论文总字数：24625字

摘 要

近年来，静电喷射在各个领域都得到了应用，其喷射溶液和孔径等参数改变可以得到很多成果，本文就喷口为纳米级时的静电喷射展开研究，主要研究了充满纳米管的方法和测量不同孔径纳米管喷射的启动电压。

对纳米管充满方法进行了实验，使用的是动态微蒸馏法。实验中此方法虽然能够充满纳米管但是操作中需要足够的注意，否则就容易使得纳米管软化变形。完成纳米管填充后进行纳米管喷射实验，通过观察电流变化情况来判定纳米管内液体是否发生喷射现象，并测量出不同参数的纳米管所需要的启动电压。结果表明随着参数值的加大，也就是喷口孔径的减小，发生喷射所需要的启动电压更大，而对于同一参数值的纳米管，喷射口接正极时的启动电压一定比其接负极的启动电压绝对值大。

最后对比实验数据，口径为300nm和100nm的纳米管喷射启动电压最小，口径为50nm的纳米管喷射启动电压最大。

关键词：纳米管，充满，喷射，启动电压

Abstract

In recent years, electrostatic spraying has been applied in various fields. The parameters such as spray solution and pore size can be changed a lot. In this paper, the electrostatic ejection of the nozzle is nanometer, and the method and measurement of filling the nanotube are mainly studied. The starting voltage of the aperture nanotube injection.

The nanotube filling method was tested using a dynamic micro-distillation method. Although this method can fill the nanotubes in the experiment, it needs sufficient attention in the operation, otherwise it is easy to soften and deform the nanotubes. After completing the nanotube filling, the nanotube spraying experiment was carried out, and the current change was observed to determine whether the liquid in the nanotube was sprayed, and the starting voltage required for the nanotubes with different parameters was measured. The results show that with the increase of the parameter value, that is, the decrease of the orifice diameter, the starting voltage required for the injection is larger, and for the nanotube with the same parameter value, the starting voltage of the injection port connected to the positive electrode must be higher than that of the negative electrode. The starting voltage has a large absolute value.

Finally, comparing the experimental data, the nanotubes with a diameter of 300 nm and 100 nm have the lowest ejection starting voltage, and the nanotubes with a diameter of 50 nm have the highest ejection starting voltage.

KEY WORDS: nanotube, full, spray, voltage, electric field force, surface tension

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2玻璃纳米管 2

1.3静电喷射原理 2

1.4常用的电场喷射装置 3

1.5电场喷射的基本过程和原理 5

1.6本章小结 6

第二章 实验设计过程 7

2.1实验难点 7

2.2纳米管填充方式 8

2.3本章小结 11

第三章 实验过程 12

3.1实验设备 12

3.2锥形玻璃纳米管拉制 13

3.3锥形玻璃纳米管灌装 14

3.4纳米管填充 14

3.5静电喷射实验 17

3.6本章小结 18

第四章 实验结果 20

4.1实验相关图表 20

4.1.1PULL=70 20

4.1.2PULL=90 21

4.1.3PULL=100 22

4.1.4PULL=110 24

4.2数据分析结果 25

4.3工作小结 26

4.4本章小结 27

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

本章节介绍了本文所做的实验背景，简单介绍了被用来作为喷头的玻璃纳米管，介绍了静电喷射的实验原理，基本装置，以及在本实验中理论启动电压的公式。

1.1引言

静电喷射技术因其设备简单易操作、原料来源广泛、打印精度高等优点，作为一项新兴的喷墨打印技术已经在众多领域中受到了广泛的关注。现如今，主流的印刷系统主要分为接触式和非接触式两大类别。接触式工艺的工作原理为，将带有墨汁的图形化结构直接与基底进行触碰，在接触的过程中，将墨水印刷在基底表面。而非接触式的工艺中，则是通过挤压的方式，控制墨水从开口或喷嘴中挤出，在墨水挤出的过程中，通过控制基底或喷嘴按事先编好的程序图形来移动，将墨水喷印在基底表面。凹版印刷、丝网印刷和弹性印刷等是如今发展较为成熟的集中接触式打印技术，而非接触式打印技术主要有涂布印刷和喷墨打印等方式。

迄今为止，大多数按需喷墨打印头都是基于通过喷嘴推出液体，例如热气泡和压电致动器。这些打印头的性能主要取决于致动器的性能，因为致动器施加的功率决定了液滴的速度和体积，并最终决定了喷射频率。对于基于推动的打印头，相当大部分的致动器功率补习沿着通向孔的流动路径或通过回流沿着流动入口被浪费。随着装置尺寸按比例缩小以增加装置密度，致动器功率的浪费可能变得更加严重。对于热气泡执行器，保持设备过热不影响相邻设备也很关键，这实际上是进一步缩小热泡打印头的非常有限的因素。最后，由于粘度或化学成分，压电或热泡打印头能够处理的液体性质存在相当严重的限制。利用静电喷射设计喷墨打印头，能够克服上述压电和热泡打印头的限制。换句话说，静电喷射中，只有液体弯月面顶部周围的一小部分液体与液体分离并沿着电场被拉开。通过回流沿着流动路径到孔口或沿着流动入口没有浪费功率。此外，没有液滴体积与设备尺寸的直接连接，从而为设计提供了更多的自由度。液滴简单地从液体弯月面的顶部带走的事实使得静电微滴喷射器能够处理更宽范围的液体性质以便喷射。

