一种仿纤毛式高精度纳米微滴喷头装置的制作方法

本实用新型涉及一种液滴喷头装置，具体涉及到一种仿纤毛式高精度纳米微滴喷头装置。

背景技术：

微滴喷射技术是通过外力作用使得液体以微滴的形式从喷嘴中射出的技术，喷射的液滴体积十分精准，一般可达纳升至微升量级，甚至可达皮升量级，该技术具有分辨率高、结构简单、适用材料范围广等特点，应用范围广实用性强具有广阔的应用前景。

微滴喷射的技术关键取决于微滴喷头，目前典型的微滴喷射技术原理有气动式、机械式、热泡式、压电式等：

1）气动式微滴喷头通过控制喷头内的压缩气体，给料管或针管的液体材料一个压力作用实现定量喷射。该喷头适用于广泛的液体材料，喷射液滴的直径取决于压缩气体对液体材料作用压力大小和作用时间长短。但喷射过程中压缩气体体积增大导致压强减小，气体存在的滞后性和可压缩性会导致液体材料在喷嘴的喷射滞后，响应速度变慢，一致性也发生变化，同时难以保证较高的精度；

2）机械式微滴喷头通过机械运动（活塞等运动）将喷头里的液体材料挤出并喷射至基板上，液滴大小和挤出速度受到喷口直径和机械运动的影响，适用于高粘度液体的喷射，但由于喷头腔体中有运动部件，喷头内部存在机械磨损和冲击，液体材料可能发生性质变化；

3）热气泡式微滴喷头通过喷头局部加热产生热气泡，气泡压力作用液滴喷出，该方法受材料限制较大，喷射材料在加热过程中对化学或物理性质的有一定影响，从而影响喷射精度；

4）压电式微滴喷头通过电压脉冲使压电晶体产生位移或机械振动，导致喷头针管内部压力改变，产生的压力使得液体材料克服其表面张力并喷出，但压电晶体振动幅度为微米级，无法实现纳米级液滴喷射，且喷射液滴频率无法大范围变化。

目前的微滴喷头均无法实现稳定纳米级微滴喷射，且存在喷射过程中形成的液滴直径均大于喷嘴直径，无法喷射小于等于喷嘴直径的液滴等缺点。

技术实现要素：

本实用新型提供一种仿纤毛式高精度纳米微滴喷头装置，以解决当前液滴喷射精度较低、及当前喷头喷射液滴均存在的液滴直径大于喷头直径的问题。

本实用新型采取的技术方案是：聚对苯二甲酸乙二醇酯喷嘴安装在支架下部，所述磁场线圈安装在支架上并位于对苯二甲酸乙二醇酯喷嘴上方，聚焦超声换能器安装在支架上、且位于磁场线圈上，所述的聚对苯二甲酸乙二醇酯喷嘴主体下方内壁上有仿生纤毛，主体上方为储液腔。

所述的仿生纤毛的结构是：磁性粉末与有机硅树脂固定连接，有机硅树脂连接在聚对苯二甲酸乙二醇酯喷嘴主体内表面上，氧化石墨烯包覆在有机硅树脂表面，氧化石墨烯表面有官能团。

所述仿生纤毛高度为1-50um，直径为500-1000nm，每平方毫米面积上仿生纤毛阵列的数目为100-10000。

所述氧化石墨烯厚度为5-50nm。

本实用新型的优点是结构新颖，通过交变磁场控制磁性粉末的摆动，实现喷射液体材料进行纳米级运动，非接触式聚焦超声提供微滴动力提高喷射速度，极大提高了微滴喷射精度；交变磁场和聚焦超声频率易于改变，在一定范围内易于通过改变交变磁场频率和聚焦超声频率改变微滴喷射频率和喷射速率，实现高效率高精度液滴喷射；解决当前喷头喷射液滴直径大于喷头直径的问题，本实用新型喷头装置喷射的液滴直径小于喷头直径，提高打印精度；适用材料范围广，交变磁场和聚焦超声强度均较低，对材料性质基本无影响，可用于电化学电解液、细胞悬浮液、低粘度光敏树脂等一切低粘度液滴材料的喷射。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型聚对苯二甲酸乙二醇酯喷嘴的结构示意图；

图3是图2的I部放大图；

图4是本实用新型仿生纤毛模具的结构示意图；

图5是本实用新型仿生纤毛模具纤毛孔的结构示意图。

具体实施方式

聚对苯二甲酸乙二醇酯喷嘴1安装在支架2下部，所述磁场线圈3安装在支架2上并位于对苯二甲酸乙二醇酯喷嘴1上方，聚焦超声换能器4安装在支架2上、且位于磁场线圈3上，所述的聚对苯二甲酸乙二醇酯喷嘴1主体101下方内壁上有仿生纤毛，主体101上方为储液腔；

