一种利用结构诱导法制备纳米尺度电射流喷针的方法与流程

本发明涉及3d打印机喷针制备，特别是涉及一种利用结构诱导法制备材料为pdms的纳米尺度电射流喷针。

背景技术：

主流的3d打印方法有熔融沉积快速成型、光固化成型、三维粉末粘接、选择性激光烧结、分成实体制造和双分子聚合方法。目前只有双分子聚合能够打印出亚微米结构，但是双分子聚合设备极其昂贵，并且双分子聚合能所使用的材料只能为光固化材料，因此双分子聚合3d打印方法很难得到普及。

电射流打印通常用于二维亚微米/纳米结构打印，它是利用液体在电场力、重力、表面张力等多物理场作用下，在打印喷针出口处形成比喷针内径小数倍射流，利用此射流在常温常压下直接打印出所需要的图形。近年来该方法在电子晶体管，忆阻器，微纳传感器，生物材料与结构制备方面展现了突出优势，电射流打印已经被世界各国研究人员所关注。理论上，只要快速打印结构内部的液体，电射流打印亦能够实现三维纳米结构的打印。这一观点已经被韩国蔚山国立科技研究所的科研人员所证实。

利用电射流技术打印三维纳米结构，其中的难点在于如何制作出纳米尺度电射流喷针。因为喷针的尺寸决定了射流直径，从而影响打印出来的图形尺寸。另外纳米尺度电射流喷针在使用过程中，难以清理喷针内孔，使用一段时间后，纳米喷针容易堵塞。此时唯一的方法就是更换纳米喷针。以上表明，必须制作出低成本纳米尺度电射流喷针。传统的纳米尺度电射流喷针制造工艺十分复杂、成本高、依赖于昂贵的设备。目前纳米尺度电射流喷针制造仍然是制约纳米尺度电射流3d打印的主要因素。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，针对以往传统方法制备纳米尺度电射流喷针成本高、工艺复杂等问题，提出一种利用结构诱导法制备纳米尺度电射流喷针的全新方法。

本发明提供的一种利用pmma二维沟道作为诱导图形，通过旋涂pdms的方法，一步制作出电射流喷针纳米通道的方法，整个喷针制造包括以下步骤：

1.带有纳米尺度电射流喷针诱导图形的pmma基底制造

在pmma塑料基板上压印出宽度和深度约500纳米的纳米沟道，制造出纳米尺度电射流喷针诱导图形(以下简称纳米结构诱导图形)。对带有纳米结构诱导图形的pmma塑料基板进行三甲基氯硅烷处理。

2.pdms甩胶制备电射流喷针纳米通道

将步骤1中得到的带有纳米结构诱导图形的pmma基板置于甩胶机托盘上，将固化剂比例为5:1的pdms旋涂至pmma基板上。旋涂后，可在纳米结构诱导图形区域形成深宽约60纳米的通道，将pdms固化，制造出电射流喷针纳米通道。

3.纳米尺度电射流喷针封装

将步骤2得到的固化后带有喷针纳米通道的pdms，与另外一片厚度为1毫米的pdms基板进行键合，形成纳米尺度电射流喷针基板。将喷针基板与pmma基板分离并打孔，形成纳米尺度喷针储液池。将打孔后的喷针基板与另外一片厚度为0.5毫米的pdms基板进行键合并切割后，形成最终的纳米尺度电射流喷针。

本发明与现有电射流打印喷针制作方法相比，其优势在于制备工艺极其简单，成本极地低，成品率高，不依赖于需昂贵设备，制备方法便于操作，pdms本身为高疏水材料，制造出的喷针无需表面处理。

附图说明

图1是纳米尺度电射流喷针制作流程示意图。

图2是纳米尺度电射流喷针结构图。

图中：1pmma塑料基板；2纳米尺度电射流喷针诱导图形；3旋涂后的pdms；4电射流喷针纳米通道；5厚度为1毫米的pdms基板；6纳米尺度电射流喷针储液池；7厚度为0.5毫米的pdms基板；

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明专利的具体实施方式。

1.带有纳米尺度电射流喷针诱导图形的pmma基底制造

(1)利用激光切割，切出一块4×5厘米的pmma塑料基板1。清洗并烘干后，如图1a所示利用热压，在其上压印出宽度和深度约500纳米的纳米沟道，制造出喷针纳米结构诱导图形2。热压的参数为：热压温度为150～200摄氏度，热压压力为1.5～2兆帕，热压时间为15～20分钟。

(2)将热压后带有纳米结构诱导图形的pmma基板至于干燥塔内。干燥塔内部放入三甲基氯硅烷，蒸发5～10分钟，使带有纳米结构诱导图形的pmma基底上覆盖一层十几纳米的三甲基氯硅烷，保证pmma基底具有高疏水性，从而确保pdms脱模过程中纳米结构不被损坏。

2.pdms甩胶制备电射流喷针纳米通道

(1)将步骤1中得到的带有纳米结构诱导图形的pmma基板置于甩胶机托盘上，pmma基板中心与托盘圆心距离5厘米，并保证pmma基板上纳米诱导图形线条与托盘-基板中心连线垂直。否则在pdms甩胶过程中，pdms流动不均匀，造成纳米尺度电射流喷针纳米通道尺寸均匀性差。

(2)将pdms(固化剂比例5:1)滴在pmma基板靠近托盘圆心的位置，滴液量约2毫升。启动甩胶机，旋涂一层约2微米厚的pdms。甩胶参数为：转速3000～3500转每分钟，甩胶时间为10～15秒。如图1b所示，pdms3旋涂后，可在pmma基板上纳米结构诱导图形区域形成深宽约60纳米的通道4，即形成电射流喷针纳米通道。

(3)将旋涂pdms后的pmma基板在水平热板上迅速固化，防止pdms重新流动造成电射流喷针纳米通道变形。固化温度为300～350摄氏度，固化时间为3～5分钟。

3.纳米尺度电射流喷针封装

(1)如图1c所示，将步骤2得到的固化后带有喷针纳米通道的pdms，与另外一片厚度为1毫米的pdms基板5进行键合，形成纳米尺度电射流喷针基板。键合前，需要对这两片pdms进行氧等离子体处理，以提高键合强度。氧等离子体处理功率为10～15瓦，真空度为55～60帕，处理时间为45～50分钟。

(2)如图1d所示，将纳米尺度电射流喷针基板与pmma基板分离，然后在带有喷针纳米通道的一侧进行打孔，以防止纳米通道堵塞，形成储液池6。如图1e所示，将打孔后的纳米尺度电射流喷针基板与另外一片厚度为0.5毫米的pdms基板7进行键合。键合参数与上步pdms键合参数相同。

(3)对键合后的喷针pdms基板进行切割，形成纳米尺度电射流喷针，如图2所示。

凡是利用本发明及附图内容的等效方法，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

技术总结
本发明涉及3D打印机喷针制备，特别是涉及一种利用结构诱导法制备纳米尺度电射流喷针的方法。本发采用PMMA二维沟道作为诱导图形，通过旋涂PDMS方法，一步制作出电射流喷针纳米通道，制造后的纳米通道深宽约60纳米。整个喷针制造共包含三个步骤。即：带有纳米尺度电射流喷针诱导图形的PMMA基底制造；PDMS甩胶制备电射流喷针纳米通道；纳米尺度电射流喷针封装。

技术研发人员：殷志富;姜新岩;王维航;于腾飞
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2018.08.14
技术公布日：2019.01.04