材料沉积喷墨打印及
涂层系统解决方案

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关于Inkjet喷墨打印质量的影响因素及对其改进的探讨

尽管MicroFab的Jetlab系列纳米材料沉积喷墨打印系统拥有均一稳定(CV<1%)的喷墨系统以及微米级的运动控制平台,可在实际打印过程中,为了获得高质量的打印特征,须考虑从墨水的行为、液滴形成的质量到墨水与基材之间的相互作用结束的多种因素。

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 墨水对液滴形成的影响


在Inkjet喷墨打印过程中,液滴形成的墨水行为和质量是获得优质印刷品的 重要方面。液滴生成须使得每个脉冲产生一个液滴。


墨水的选择


选择具有较高沸点、较快速度的溶液/溶剂,如果有溶解的固体,降低浓度可以提高液滴的产生。一般来说,具有高分子量溶解固体的低沸点载体/溶剂会产生重新启动的问题。溶液配方是喷墨工艺开发的一个非常重要的部分,因为它须满足墨水的要求,以提供功能来允许在基底上创建所需的特征。

墨水的重新配方


从分配的角度来看,挥发性较低的溶剂有利于溶液,因为它们降低了孔口的干燥效果。如果需要挥发性溶剂来溶解感兴趣的材料,则可以使用挥发性较低的助溶剂来减缓蒸发。然而,一旦溶液在基材上,这些溶剂可能会产生不良的影响,例如液体的积聚和池化。另一方面,挥发性溶剂可能导致沉积和干燥后的点出现“咖啡环”或“鱼鳞”外观。应选择溶剂系统以优化孔口处和基材上的所需行为。


溶液中固体的数量和类型也很重要。即使在低浓度下,某些材料,如聚合物和蛋白质,也会显著地改变溶液的性质。具有高分子和链状结构的材料往往使溶液是非牛顿量的。非牛顿流体可能会导致流体在破裂之前在孔外延伸更长的时间,并且在足够高的浓度下,可以防止流体破裂成液滴。解决方法是降低溶液中固体的浓度。即使在这种情况下,液滴的形成也可能表现出很长的尾巴,会破裂成小卫星液滴。


低粘度也可能是一个问题,因为它会在液滴生成期间导致卫星液滴。添加剂可用于增加粘度并通过衰减残余声波来消除卫星液滴。较高的粘度也可以通过减少基体的扩散来改变水滴的行为,添加剂(表面活性剂)可以加入到溶液中,以降低高表面张力。并不是所有的表面活性剂在液滴产生的时间尺度上都有效。过量的表面活性剂会使溶液更容易捕获空气(发泡)。表面张力调整也会改变液滴的形成,并在影响基底(更扩散)时影响液滴的行为。尽管有许多因素需要考虑,但一个考虑所有流体需求的解决方案是可能的。由于其复杂性,解决方案的开发通常是一个迭代的过程,因为它必须与基底和实际的涂层工艺一起完成。


2
 液滴与基材之间的相互作用 & 与先前沉积的液滴的相互作用


一旦墨水形成一定大小和速度的液滴,打印特征的外观仅由液滴和基材的相互作用决定。


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▲ 图1 同样的墨水在两种纸张上的作用,说明了流体与承印物相互作用的影响


图1说明了墨水的最终分布取决于与基材的相互作用这一事实。

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▲ 图2 同一张纸上的两种墨水。底部的墨水会产生卫星,导致打印质量差


相比之下,图2在同一张纸上显示了两种不同的墨水。在第二种情况下,打印质量差(底部)主要是墨水造成的,主要是因为卫星液滴没有落在主液滴内。


单滴或多滴沉积在一个位置


当一个或多个液滴沉积在均匀基材上的一个位置时,液体达到近似球形截面的初始平衡形状(蒸发之前)。应针对每个应用评估此基本特征,以确定 小间距(离散点)或重叠范围(线或区域覆盖)。如果存在基材不均匀性,例如润湿(通常由平衡接触角描述)和表面形貌(污染、划痕、几何形状或其他基材功能的物理特征)的差异,则基材上打印的点可能不会呈球形/圆形。这样的例子如图3所示,其中基板的不均匀性由机械加工产生的微槽组成。打印后立即可见打印的点的拉长(沿加工方向)形状(左)。如果等待的时间更长,则材料有更多的时间流动,并且打印的点会沿着加工方向进一步扩散(右)。


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▲ 图3 粘合剂沉积在加工表面上。左:打印后立即拍摄的图像;右图:打印后约1分钟拍摄的图像


对于具有 低(优先润湿)或 高(“四处走动”)接触角的表面,非均匀性影响更为显着。在某些情况下,物理特征用于限制和定义流体在基材上扩散的区域。


打印的点的尺寸,其主要驱动因素是液滴直径。落在均匀基材上的液滴的扩散受流体-基材相互作用和液滴动能(液滴体积/直径和速度)的影响。基材上打印的点的最终尺寸和外观还取决于溶液配方和基材温度。


在大多数情况下,流体由溶解或悬浮在溶剂系统中的固体(生物分子、聚合物、颗粒、细胞等)组成。 它们在溶剂蒸发后的最终分布是蒸发过程中溶剂组合和固体对流的函数。 在某些情况下,该点表现出“咖啡环效应”,其中更厚或更浓缩的材料出现在更靠近圆周的位置。 通过调整溶剂系统,可以 大限度地减少这种影响。


3
 常见打印问题及其原因

Q为什么打印的点不圆?

A: 常见的原因是基材不均匀。另一种可能性是由不遵循主液滴轨迹或具有随时间变化的轨迹的卫星液滴引起的。如果这些点是飞行打印的(这意味着它们是单滴点),即使卫星液滴与主液滴具有相同的轨迹,卫星液滴也可能降落在主液滴覆盖的区域之外。当卫星液滴比主液滴下降慢时就是这种情况。这将导致梨形斑点。


Q为什么打印的线条不平滑?

A:可能的原因包括:单个打印的点/液滴之间的距离仍然太远,并且线条仍然显示打印的点的圆形部分。可尝试更小的间距。个别打印的点/液滴彼此太靠近导致凸起。可尝试更大的间距。


Q为什么打印的图案外观不均匀?

A:原位打印和飞行打印的可能原因是:基材不均匀(污染、润湿、微观特征等)。



资料来源:美国MicroFab公司

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