所述的仿生纤毛的结构是：磁性粉末103与有机硅树脂105固定连接，有机硅树脂连接在聚对苯二甲酸乙二醇酯喷嘴主体101内表面上，氧化石墨烯102包覆在有机硅树脂105表面，氧化石墨烯102表面有官能团104。

所述仿生纤毛高度为1-50um，直径为500-1000nm，每平方毫米面积上仿生纤毛阵列的数目为100-10000。

所述氧化石墨烯厚度为5-50nm。

仿生纤毛能够在磁场线圈3产生的交变磁场的下实现来回摆动，且不与喷射液体材料黏附，并将其推入聚对苯二甲酸乙二醇酯喷嘴1底部，并由聚焦超声换能器提供动力对微滴进行运动加速，直至喷出。

所述的仿生纤毛是由下列步骤制得的：

（1）将磁性粉末和有机硅树脂按照质量比1:1-1:3进行混合，所述磁性粉末为直径50-200nm的钴；

（2）将溶剂二甲苯按和有机硅树脂质量比1：0.1~1.5加入步骤（1）中的混合物中，并使用超声分散器在150-200W功率下进行超声分散6-10min，使用机械搅拌器在1200-1500r/min转速搅拌10-30min，加入有机硅树脂质量10%-20%的硅氧烷并继续搅拌5-10min得到磁性粉末有机硅树脂悬浊液；

（3）将步骤（2）所得的磁性粉末有机硅树脂悬浊液包覆于模板上并填充在模板孔洞中，并压入聚对苯二甲酸乙二醇酯喷嘴主体中，并置于3000-8000GS的均匀磁场中诱导磁性粉末进行自组装过程，并在60-75℃固化6-12小时，使其均匀分布于聚对苯二甲酸乙二醇酯喷嘴主体内壁，后置于95-120℃热水中溶解模板，得到固化磁性粉末有机硅树脂；

（4）对步骤（3）所得固化磁性粉末有机硅树脂进行空气氛辉光等离子体辐照，使其表面活化后用无水乙醇清洗3-5遍并在50-80℃环境下烘干，得到活化磁性粉末有机硅树脂；所述的空气氛辉光等离子体的操作参数为：80-120V电压，1.0-2.0A电流；所述辐照采用14W的200-300nm的紫外光线辐照8-16h；

（5）将步骤（4）中所得活化磁性粉末有机硅树脂浸于经官能团修饰的氧化石墨烯溶液中30-60s，随后以1.0-15cm/min的速度拉出并置于8000-15000GS的均匀磁场中，60-70℃烘干处理，此过程重复3-5次，在活化磁性粉末有机硅树脂表面包覆经官能团修饰的氧化石墨烯，得到不稳定仿生纤毛；

（6）将步骤（5）所得的不稳定仿生纤毛置于14W的350nm紫外光线下照射10-24h，得到稳定的仿生纤毛。

所述的经官能团修饰的氧化石墨烯溶液的制备方法，包括以下步骤：

（1）对于极性液体，官能团为异氰酸酯；

（a）将干燥的氧化石墨烯加入质量比为1:1~5二甲基酰胺中，然后加入和氧化石墨烯质量比为1:0.2~0.5的苯，将混合物置于不锈钢反应釜中加热至90℃反应0.5-2h；

（b）将以上步骤（a）所得倒入三氯乙烯，过滤、洗涤，并重复该步骤5次；

（c）将以上步骤（b）所得置于真空烤箱中60℃干燥即可得异氰酸酯修饰的氧化石墨烯；

（d）将以上步骤（c）所得的异氰酸酯修饰的氧化石墨烯溶于乙醇中，得到经官能团修饰的氧化石墨烯溶液；

（2）对于非极性液体，官能团为丙烯胺；

（a）将氧化石墨烯溶于水中，加入氧化石墨烯与丙烯胺质量比为1:2~6的丙烯胺乙醇溶液，并将混合物置于不锈钢反应釜中加热至90℃反应0.5-2h；

（b）将以上步骤（a）中所得使用50%的酒精溶液清洗5次后使用丙酮清洗1次；

（c）将以上步骤（b）中所得置于真空烤箱60℃干燥即可得丙烯胺修饰的氧化石墨烯；

（d）将以上步骤（c）所得丙烯胺修饰的氧化石墨烯溶于水中，得到经官能团修饰的氧化石墨烯溶液。

所述的模板为聚乙烯醇聚合物制造的多孔的圆台型结构，可溶解于95℃以上热水，模板侧面锥度与聚对苯二甲酸乙二醇酯喷嘴主体锥度相同。