段和第三段 dwell time（t2和t6）的改变会改变喷嘴口液体锥的振荡情况。通过保证第一段和第三段 Dwell Time 保持相等，从而提供一个对称的波形和控制影响液体变化因素的数量。Rise Time 和 Fall time（t1，t3，t5, t7）设置为1µs到3µs，并设置为固定参数以便进一步观察。 当用 Inkjet（B0-48-01）喷射25%的甘油和水混合物时，Positive Purdue波形的 dwell time（t2，t6）低于12µs时，不能发生液滴。dwell time（t2，t6）超过17µs时，喷嘴口溶液的振荡增加，会产生卫星液滴。dwell time（t2，t6）在20µs以上，不能形成稳定液滴。 如图1.5所示，增加dwell time（t2，t6），液滴下降速度会增加。与此同时，产生卫星液滴的可能性也会增加。Inkjet（B0-48-04）在dwell time（t2, t6）从13µs到18µs变化时，液滴发生出现类似的情况（当t2,6≈14µs时，系统会产生 稳定的小液滴）。
▲ 图2.5 第一段和第三段的Dwell Time和液滴速度的关系图
2.4 频率变化对于液滴的影响
当溶液在其他液滴参数都相同的情况下，通过改变频率探究频率变化对于液滴发生的影响。实验的频率在f=2Hz到f=4000Hz之间变化，每次频率的变化量为∆f=100Hz。当液滴发生频率变化时，发现产生液滴的质量也会随之变化，具体的变化关系图见图2.6和图2.7所示。在f=1700Hz和f=2000Hz之间时，两种测试溶液都表现液滴发生不稳定的情况。此外，图1.6和图1.7也证实了异丁醇比甘油和水混合物更容易产生微小液滴。通过这两幅图都表现出在低频情况下，没有液滴发生或者只能产生卫星液滴。1-发生有卫星液滴或者会出现同时产生两颗液滴（在同一行的情况）2-发生稳定性较差的液滴，当压力变化或启停对液滴状态变化影响较大，并且偶尔有卫星
（溶液：25wt%的甘油和水的混合液，喷头：B0-48-01）
测试溶液图2.6 液滴发生频率与发生液滴质量的关系图
3.1 所使用的试验溶液
在测试中使用以下液体，并以各种波形喷射，以实现小微滴喷射：
3.2 甘油和水混合物的粘度
流体的粘度对滴产生过程有重要影响。根据 Purdue 大学的科学家们的描述，甘油在水中的浓度对液滴发生的波形影响很大。甘油和水混合物粘度的变化是在η=2mpa和η=8mpa之间，随着甘油重量比例的增加，如图3.1所示。
▲ 图3.1 甘油在水中的比重和粘度关系图
3.3 2-Methyl-1-Propanol （异丁醇）粘度
检测显示：99.9%2-methyl-1-propanol（异丁醇）的粘度为η≈4.5mPas（室温=23.8°C）。这粘度在在甘油和水的混合物的粘度范围内。为了观察喷出的液滴在底物上的点，异丁醇用3wt% ABFX-1染色，这是一种含有 Rhodamin B 的水基染料。3wt%的染料将粘度降低至η≈4.2mPas（室温=23.8°C）。虽然，这种对流体的修改对液滴发生过程没有什么的影响。
4.1 正Purdue波, Inkjet（B6-86-03）
4.2 正Purdue波, Inkjet（B6-86-03）
4.3 正Purdue波, Inkjet（B6-86-03）
4.4 正Purdue波, Inkjet（B6-31-19）
4.5 正Purdue波, Inkjet（B0-48-01） 
资料来源：美国MicroFab公司 ________________________________________________________________________________________________________________
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