肖 淵， 劉金玲， 申 松， 陳 蘭(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

織物表面微滴噴射打印沉積過(guò)程試驗(yàn)研究

肖 淵， 劉金玲， 申 松， 陳 蘭
(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

在織物表面微滴噴射打印沉積成形微細(xì)導(dǎo)電線路中，明確微滴在織物表面碰撞和滲透過(guò)程是成形高質(zhì)量導(dǎo)電線路的前提。采用試驗(yàn)研究的方法，在噴射系統(tǒng)可控噴射條件下，對(duì)微滴與織物表面的碰撞、鋪展及滲透過(guò)程進(jìn)行圖像采集及動(dòng)態(tài)過(guò)程研究。結(jié)果表明：微滴在織物基板表面的碰撞過(guò)程與固體基板類(lèi)似，幾乎未發(fā)生滲透現(xiàn)象；由于毛細(xì)壓差的作用，不同織物在不同時(shí)間段內(nèi)的滲透速率急劇增大，出現(xiàn)快速芯吸現(xiàn)象，且織物經(jīng)緯密度越小，芯吸效果越明顯；微滴在織物表面的擴(kuò)散形狀由織物的組織結(jié)構(gòu)決定，擴(kuò)散面積與織物潤(rùn)濕性有關(guān)，隨潤(rùn)濕性的減弱而減小。

導(dǎo)電線路； 電子智能紡織品； 微滴； 織物表面； 沉積； 噴射打?。?潤(rùn)濕性

電子智能紡織品是紡織品與電子信息技術(shù)融合的一種智能紡織品，具備信息采集、識(shí)別、反饋及響應(yīng)等功能，可實(shí)現(xiàn)自診斷、修復(fù)和自適應(yīng)等[1]，因而在軍事、航空、航天、生物醫(yī)學(xué)、體育休閑、娛樂(lè)、醫(yī)療保健等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景[2-3]。在電子智能紡織品中，信息采集系統(tǒng)是其核心部分，通常由電子元件相互連接而成，要求連接不易纏繞、斷裂，因此，如何實(shí)現(xiàn)各電子器件間的柔性連接是電子智能紡織品研究的熱點(diǎn)。目前，常見(jiàn)織物表面導(dǎo)電線路的制造方法有植入式和印刷式2種[4]。植入式是將金屬絲植入到織物紋理中以形成導(dǎo)電線路，實(shí)現(xiàn)各電子元器件間的連接。主要方法有刺繡、織造、編織[5-7]等，但上述方法存在制造工藝復(fù)雜，加工難度大，成本高等問(wèn)題。印刷方法作為一種間接式導(dǎo)電線路制造方法，通過(guò)將導(dǎo)電油墨承印在紡織品表面形成導(dǎo)電線路。最常見(jiàn)的是絲網(wǎng)印刷技術(shù)，這種技術(shù)成形工藝簡(jiǎn)單，操作靈活，不受形狀限制，成本低，但該方法使用的印版中網(wǎng)格的大小限制了導(dǎo)電線路的寬度，影響其分辨率[8-10]，且后續(xù)還需燒結(jié)處理以提高線路的導(dǎo)電性能，而較高的燒結(jié)溫度會(huì)損壞織物本身的性能。

圖2 織物組織微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Microstructure figures of fabrics. (a) Fabric 1; (b) Fabric 2; (c) Fabric 3

微滴噴射技術(shù)是一種依靠外力作用使液體以微小液滴的形式從微米級(jí)小孔噴出，通過(guò)逐點(diǎn)逐層累加成形出復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)[11]?；诖耍n題組提出將微滴噴射技術(shù)和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合，在織物表面定點(diǎn)沉積金屬鹽和還原劑溶液，通過(guò)反應(yīng)沉積以形成金屬線路，該方法使用噴射材料為水性溶液，避免了導(dǎo)電油墨中導(dǎo)電粒子較難均勻分散問(wèn)題，具有工藝流程短、非接觸、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

