王望+蘇文華

反應(yīng)噴墨打印與噴墨打印的區(qū)別

噴墨式印刷是一種數(shù)字式非接觸印刷技術(shù)，將小墨滴從直徑為數(shù)十微米的噴嘴噴出，以每秒數(shù)千滴的速度沉積在載體上。根據(jù)墨滴產(chǎn)生的物理過(guò)程可以把噴墨打印技術(shù)大致分為兩大類(lèi)型——連續(xù)式噴墨打印和按需噴墨打印。連續(xù)式噴墨打印是連續(xù)的液體在表面張力的作用下形成墨滴從噴嘴噴射。在打印機(jī)中，墨水被一個(gè)高壓力泵控制，用一個(gè)壓電晶體搖動(dòng)這個(gè)噴嘴，從而產(chǎn)生連續(xù)的墨滴。按照墨滴的偏轉(zhuǎn)方法，還可將其分為4種（見(jiàn)圖1）。按需噴墨打印是指設(shè)備只在承印材料需要覆蓋油墨時(shí)才噴出墨底的噴墨打印方法，由于一般通過(guò)電脈沖信號(hào)來(lái)控制墨滴的生長(zhǎng)和噴射，因此也叫脈沖噴墨。一個(gè)按滴型打印機(jī)印刷頭通常包含多個(gè)噴頭。常用的按滴噴型噴墨打印有熱噴墨打印、壓電式打印、靜電打印、聲波打印機(jī)和閥噴墨打印（見(jiàn)圖1）。噴墨印刷技術(shù)的直接沉積技術(shù)能夠直接在PCB基板上制造電路，介電層、金屬、有機(jī)半導(dǎo)體等也都可被直接印刷出來(lái)。

在過(guò)去20多年，噴墨打印技術(shù)作為精密微型點(diǎn)膠工具已經(jīng)有了巨大發(fā)展。由于油墨低黏度的要求，傳統(tǒng)噴墨打印主要應(yīng)用于二維圖案或結(jié)構(gòu)的制造。印刷材料需要用溶劑稀釋以促進(jìn)印刷，而該溶劑還需印刷后迅速蒸發(fā)。如果不仔細(xì)控制，該溶劑可誘發(fā)一些問(wèn)題，例如油墨凝固或空氣污染，這通常需要額外復(fù)雜的清潔處理。為了避免這些問(wèn)題，在一些應(yīng)用中使用低黏度的分子代替溶劑用于直接噴墨印刷的油墨中，打印后，液滴會(huì)在催化劑、加熱或高能輻射的引發(fā)下迅速固化，如紫外光（UV）。這種打印技術(shù)被稱(chēng)為反應(yīng)噴墨印刷。簡(jiǎn)單地理解，反應(yīng)噴墨打?。≧IJ）技術(shù)就是采用噴墨打印機(jī)在基底上打印功能材料墨水，通過(guò)墨水在基底上或與基底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到所需要的圖案。可將其分為兩類(lèi)：一類(lèi)是單一反應(yīng)噴墨打印，是先采用其他的薄膜沉積技術(shù)制備一層物質(zhì)，然后采用噴墨打印機(jī)沉積另一層物質(zhì)，兩種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，得到所需要的圖案或圖形。另一類(lèi)是全反應(yīng)噴墨打印，采用噴墨打印機(jī)依次沉積至少兩種墨水，墨滴落在基底同一位置，互相反應(yīng)得到所需要的物質(zhì)。適合反應(yīng)噴墨打印的墨水通常需要符合一些特定的要求，如墨水的溶劑與打印頭需具有較好的化學(xué)相容性、墨水與基底之間需具有較好的界面相容性和黏附性、墨水需具有較好的穩(wěn)定性等。

反應(yīng)噴墨打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

反應(yīng)噴墨打印技術(shù)目前主要應(yīng)用于功能材料領(lǐng)域，包括金屬材料的應(yīng)用、無(wú)機(jī)材料的應(yīng)用和高分子材料的應(yīng)用。

