含纳米颗粒墨水液滴动态行为实验研究

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随着科学技术的发展,液滴喷射技术有着越来越广泛的用途,常见的如喷墨打印、热喷涂、3D打印、印刷电路等。含纳米颗粒墨水具有很多优点,如固体颗粒的熔点低、粒径小等,在3D打印和印刷电路中备受青睐。实际应用过程中,喷射所得液滴的大小、液滴断裂所需时间、液滴与基板的作用、液滴之间的融合等对打印的质量、效率都有很大的影响。而相关的研究却十分匮乏。基于此,本文通过配制分散良好的含纳米颗粒的墨水(纳米氧化铝悬浮液),研究其液滴的形成、液滴与基板的碰撞、液滴之间的融合等动态行为,这对深刻认识含纳米颗粒墨水的液滴喷射、打印过程有着重要意义。本文首先采用透射电镜与动态光散射仪,拍摄和测量纳米氧化铝的形态学特征以及粒径分布,随后基于粘度法得到最优PAA分散剂浓度为0.1%,最后使用球磨和磁力搅拌的方式获得分散良好的纳米氧化铝悬浮液。通过对纳米氧化铝悬浮液以及作为参照的甘油溶液的物性进行测量发现,随着纳米颗粒(甘油)浓度的增大,流体的表面张力减小,密度和表观粘度增大。且高浓度纳米氧化铝悬浮液体现出明显的剪切变稀特性。进一步地,在含纳米颗粒墨水的液滴形成过程研究中发现,随浓度的增大,液滴的聚集时间、总时间和主液滴体积减小,颈缩时间、卫星滴体积和极限颈部长度增大;随着来流速度的增加,极限颈部长度、主液滴体积和卫星液滴体积增加,而聚集时间和颈缩时间则减少。同时液滴颈缩过程初期,稀纳米氧化铝悬浮液最小颈部直径满足Rmin ∝Δt2/3,而高浓度悬浮液则满足分段线性关系。在含纳米颗粒墨水的液滴碰撞过程研究中发现,随着浓度的增大,液滴的最大铺展直径减小、最小液滴高度增大,而撞击速度的影响则与之相反。对于甘油溶液,经典最大铺展直径公式的预测结果良好,而高浓度纳米氧化铝悬浮液误差则较大。通过模型计算有效粘度发现,随着碰撞速度增大,流体的表观粘度增大,这与实际情况相矛盾。在含纳米颗粒的液滴融合过程研究中,随着氧化铝悬浮液(甘油溶液)浓度的增大,液滴融合时间变长,融合速度变小。对于低浓度氧化铝悬浮液(甘油溶液),液桥高度h0满足h0~t2/3;而高浓度氧化铝悬浮液(甘油溶液)满足h0~t。本文通过实验的方法研究含纳米颗粒墨水液滴的动态行为如液滴的形成、与基板的碰撞以及液滴融合过程,对充分了解含纳米颗粒墨水在液滴喷射技术中的表现有着重要意义,为改善打印过程的质量和效率提供理论指导。
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