静电式喷墨打印的优点是它能印刷比实际允许通过打印喷头更浓稠的液体；获得的分辨率不是喷嘴直径的函数，从而得到比压电喷墨更高的分辨率。此外，使用静电式的喷墨印刷技术时依旧可以使用颜料形成非常小的液滴，液滴的尺寸是由喷嘴尖端的电压和颗粒的性质控制的，而不是由喷嘴大小控制的。当喷射液滴中的印刷材料浓度相当大时，可能得到高光学密度影像。其缺点在于仅能够使用导电流体，并且实施这项技术的成本高。

而本实验中则是研究当喷头在纳米级时的静电喷射，需要得到喷射过程中喷射流到达收集板时形成回路时的最小电压（即启动电压）。

1.2玻璃纳米管

现如今主流的纳米孔有两种，一种是生物纳米孔，另一种则是一种是固态纳米孔。生物纳米孔绝大部分是天然存在于生物体内的固有纳米器件，由于其具有生物活性、生物功能以及独特的孔径结构，因而可自由进行分子的设计和生物修饰。其中，α溶血素（α-hemolysin,αHL）具有典型的孔径结构，是人们一开始来使用作为的生物纳米孔的材料其中的一个非常典型的例子，也是目前研究最多的生物纳米孔。但是α溶血素作为一种生物分子，其自身在稳定性方面有着不可避免的缺陷，如受环境温度、溶液pH值的影响大，易老化，不受高压等，严重制约了其发展。而固态纳米孔在稳定性，工艺集成等方面相较于生物纳米孔有非常明显的优势。

固态纳米孔的制备主要也有以下几种方式：一时使用高能电子束或聚焦粒子束，在纳米薄膜材料的指定位置上直接钻出纳米孔，这种方法是以前制备固态纳米孔的主要方法，可以先得到较大孔径的纳米孔之后再进行缩孔，这样可以得到孔径比较理想的纳米孔。但是这种方法的最大弊端就是高昂的成本和复杂的实验设备，使其只适用于实验室研究，而不能有更为广泛的商业价值。另外一种是利用刻蚀的方法得到纳米孔，首先在硅片上刻蚀出倒金字塔状后，利用电化学腐蚀的方法在硅片另一面对其进行刻蚀。这种方法相对第一种方法来说，成本大大降低，但仍需电化学的相关设备，且它的发展与半导体的集成有着紧密联系。

本实验中使用的方式是使用P-2000拉制仪直接拉制的方式来制备玻璃锥形纳米孔。对比前两种方法，最后一种方法拉制出的纳米孔，物理性能更加稳定，使用寿命更长，相对于生物纳米孔，具有更好的机械强度。另外，这种方法操作简便。可重复大量制造，成本低廉，满足实际生产的需求。由于其制作简单，成本低廉，因此被用来制作纳米级喷口。

1.3静电喷射原理

电场喷射（electrospray）是流体在电场中由于电场力作用发生快速流动或发生雾化的现象。电场喷射一般包括两种情况：电场喷雾和电纺。这两种方法在相关材料的研制中都有关键的作用。电场喷雾能够制造均匀的纳米到微米级的小液滴，正常用来粉末制备和薄膜沉积。在流体黏度较大时，液体射流在解理为微小液滴前，由于溶剂挥发或者温度下降等原因，黏度急剧增大，雾化过程被抑制，细小射流被保留下来，从而由电纺过程直接得到细长的纤维状材料，经后续处理后得到纤维材料。

电场喷射在自然界的存在是非常普遍的，比如在雷暴天，在乌云经过湖面时， 强烈的电场作用会使湖水形成向上的喷泉，带电的雨滴会发生自发雾化。在人工建筑方面，一个很少有人注意到的例子是雨滴在直流高压线上发生喷射现象。关于电场喷射最早的观察和研究可以追溯到4个世纪前，当时William Gilbert观察到电场能够改变液体的表面形态。在18世纪，人们甚至发现如果人体处于高电场环境中，皮肤割破时血液不是像平常一样流出而是喷射成为血雾。后来，由于高速摄影技术的发展，拍摄到受外电场(10⁶V/m)极化，一个不带电的直径为225um的甲醇液滴爆发对称射流。其中射流携带的电荷相反，以保持液滴的电中性。

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