在織物表面沉積打印過(guò)程中，由于織物表面為多孔和高粗糙度結(jié)構(gòu)，因此，明確微滴在織物表面的碰撞沉積過(guò)程對(duì)于導(dǎo)電線路的噴射打印成形至關(guān)重要?；诖耍疚睦米孕虚_(kāi)發(fā)的微滴噴射系統(tǒng)，通過(guò)高速圖像采集技術(shù)，對(duì)微滴與織物碰撞、滲透的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行研究，以明確微滴碰撞、鋪展及滲透過(guò)程形態(tài)變化，掌握織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)微滴動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程的影響規(guī)律，為后續(xù)織物表面微滴打印質(zhì)量的控制提供參考。

1 微滴噴射系統(tǒng)及沉積基板

1.1 氣動(dòng)式微滴噴射系統(tǒng)

自行開(kāi)發(fā)的氣動(dòng)式微滴按需噴射系統(tǒng)如圖1所示，主要由3部分組成：微滴產(chǎn)生裝置、圖像采集子系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制子系統(tǒng)。其中微滴產(chǎn)生裝置主要由電磁閥、四通、泄氣口及噴嘴等組成，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)以控制電磁閥的通斷，在腔體內(nèi)形成壓力波驅(qū)動(dòng)液體從腔體底部的小孔噴出，實(shí)現(xiàn)微小均勻液滴的按需產(chǎn)生；圖像采集系統(tǒng)主要由光源和CCD相機(jī)(或高速攝像機(jī))等組成，實(shí)現(xiàn)微滴噴射與沉積過(guò)程動(dòng)態(tài)圖像采集；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)由移動(dòng)平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)控制器等組成，實(shí)現(xiàn)微滴的按需定點(diǎn)沉積及導(dǎo)線成形路徑控制。

圖1 氣動(dòng)式微滴噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pneumatic miro-droplet injection system

1.2 沉積基板

選用市售3種不同組織結(jié)構(gòu)的棉織物為沉積基板，3種織物參數(shù)如表1所示，其微觀照片如圖2所示。

表1 織物規(guī)格及相關(guān)參數(shù)Tab.1 Specifications and related parameters of fabrics

2 微滴與織物碰撞過(guò)程

以水為噴射材料，織物1為沉積基板，噴嘴直徑為140 μm，在系統(tǒng)穩(wěn)定噴射情況下(頻率為1 Hz，脈沖寬度為1.953 ms，供氣壓力為20 kPa，泄氣閥開(kāi)口角度為35°)，設(shè)定高速攝像機(jī)的幀速為1×105幀/s，采集微滴與織物表面碰撞沉積的動(dòng)態(tài)過(guò)程照片，如圖3所示。

由圖3可看出，微滴在織物表面的碰撞過(guò)程主要經(jīng)歷運(yùn)動(dòng)、射流、回縮、平衡這4個(gè)階段，碰撞過(guò)程與微滴在固體基板類(lèi)似[12]。通過(guò)測(cè)量微滴在織物表面的最大鋪展直徑，得到其隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖3 微滴碰撞過(guò)程形態(tài)變化圖Fig.3 Morphological variation figures of droplets in collision process

圖4 微滴鋪展直徑隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Curve of diameter change versus time after droplets collision

從圖4可看出，微滴在織物表面經(jīng)歷鋪展—回縮往復(fù)循環(huán)，在0.8 ms時(shí)達(dá)到最大鋪展直徑，此時(shí)微滴呈餅狀，此后在表面張力的作用下開(kāi)始回縮，在2.6 ms時(shí)達(dá)到最大回縮位置，隨后不斷振蕩，最終約在35.5 ms時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)。對(duì)碰撞前后微滴體積進(jìn)行測(cè)量，其體積基本保持在0.179 5 m3，說(shuō)明微滴在織物表面碰撞過(guò)程中幾乎沒(méi)有發(fā)生滲透現(xiàn)象。

3 織物表面微滴滲透過(guò)程

3.1 微滴滲透試驗(yàn)