具有高精度和高導(dǎo)電性的金屬圖案化結(jié)構(gòu)是多種電子器件不可或缺的重要組成部分，制備納米金屬導(dǎo)電線路比較成熟的技術(shù)一般是通過(guò)噴墨打印技術(shù)或燒結(jié)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。燒結(jié)技術(shù)因其工藝簡(jiǎn)易，操作方便，采用簡(jiǎn)單的加熱處理印制涂層，是目前已報(bào)道的文獻(xiàn)和商業(yè)化的金屬基納米顆粒導(dǎo)電墨水中最常用的方式。而近幾年，國(guó)外學(xué)者已經(jīng)成功用反應(yīng)噴墨打印技術(shù)（單一反應(yīng)噴墨打印或全反應(yīng)噴墨打?。﹣?lái)制作導(dǎo)線，并取得了顯著成果，其主要成分為銀和銅納米顆粒的導(dǎo)電油墨已經(jīng)得到了商業(yè)應(yīng)用，因?yàn)榉磻?yīng)噴墨打印通常不需要燒結(jié)或者在較低溫度下燒結(jié)就可以使金屬圖案導(dǎo)電，這為在柔性基底上制備材料提供了可行性。從這個(gè)角度來(lái)看，反應(yīng)噴墨打印也可視為一種燒結(jié)技術(shù)，用來(lái)制備低電阻率的金屬導(dǎo)線。燒結(jié)是固態(tài)中分子（或原子）間互相吸引，通過(guò)加熱使質(zhì)點(diǎn)獲得足夠的能量進(jìn)行遷移，使粉末體產(chǎn)生顆粒黏結(jié)，產(chǎn)生強(qiáng)度并導(dǎo)致致密化和再結(jié)晶的過(guò)程。隨后又出現(xiàn)了反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)，它是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)以完成規(guī)定成分的合成，同時(shí)實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)的一種新工藝，是一種很有潛力的反應(yīng)制備技術(shù)。通過(guò)添加物的作用，使反應(yīng)與燒結(jié)同時(shí)進(jìn)行的一種燒結(jié)方法。朱拉隆功大學(xué)研究人員已經(jīng)以銀鹽（硝酸銀）作為導(dǎo)電油墨，通過(guò)使用反應(yīng)噴墨打印和反應(yīng)燒結(jié)兩種不同工藝對(duì)所得到的導(dǎo)電圖案進(jìn)行了性能表征對(duì)比，相關(guān)研究將持續(xù)進(jìn)行。

反應(yīng)噴墨打印技術(shù)應(yīng)用在無(wú)機(jī)材料方面的應(yīng)用比起以上兩個(gè)領(lǐng)域的國(guó)外相關(guān)研究也較多，最早成功采用噴墨打印技術(shù)可大幅度減少有機(jī)發(fā)光二極管的制作步驟，通過(guò)涂覆一定比例的聚3，4-乙撐二氧噻吩單體和聚苯乙烯磺酸鹽于PET薄膜上，并將該薄膜作為負(fù)極材料，研制出了有機(jī)發(fā)光二極管。之后也采用反應(yīng)噴墨打印技術(shù)成功制備了不同分子量的聚乙烯基咔唑，經(jīng)一些工藝處理得到薄膜。通過(guò)控制薄膜處理的溫度、時(shí)間、催化劑的用量等，得到不同分子量的有機(jī)發(fā)光材料聚乙烯基咔唑，將該有機(jī)發(fā)光材料引用于有機(jī)發(fā)光二極管中，能得到不同光電特性的器件；也有該領(lǐng)域研究人員采用反應(yīng)噴墨打印技術(shù)制備出了聚氨酯薄膜，先配制出PPG墨水和IPDI墨水，并將其打印到處理過(guò)的聚氨酯薄膜上，在短短3分鐘之內(nèi)得到不同尺寸的聚氨酯點(diǎn)和線等圖案，這為快速成型聚氨酯提供了一條新思路；最新的研究進(jìn)展是今年2月，波蘭羅茲科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種用反應(yīng)噴墨打印將3，4-乙烯二氧噻吩（EDOT）打印在不同合成紡織物上的原始方法，建立了通過(guò)反應(yīng)噴墨打印技術(shù)將該聚合物沉積在紡織品上的最佳條件，并討論了不同醇作為EDOT溶劑的影響和表面電阻變化水洗的效果。

