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加拿大女王大学刘国军教授团队:图案化电纺丝织物在绢印和多领域的应用

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加拿大女王大学刘国军教授团队:图案化电纺丝织物在绢印和多领域的应用

发布日期:2018-10-26 作者: 点击:

转载自中国聚合物网

绢印(Screen Printing),又称孔版印刷、网版印刷、丝网印刷等,是一种古老但仍然广泛应用的印刷技术。传统的绢印,分为制版和印刷两部。制版过程是在以丝或尼龙织成网屏(screen)的四方框架上,以手工绘画或感光方法,用光敏乳胶(emulsion)把印纹以外的网目完全封闭,而形成镂空的孔版。印刷时,印墨(ink)受刮刀(squeegee)的刮压,就会通过印纹部分的纲目而到达被印物上。







图一:绢印步骤示意图(上),绢印刮压过程(中),常见绢印印刷品(下)

绢印原理简明成本低廉,制版容易,印刷速度较快,且设备和印刷物可大可小,但是印刷品的分辨率不高。曾被广泛用于印刷电影海报、商品包装等,至今仍然在个性体恤衫制作、艺术版画等领域占有很重要的位置。

除了这些视觉领域,由于绢印的许多优秀特点,近些年来科研和工业界一直尝试将其改良,提高其分辨率,以便用于更多生产领域,诸如印刷电路板(PCB)。根据绢印的原理,其能达到的最大的分辨率不可超过所用丝网的目数(mesh number),同时也受到感光模板、光敏乳胶、印墨和被印物的限制。

为了改进绢印技术,加拿大女王大学刘国军教授团队提出的设计思路,包括其中两个环节的改进:

1. 选用亲水性的超精细电纺丝织物(~200 纳米)作为“丝网”,丝与丝交叠形成的空隙平均约5微米,远小于目前商用丝网的孔径。

2. 用含有光交联和疏水成分的纳米尺寸的高分子胶束(~20 纳米)代替“感光乳液”。

图二:刘国军教授团队使用电纺丝织物和纳米胶束改良绢印技术示意图。

首先,将含有环氧基团的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)和交联剂作为前驱物,用电纺丝的手段纺成织物 (mat)(图二 1)。这样的织物在热交联后表面富含羟基,非常亲水。同时,将聚二甲基硅氧烷(PDMS)和含肉桂酸成分的聚丙烯酸(PCEA)共聚物,在溶液中自组装成纳米胶束。

然后,将纳米胶束附着于织物丝表面,形成单分子刷状层(图二 3),并在激光打印的光交联模板(mask)遮挡下使用UV光交联(图二 4)。模板上无色的区域被UV光透过,将PCEA交联,PDMS就被固定在织物表面,形成超疏水的区域。而模板上黑色图案的区域,UV无法通过,被遮盖的区域未被交联。上面的疏水共聚物将被溶剂洗去(图二 5),最终变成亲水的图案。这样经过处理过的电纺丝织物就形成制版完成的“丝网”。

最后,只需将水性印墨置于“丝网”上,便可见亲水/疏水的区域形成的图案(图二 5,图三)。而此图案最终被印制在纸张上(图二 6)。

图三:具有的两面神(Janus)结构的电纺丝织物制成的超精细“丝网”,其正面形成亲水/疏水图案,背面亲水作为墨水的供体。

所得到结果显而易见。在激光打印机打印出的光交联模板(图四 a)向“丝网”制版的过程中,几乎没有清晰度损失。所制出的“丝网”版精确还原了模板的细节,包括打印机在10号字体“i”字母顶部的打印缺陷也原样重现(图四 b)。而重现此处缺陷,所需的分辨率小于30微米。而从下至上的字体分别为10、7.5、5、4号字,也都在“丝网”精确重现。将文字印刷到普通打印纸后(图四 c),所印图案虽有细节损失,但依然清晰可见。所损失的细节主要来自于未优化的印墨和纸张的粗糙度。与此作为对比的,传统绢印技术印制的图案(图四d)在10号字体处尚可辨认,小于5号的字体也几乎无法辨认。

图四:所用的光交联模板(a,e),本工作中制作的高清晰“丝网”制版(b,f),本工作中在纸面印制的图案(c),使用传统绢印印制的图案(d)

除了印刷可视图案,他们也尝试了使用该技术印刷水性导电墨水。所采用的墨水是10纳米左右的银纳米粒子,在打印纸上印出设计出的电路图案(图五b)。另一方面,电纺丝织物本身也可以作为柔性电路板的载体。在制版后,直接将商用的炭黑基水性导电墨水(Bare Electric Paint)稀释后,装载到电纺丝“丝网”上,可组装出驱动LED发光的电路(图五 c)。他们团队认为这样的技术和设计思路,或可运用到目前热门的柔性电路、可穿戴设备中,因为这样的“丝网”本身也是可穿戴的无纺织物。

图五: 电纺丝“丝网”用于导电油墨的印刷(a,b),柔性电路(c),和微流体诊断(d,e)

除此之外,他们也在电纺丝织物上,制成具有微流体性能的图案。他们用pH指示剂和银镜反应(图五d e)证明了这样的性能。并指出该项技术除了用于改良绢印技术,也具有在微流体、诊断等领域的开发潜力。

这一研究,利用光交联技术和疏水纳米胶束,在超精细的电纺丝织物上形成高分辨的图案。这样的织物具有多方面的应用前景:可用于提高绢印技术的分辨率、可印刷导电墨水、可制作柔性电路和微流体器件。相关工作发表于Journal of Materials Chemistry C (DOI: 10.1039/C7TC05197B)。其部分前期工作发表于Journal of Materials Chemistry A (DOI:10.1039/C4TA00714J)。

 

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