選用直徑為100 μm的噴嘴，以水為噴射材料，為方便觀察，在水中添加少許著色劑，以3種織物為基板，進(jìn)行微滴在織物中滲透過(guò)程研究，在穩(wěn)定噴射條件下(頻率為1 Hz，脈沖寬度為1.953 ms，供氣壓力為20 kPa，泄氣閥開(kāi)口角度為45°)，設(shè)定沉積高度為5 mm，CCD相機(jī)幀速為66 幀/s，獲得微滴在3種織物表面的鋪展?jié)B透動(dòng)態(tài)過(guò)程照片，如圖5所示。

圖5 不同織物表面微滴動(dòng)態(tài)滲透過(guò)程Fig.5 Droplet dynamic penetration processes of different fabric surfaces. (a)Fabric 1; (b)Fabric 2; (c)Fabric 3

由圖5可看出，微滴沉積到織物表面后，其在織物表面的形態(tài)隨時(shí)間不斷發(fā)生變化，駐留于織物表面的液滴體積不斷減少，最終完全滲入織物中，3種織物的滲透時(shí)間分別為3 060 ms、228.27 s、465 ms。

為進(jìn)一步分析液體在不同織物中的滲透過(guò)程，采用專(zhuān)業(yè)圖像分析軟件對(duì)微滴在3種不同織物表面鋪展?jié)B透過(guò)程中微滴的高度進(jìn)行測(cè)量，得到其高度隨時(shí)間的變化結(jié)果，如圖6所示。

由圖6可看出，在微滴動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程中，微滴高度隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈減小趨勢(shì)。由圖6(a)可知，織物1表面在0～2 200 ms期間，微滴高度隨時(shí)間變化不大，2 200 ms后微滴高度迅速減少，滲透加劇。由圖6(b)可知，織物2表面微滴高度隨時(shí)間的延長(zhǎng)趨于線性變化并逐漸減小，在120～150 s之間高度迅速下降，滲透速率增大。由圖6(c)可知：微滴在0～140 ms之間滲透速率較??；但在140～170 ms之間曲線斜率最大，說(shuō)明此階段微滴滲透加快，隨后微滴高度減小的速度變緩，基本呈線性減小趨勢(shì)；在滲透的最后階段，微滴高度又迅速減小。圖中3條曲線在不同時(shí)間段出現(xiàn)了斜率急速增大現(xiàn)象，這是由于織物特有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致產(chǎn)生毛細(xì)壓差。在毛細(xì)壓差作用下，液體會(huì)自發(fā)在孔隙中流動(dòng)，在開(kāi)始階段壓差大，織物中的孔隙順暢，液體滲入快，不斷填充孔隙，出現(xiàn)快速芯吸現(xiàn)象[13-14]。3種織物的芯吸效果不同，織物1芯吸效果最明顯。由表1可知：織物1經(jīng)緯密度最小，織物較疏松，毛細(xì)管中的粗毛細(xì)管多，芯吸效果最明顯；而織物2密度較大，芯吸效果最不明顯。

3.2 織物結(jié)構(gòu)中液體擴(kuò)散分析

為進(jìn)一步分析織物組織結(jié)構(gòu)及潤(rùn)濕性對(duì)微滴滲透過(guò)程的影響規(guī)律，測(cè)得了微滴在織物表面滲透過(guò)程中的擴(kuò)散痕跡，如圖7所示。

圖6 不同織物中微滴高度隨時(shí)間變化Fig.6 Curves of droplet height changes on different fabrics. (a) Fabric 1； (b)Fabric 2； (c)Fabric 3

圖7 微滴在不同織物中滲透擴(kuò)散Fig.7 Penetration and diffusion of droplet on different fabrics. (a) Fabric 1; (b) Fabric 2; (c)Fabric 3