反應(yīng)噴墨打印技術(shù)在無(wú)機(jī)材料方面的應(yīng)用比起以上兩個(gè)領(lǐng)域相對(duì)滯后，目前尚處于探索階段，但它為無(wú)機(jī)材料的制備提供了一種新的發(fā)展思路，以此技術(shù)提高制備的材料或器件的性能是其主要研究方向。首次將反應(yīng)噴墨打印技術(shù)應(yīng)用在無(wú)機(jī)材料領(lǐng)域的文章發(fā)表于荷蘭知名期刊《Solar Energy Materials and Solar Cells》上，作者采用典型的單一反應(yīng)噴墨打印技術(shù)直接刻蝕氮化硅和氧化硅介電層，首先在介電層表面炫涂一定厚度的聚丙烯酸，然后用噴墨打印機(jī)沉積氟化銨，這比傳統(tǒng)的光刻技術(shù)少了很多操作步驟，同時(shí)化學(xué)物質(zhì)用量和產(chǎn)生的廢物也有所減少。近兩年還有研究學(xué)者采用反應(yīng)噴墨打印技術(shù)制備了石墨烯電極，將得到的氧化石墨烯片超聲之后分散在去離子水中而得到石墨烯墨水，采用抗壞血酸水溶液或氯化亞鐵水溶液作為還原劑墨水并對(duì)基底材料進(jìn)行加熱，最終得到還原石墨烯電極，結(jié)果檢測(cè)其通電性良好。鑒于反應(yīng)噴墨打印技術(shù)比傳統(tǒng)的噴墨打印較易實(shí)現(xiàn)石墨烯的沉積，該技術(shù)將會(huì)為電池領(lǐng)域帶來(lái)極大的提升空間。

反應(yīng)噴墨打印技術(shù)與3D打印的聯(lián)系

反應(yīng)噴墨印刷是一種可能會(huì)產(chǎn)生極大突破性前途的技術(shù)，雖然它在三維印刷用功能材料中仍然處于初級(jí)階段，但目前也已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。比如關(guān)于高黏度噴射技術(shù)的問(wèn)題，漢諾丁大學(xué)添加劑制造和3D打印小組研究人員調(diào)查評(píng)價(jià)了PicoDot噴射閥在流體黏度廣泛范圍內(nèi)的噴射能力。他們對(duì)不同黏度的流體參數(shù)進(jìn)行了研究，表明了噴射閥具有高噴射靈活性。當(dāng)黏度在低至20cp或高達(dá)10萬(wàn)cp（假塑性）時(shí)都可以精確地噴出，同時(shí)墨滴形成過(guò)程使用高速攝像機(jī)記錄，這對(duì)3D圖形的進(jìn)一步探索提供了有用的信息。另外，為了開(kāi)發(fā)添加劑制造（AM）和3D打印的新應(yīng)用、解決反應(yīng)噴墨打印發(fā)展中最顯著的問(wèn)題——發(fā)展新的活性印花材料和新的印刷工藝。他們一直在努力探究不同的反應(yīng)性單體、低聚物或預(yù)聚物，如UV可固化環(huán)氧樹(shù)脂、己內(nèi)酰胺、兩種組分的聚氨酯、陰陽(yáng)離子聚電解質(zhì)和水凝膠。一些傳統(tǒng)的聚合和處理技術(shù)可應(yīng)用于反應(yīng)噴墨打印中，如交聯(lián)或使用反應(yīng)預(yù)聚物。

目前三維噴墨打印機(jī)使用可UV固化（100%固化）的聚合物已成功地開(kāi)發(fā)并商業(yè)化，如由Objet公司出售的3D噴墨打印機(jī)。但大多數(shù)用于3D印刷的UV固化聚合物都是低分子量的丙烯酸酯，因此其機(jī)械性能在其工業(yè)應(yīng)用中受到限制。然而在印刷過(guò)程中不使用溶劑或使用極少量溶劑的情況下，所出現(xiàn)的問(wèn)題卻能在反應(yīng)噴墨印刷中可以有效地被避免。一個(gè)噴墨系統(tǒng)可以對(duì)付各種不同黏度的油墨是3D打印成功的關(guān)鍵，這也是后期我們?cè)诜磻?yīng)噴墨打印技術(shù)方面需要繼續(xù)探索和解決的問(wèn)題。

新技術(shù)催生新生產(chǎn)力，有市場(chǎng)就會(huì)有新應(yīng)用，反應(yīng)噴墨打印技術(shù)讓我們看到了噴墨核心技術(shù)突破的一個(gè)又一個(gè)新領(lǐng)域，也看到了噴墨技術(shù)應(yīng)用拓展的新的驅(qū)動(dòng)力，相信反應(yīng)噴墨打印技術(shù)這匹“黑馬”與3D打印技術(shù)的結(jié)合將有望很大程度上改變?nèi)祟?lèi)的生活方式。