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          加拿大女王大學劉國軍教授團隊:圖案化電紡絲織物在絹印和多領域的應用

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          加拿大女王大學劉國軍教授團隊:圖案化電紡絲織物在絹印和多領域的應用

          發布日期:2018-10-26 作者: 點擊:

          轉載自中國聚合物網

          絹?。⊿creen Printing),又稱孔版印刷、網版印刷、絲網印刷等,是一種古老但仍然廣泛應用的印刷技術。傳統的絹印,分為制版和印刷兩部。制版過程是在以絲或尼龍織成網屏(screen)的四方框架上,以手工繪畫或感光方法,用光敏乳膠(emulsion)把印紋以外的網目完全封閉,而形成鏤空的孔版。印刷時,印墨(ink)受刮刀(squeegee)的刮壓,就會通過印紋部分的綱目而到達被印物上。







          圖一:絹印步驟示意圖(上),絹印刮壓過程(中),常見絹印印刷品(下)

          絹印原理簡明成本低廉,制版容易,印刷速度較快,且設備和印刷物可大可小,但是印刷品的分辨率不高。曾被廣泛用于印刷電影海報、商品包裝等,至今仍然在個性體恤衫制作、藝術版畫等領域占有很重要的位置。

          除了這些視覺領域,由于絹印的許多優秀特點,近些年來科研和工業界一直嘗試將其改良,提高其分辨率,以便用于更多生產領域,諸如印刷電路板(PCB)。根據絹印的原理,其能達到的最大的分辨率不可超過所用絲網的目數(mesh number),同時也受到感光模板、光敏乳膠、印墨和被印物的限制。

          為了改進絹印技術,加拿大女王大學劉國軍教授團隊提出的設計思路,包括其中兩個環節的改進:

          1. 選用親水性的超精細電紡絲織物(~200 納米)作為“絲網”,絲與絲交疊形成的空隙平均約5微米,遠小于目前商用絲網的孔徑。

          2. 用含有光交聯和疏水成分的納米尺寸的高分子膠束(~20 納米)代替“感光乳液”。

          圖二:劉國軍教授團隊使用電紡絲織物和納米膠束改良絹印技術示意圖。

          首先,將含有環氧基團的聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGMA)和交聯劑作為前驅物,用電紡絲的手段紡成織物 (mat)(圖二 1)。這樣的織物在熱交聯后表面富含羥基,非常親水。同時,將聚二甲基硅氧烷(PDMS)和含肉桂酸成分的聚丙烯酸(PCEA)共聚物,在溶液中自組裝成納米膠束。

          然后,將納米膠束附著于織物絲表面,形成單分子刷狀層(圖二 3),并在激光打印的光交聯模板(mask)遮擋下使用UV光交聯(圖二 4)。模板上無色的區域被UV光透過,將PCEA交聯,PDMS就被固定在織物表面,形成超疏水的區域。而模板上黑色圖案的區域,UV無法通過,被遮蓋的區域未被交聯。上面的疏水共聚物將被溶劑洗去(圖二 5),最終變成親水的圖案。這樣經過處理過的電紡絲織物就形成制版完成的“絲網”。

          最后,只需將水性印墨置于“絲網”上,便可見親水/疏水的區域形成的圖案(圖二 5,圖三)。而此圖案最終被印制在紙張上(圖二 6)。

          圖三:具有的兩面神(Janus)結構的電紡絲織物制成的超精細“絲網”,其正面形成親水/疏水圖案,背面親水作為墨水的供體。

          所得到結果顯而易見。在激光打印機打印出的光交聯模板(圖四 a)向“絲網”制版的過程中,幾乎沒有清晰度損失。所制出的“絲網”版精確還原了模板的細節,包括打印機在10號字體“i”字母頂部的打印缺陷也原樣重現(圖四 b)。而重現此處缺陷,所需的分辨率小于30微米。而從下至上的字體分別為10、7.5、5、4號字,也都在“絲網”精確重現。將文字印刷到普通打印紙后(圖四 c),所印圖案雖有細節損失,但依然清晰可見。所損失的細節主要來自于未優化的印墨和紙張的粗糙度。與此作為對比的,傳統絹印技術印制的圖案(圖四d)在10號字體處尚可辨認,小于5號的字體也幾乎無法辨認。

          圖四:所用的光交聯模板(a,e),本工作中制作的高清晰“絲網”制版(b,f),本工作中在紙面印制的圖案(c),使用傳統絹印印制的圖案(d)

          除了印刷可視圖案,他們也嘗試了使用該技術印刷水性導電墨水。所采用的墨水是10納米左右的銀納米粒子,在打印紙上印出設計出的電路圖案(圖五b)。另一方面,電紡絲織物本身也可以作為柔性電路板的載體。在制版后,直接將商用的炭黑基水性導電墨水(Bare Electric Paint)稀釋后,裝載到電紡絲“絲網”上,可組裝出驅動LED發光的電路(圖五 c)。他們團隊認為這樣的技術和設計思路,或可運用到目前熱門的柔性電路、可穿戴設備中,因為這樣的“絲網”本身也是可穿戴的無紡織物。

          圖五: 電紡絲“絲網”用于導電油墨的印刷(a,b),柔性電路(c),和微流體診斷(d,e)

          除此之外,他們也在電紡絲織物上,制成具有微流體性能的圖案。他們用pH指示劑和銀鏡反應(圖五d e)證明了這樣的性能。并指出該項技術除了用于改良絹印技術,也具有在微流體、診斷等領域的開發潛力。

          這一研究,利用光交聯技術和疏水納米膠束,在超精細的電紡絲織物上形成高分辨的圖案。這樣的織物具有多方面的應用前景:可用于提高絹印技術的分辨率、可印刷導電墨水、可制作柔性電路和微流體器件。相關工作發表于Journal of Materials Chemistry C (DOI: 10.1039/C7TC05197B)。其部分前期工作發表于Journal of Materials Chemistry A (DOI:10.1039/C4TA00714J)。

           

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