由圖7可看出，微滴在滲透到織物內(nèi)部后在其表面的擴(kuò)散痕跡各不相同，在織物1上呈條狀，在織物2上近似為圓形，在織物3上近似為橢圓狀。這主要由于3種織物的組織結(jié)構(gòu)不同所致。采用專(zhuān)業(yè)圖像分析軟件對(duì)微滴擴(kuò)散后的面積進(jìn)行測(cè)量，得到微滴在織物1、2、3上的擴(kuò)散面積分別為0.977、0.237、1.758 mm2?？煽闯?，微滴在織物3中的擴(kuò)散面積最大，在織物2中擴(kuò)散面積最小。結(jié)合表1中3種織物的接觸角可知，隨著接觸角的增大，微滴在織物表面的擴(kuò)散面積從1.758 mm2逐漸減小為0.237 mm2?？椢?具有較好的潤(rùn)濕性，微滴滲透的同時(shí)在不斷地鋪展，致使擴(kuò)散面積變大。微滴擴(kuò)散面積與織物潤(rùn)濕性的強(qiáng)弱基本吻合，擴(kuò)散面積隨著潤(rùn)濕性的減弱而減小，因此，微滴滲透擴(kuò)散后的形狀則取決于織物的組織結(jié)構(gòu)。而擴(kuò)散面積大小與織物的潤(rùn)濕性有關(guān)，如要得到良好的微滴沉積形態(tài)，后續(xù)可從織物表面改性處理或者選用不同特性參數(shù)的流體進(jìn)行研究，以獲得理想的微滴沉積形態(tài)，抑制微滴的擴(kuò)散滲透行為，為實(shí)現(xiàn)織物表面微滴噴射打印成形導(dǎo)電線路的制備奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

1)對(duì)微滴與織物表面碰撞過(guò)程研究表明，微滴與織物表面碰撞與固體基板碰撞過(guò)程類(lèi)似，整個(gè)過(guò)程幾乎不發(fā)生滲透現(xiàn)象。

2)對(duì)不同織物表面微滴滲透過(guò)程進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，由于毛細(xì)壓差的作用，在滲透過(guò)程不同時(shí)間段內(nèi)滲透速率急劇增大，出現(xiàn)快速芯吸現(xiàn)象，且織物經(jīng)緯密度越小，芯吸效果越明顯。

3)對(duì)微滴在織物表面擴(kuò)散的形狀研究表明，表面擴(kuò)散形狀由織物組織結(jié)構(gòu)決定，擴(kuò)散面積與織物潤(rùn)濕性有關(guān)，擴(kuò)散面積隨著潤(rùn)濕性的減弱而減小。

FZXB

[1] 王軍, 陳曉玫, 穆蕓, 等. 智能紡織品的內(nèi)涵、設(shè)計(jì)及其應(yīng)用前景分析[J]. 武漢紡織大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 28(1): 23- 26. WANG Jun, CHEN Xiaomei, MU Yun, et al. The connotation, design and application prospect of smart textiles[J]. Journal of Wuhan Textile University, 2015,28(1): 23-26.

[2] KIEKENS P, JAYARAMAN S. Intelligent Textiles and Clothing for Ballistic and NBC Protection: Technology at the Cutting Edge [M]. Berlin: Springer Netherlands, 2012:119-136.

[3] WU Y C, CHEN R H, JIN W, et al. Intelligent clothing for automated recognition of human physical activities in free-living environment [J]. Journal of the Textile Institute, 2012, 103(8): 806-816.

[4] 肖淵, 蔣龍, 陳蘭,等. 織物表面導(dǎo)電線路成形方法的研究進(jìn)展[J]. 紡織導(dǎo)報(bào), 2015(8): 92-95. XIAO Yuan, JIANG Long, CHEN Lan, et al. Research progress on forming method of conductive circuits on fabric surface[J]. China Textile Leader, 2015(8): 92- 95.

[5] DHAWAN A, GHOSH T K, SEYAM A M, et al. Woven fabric based electrical circuits: part II: yarn and fabric structures to reduce crosstalk [J]. Textile Research Journal, 2004, 74(11): 955-960.

