噴墨打印之咖啡環效應

通過比較這些理想線在溫度範圍內的橫截面,可以看到第二種效應,這對於印刷線的質量和實用性很重要。下圖顯示了由機械式觸針輪廓儀(Alpha-Step IQ表面輪廓儀)獲得的跨越均勻線的軌跡。而在低溫下輪廓是平滑和凸起的,而在較高溫度下它變得越來越凹。實際上,在室溫(30°C)下,向凹形輪廓的過渡是正方形截面。有趣的是,這種依賴於溫度的咖啡環控制對於上述五種主要線路現象中的任何一種都是有效的。通過控制五種線現象中的任何一種的基底溫度,可以調節材料橫跨印刷線的相對分佈,這對於結果對於噴墨打印是非常有用的。


噴墨打印之咖啡環效應

噴墨打印線的截面輪廓。(打印頻率和間距被調整為適合於每個溫度。)

對於加熱或冷卻的基板,我們的蒸發特徵現在受到來自表面的熱通量的影響。在我們的蒸發液滴和管線中,熱很容易從基片傳遞到液滴的薄釘扎邊緣,導致與中心相比,在液滴邊緣附近的蒸發增強。材料移動到液滴邊緣以替換失去蒸發的液體。增加基底溫度增加向接觸線的溶質轉移的尺寸。在冷卻的情況下,減少邊緣蒸發完全消除了咖啡環的形成,因為冷卻的基底比中心更延遲邊緣蒸發。

噴墨打印之咖啡環效應

從光學輪廓儀中觀察一滴墨在特定溫度下的橫截面和三維投影。

通過比較直線和液滴截面,我們發現溫度對咖啡環形成的影響在液滴中增強。與相同溫度下印刷的均勻線相比,峰谷咖啡環因數下降時更大。這證實了接觸線蒸發的解釋。與均勻線相比,圓形液滴具有更大的邊緣長度與內部面積的比率。因此,當受到加熱時,液滴顯示出溶質向其邊緣的更大轉移。

我們對溫度對咖啡環沉積的影響的解釋不需要考慮表面張力的溫度依賴性。然而,已發表的關於咖啡環效應的研究值得對錶面張力流進行討論,稱為Marangoni效應。以往的工作表明,通過設計合適的Marangoni流量,可以控制或消除咖啡環效應。Hu 和 Larson指出,Marangoni在蒸發的辛烷液滴中流動,導致溶質在其中心沉積,而不是在其周邊形成咖啡環。然而,在同一封信中,他們發現蒸發的水滴沒有這種效果,即使避免表面活性劑汙染。Savino等人的其他工作,給出了類似的結論,見證了Marangoni在蒸發的有機溶劑而不是水滴中流動。因此,在我們的工作中,當水被用作猩猩的溶劑並經受一個重要的輸送通道(儲液器、油管、噴墨頭)時,沒有理由懷疑我們的墨滴有Marangoni流動。事實上,正如我們所觀察到的,在較高溫度下增強的咖啡環與溫度驅動的Marangoni流動相反,溫度驅動的Marangoni流動將越來越多地將小蠹溶質重新分配到更溫暖的基底上的特徵中心。

通過控制乾燥特性下的基底溫度,我們演示了其拓撲結構的控制,逆轉或增強咖啡環效應。與室溫乾燥相比,加熱的基底在珠子的邊緣導致更大的蒸發,從而產生增強的咖啡環。類似地,冷卻的基板抑制邊緣蒸發並消除特徵邊緣處的咖啡圈。這些效應在圓形液滴中比在直線中更強烈,因為液滴中邊緣長度與中心面積的比例較大。

參考文獻:

Inkjet-PrintedLine Morphologies and Temperature Control of the

Coffee RingEffect

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