应用 | 影响喷墨打印质量的重要参数 - 润湿性

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分享： 2024/06/07 09:18:13

研究背景

全反应式喷墨打印（Full Reactive Inkjet Printing, FRIJP）是采用喷墨打印机将一种或多种反应物喷到基材上，利用它们之间产生物理或化学反应以原位形成产物的一种技术。聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）是一种因其低成本、好的生物相容性和高的光学透明度而被广泛应用的硅酮弹性体。首次利用FRIJP成功将聚二甲基硅氧烷（PDMS）油墨打印出复杂的三维几何图形。通过使用制备的基底，可以显著提高PDMS的打印精度，打印的特征分辨率可以高达48 ± 2µm（X，Y）。

材料和方法

一种市售的两组分硅酮（PolytekPlatSil71-Silliglass）被用作活性油墨的基础。PDMS油墨的两部分分别称为A（含氢化物）和B（含催化剂），反应结果如图1所示。该配方由A与B的比例为1：1（重量）组成，其中硅酮在铂催化剂的存在下发生交联。该反应不受氧气或水分的抑制，因此可以在没有控制气氛的情况下进行。

图1-PDMS在铂催化剂存在下的交联反应，硅酮氢化物键Si-H被一个额外的Si-C键取代。标记的是PDMS配方中每个组分中的化合物。

用于打印的Dimatix材料打印头（DMP）（Dimatix，Fujifilm）的建议操作范围分别为粘度10-12 mPa.s和表面张力28-33 mN/m，但打印头可使用高达30 mPa.s粘度和70mN/m的表面张力。使用醋酸辛酯（octyl acetate, OA)(SigmaAldric; O5500)作为粘度改性剂。喷墨打印的一个重要因素，同时也影响墨滴如何在基材形成，这就是油墨的表面张力。通过液滴形状分析仪（KRUSS DSA 100）悬滴法测试墨水的表面张力，同时用座滴法测试了制备的PDMS油墨与基底的接触角。

图2 DSA100 液滴形状分析仪

结果与讨论

PDMS组分、溶剂和最终油墨的粘度和表面张力值见表1。

表1-油墨、溶剂和溶液的性质。通过使用无反应的稀释剂和打印头加热；达到了可打印范围内的粘度（<30 mPa.s）。

采用三种材料基底物质，标准玻片、聚四氟乙烯和用1%1H、1H、2H、2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（PFOTS）对玻璃片进行化学改性，接触角的结果如表2所示。结果表明，玻璃表面被聚四氟乙烯和PFOTS处理后的接触角都高于玻璃。对固化后的PDMS的接触角进行了分析，显示出比PTFE和PFOTS的基底上更好的润湿性。

表2-座滴法测试（KRÜSS DSA100）墨水A在不同衬底上的接触角。

当使用成型技术时，PDMS能够在大多数材料表面上铺展，但对于喷墨打印，会降低特征分辨率。通过对比三种材料基板；玻璃、聚四氟乙烯涂层玻璃和PFOTS涂层玻璃的接触角，来分析油墨在基板上的打印分辨率。从接触角和打印网络测试结果结合来看，油墨在未经处理的玻璃表面完全铺展开，液滴尺寸达到了150μm，同时玻璃表面的接触角也是最小的。PFOTS涂层玻璃和聚四氟乙烯涂层玻璃的液滴尺寸相似，分别为48 ± 2µm和64 ± 2µm。油墨在PFOTS涂层玻璃上的接触角最大，使得PFOTS涂层玻璃上的液滴能够更小、更圆，因此使用PFOTS衬底可以获得最好的特征分辨率。