[6] ZYSSET C. Weaving integrated circuits into textiles[C]// CHERENACK K, KINKELDEI T. International Symposium on Wearable Computers. Switzerland: IEEE Xplore, 2010:1-8.

[7] KANG T H, Sensors on textile substrates for home-based healthcare monitoring[C]//MERRITT C, KARAGUZEL B. Conference on Distributed Diagnosis & Home Heal. Raleigh: IEEE Computer Society, 2006:5-7.

[8] LOCHER I, TROSTER G. Fundamental building blocks for circuits on textiles [J]. IEEE Transactions on Advanced Packaging, 2007, 30(3): 541-550.

[9] KIM Y, KIM H, YOO H J. Electrical characterization of screen-printed circuits on the fabric[J]. IEEE Transactions on Advanced Packaging, 2010, 33(1):196-205.

[10] KAMYSHNY A, STEINKE J, MAGDASSI S. Metal-based inkjet inks for printed electronics [J]. Open Applied Physics Journal, 2011, 4(19):19-36.

[11] 齊樂(lè)華,鐘宋義,羅俊. 基于均勻金屬微滴噴射的3D打印技術(shù)[J]. 中國(guó)科學(xué), 2015, 45(2): 212-223. QI Lehua, ZHONG Songyi, LUO Jun. Three-dimensional printing technology based on uniform metal droplet ejecting[J]. Scientia Sinica Informationis, 2015, 45(2): 212-223.

[12] 曾祥輝, 齊樂(lè)華, 蔣小珊, 等. 金屬熔滴與基板碰撞變形的數(shù)值模擬[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 43(3)：70-74. ZENG Xianghui, QI Lehua, JIANG Xiaoshan, et al. Numerical simulation of a metal drop in impinging on substrate[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2011, 43(3)：70-74.

[13] 范菲,齊宏進(jìn). 織物孔徑特性與織物結(jié)構(gòu)及芯吸性能的關(guān)系[J]. 紡織學(xué)報(bào), 2007, 28(7): 38-41. FAN Fei, QI Hongjin. Relationship between capillary properties and configurations and wicking capability of fabric[J]. Journal of Textile Research, 2007, 28(7)：38-41.

[14] 張輝,張建春.棉織物結(jié)構(gòu)對(duì)芯吸效應(yīng)的影響[J]. 棉紡織技術(shù), 2003, 31(11): 12-15. ZHANG Hui, ZHANG Jianchun. Influence on wicking property of cotton fabric structure[J]. Cotton Textile Technology, 2003, 31(11): 12-15.

Experimental research on deposition process of micro-droplet jet printing on fabric surface

XIAO Yuan， LIU Jinling， SHEN Song， CHEN Lan
(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,Xi′anPolytechnicUniversity,Xi′an,Shaanxi710048,China)

During deposition forming of fine conductive circuit on fabric surface, micro-droplet jet printing droplets collision and penetration process on fabric surface are determined to be premise to form a high quality conductive circuit. Using experimental research methods,under the controlled injection condition of the injection system, the dynamic process of the droplets collision,deposition and penetration on the fabric surface were captured and studied. The results show that droplets collision on the fabric substrate surface is similar to the solid substrate, and penetration phenomenon almost does not occur. As the effect of capillary pressure difference,different fabrics in different periods have penetration rate increasing sharply, rapid wicking phenomenon appears. The small the thread count, the more obvious wicking effect. Droplets diffusion shapes on the fabric surface are determined by the structure of the fabric. The area of diffusion is related to fabric wettability, and it decreaes with weakened wettablity.

conductive circuit; electronic intelligent textiles; micro-droplet; fabric surface; deposition; jet printing; wettability

2016-06-12

2017-02-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475350)；西安工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CX201610)

肖淵(1975—)，男，副教授，博士。主要研究方向?yàn)槲⒌螄娚浼夹g(shù)、機(jī)電控制技術(shù)。E-mail：xiaoyuanjidian@xpu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160602206

TS 101；TH 16

A