用于打印PEDOT：PSS导电水凝胶的装置及其方法
技术领域
本发明涉及的是一种印刷电子技术领域的装置，更具体地说，涉及一种打印PEDOT：PSS导电水凝胶的装置。
背景技术
印刷电子技术作为新颖的制造轻量化的、可穿戴的电子产品的技术，得到了积极的研究发展。与传统的半导体相比，导电聚合物因其优异的机械性能与溶液可加工性而成为印刷电子器件的理想电极。其中，聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)由于其可调的电性能，可见光透过率，生物相容性以及良好的环境稳定性，被认为是最有发展前景的候选材料。
通过向PEDOT:PSS水溶液添加离子液体或二甲基亚砜等二次掺杂剂可提高其导电率，最近发现当添加过量的二次掺杂剂会导致PEDOT:PSS粘度增加，形成一种新的材料，被称为导电水凝胶。
目前最常用的薄膜图案化方法是光刻法，这项技术需要定制掩模，作为一项印刷电子方法，这需要消耗较多的时间与财力，且存在由于多个加工步骤而存在的污染可能性问题。因此目前需要一种可以快速打印且工艺简单的打印PEDOT:PSS导电水凝胶的装置。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种工艺简单的快速打印PEDOT:PSS导电水凝胶的装置。本发明通过一个同轴的结构，将PEDOT:PSS与二次掺杂剂从两个不同的管道同时流出至一个喷头结构，两者仅在出料口相接触并快速固化，进而实现快速打印PEDOT:PSS导电水凝胶的目的。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下所述：
一种用于打印PEDOT：PSS导电水凝胶的装置，其中设有内管、外管和喷头，所述内管同轴嵌套于外管中，喷头安装于外管底部；所述内管上设置有内管进料口和内管出料口，且内管从内管进料口到内管出料口之间有一贯穿的腔道；内管出料口与喷头同轴布置，喷头围绕内管出料口周向形成一个环形喷口；所述外管上设有外管进料口，内管与外管之间留有间隙，使外管进料口密闭连通所述环形喷口。
作为优选，所述的喷头以可拆卸形式密封固定于外管底部。
进一步的，所述的喷头与外管通过螺纹连接。
作为优选，所述的内管出料口的口径小于内管进料口的口径。
作为优选，所述的喷头呈倒圆台形，所述内管的底段也呈倒圆台形，两者之间的通道横截面从上往下渐缩。
作为优选，所述的外管顶部与内管密封，外管进料口设置于外管的侧壁上。
作为优选，所述的喷头底面与内管底面处于同一水平面。
作为优选，所述的内管进料口连接用于注入PEDOT:PSS材料的第一供料装置，所述外管进料口连接用于注入二次掺杂剂的第二供料装置。
作为优选，还包括三轴移动平台，装置通过所述外管整体搭载于三轴移动平台上进行移动。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一所述装置打印PEDOT：PSS导电水凝胶的方法，其具体做法为：控制所述装置按照规划路径在电子器件平面上移动；移动过程中，将PEDOT:PSS材料通过所述内管进料口注入，将二次掺杂剂通过所述外管进料口注入，使PEDOT:PSS与二次掺杂剂分别从内管出料口和环形喷口同步喷出，并在目标位置混合，产生PEDOT:PSS导电水凝胶，定型后在电子器件表面得到目标图案；所述二次掺杂剂优选为十二烷基苯磺酸。
本发明通过同轴打印的方式，将PEDOT:PSS与二次掺杂剂由不同的管道注入，最后于喷头位置相结合形成导电水凝胶，只要将本发明固定于任意三轴平台，皆可轻易绘制各种图形，实现电子印刷。本发明产物流出均匀稳定，使用方便，工艺简单，价格低廉且便于清洗，适宜PEDOT：PSS导电水凝胶的打印。
附图说明
图1是本发明装置的装配效果图。
图2是本发明装置的剖视装配图。
图3是本发明的内管剖视图。
图4是本发明的外管剖视图。
图5是本发明的喷头示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实例作详细说明，本实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实例。
如图1和2所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种打印PEDOT:PSS导电水凝胶的装置的主要部件包括内管1、外管2和喷头3。其中，内管1同轴嵌套于外管2中，喷头3安装于外管2底部。
如图3所示，内管1是一条直管，其顶部设置有内管进料口11，底部为内管出料口12，且内管从内管进料口11到内管出料口12之间有一贯穿的腔道。从内管进料口11注入的流体可以沿着腔道流动至内管出料口12中喷出。为了保证打印时的喷射速度，内管出料口12的口径可以小于内管进料口11的口径。
在该装置中，内管1中注入的流体是PEDOT:PSS，即聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)。为了提高其导电率，需要进一步向PEDOT:PSS水溶液添加二次掺杂剂。而当二次掺杂剂过量时，会导致PEDOT:PSS粘度增加，形成高导电性的导电水凝胶。因此，本发明需要将二次掺杂剂在打印过程中与PEDOT:PSS进行混合，但过早混合容易导致其粘度过大无法顺利喷射和打印，因此本发明中将两者的混合位置设置于喷头3的喷口位置。具体而言，内管出料口12与喷头3同轴布置。内管1的底端占据了喷头3的中心位置，但其外径小于喷头3的喷口内径，因此喷头3围绕内管出料口12周向形成一个环形喷口。如图4所示，外管2的侧壁上设有外管进料口22，而内管1的外径小于外管2内径，使内管1与外管2之间则留有间隙，因此外管进料口22密闭连通底部的环形喷口。此处所说的“密闭连通”是指该连通通道是密闭的，外管进料口22输入的物料仅能够从环形喷口排出。在本实施例中，外管2顶部具有一个与内管1外径相同的嵌套口21，内管1穿过该嵌套口21，两者通过焊接的方式固定，保持内外管的密封性。
同样的，为了保证二次掺杂剂的喷射速度，将喷头3设计成倒圆台形，内管1的底段也呈倒圆台形，两者同轴布置后夹持形成的通道横截面从上往下渐缩，环形出口位置最小。
另外，为了便于清洗拆卸，喷头3优选以可拆卸形式密封固定于外管2底部。在本实施例中，外管2中设置内螺纹23，喷头3顶部设置外螺纹31，可拆卸喷头3上端的外螺纹31与外管2下端的内螺纹23旋合固定，两者之间不漏液。当需要清洗时，可直接将喷头3拧下。
内管1和外管2在使用时均竖直放置，装置可以通过外管2整体搭载于一个三轴移动平台上进行移动。然后将内管进料口11连接用于注入PEDOT:PSS材料的第一供料装置，外管进料口22连接用于注入二次掺杂剂的第二供料装置。两种物料分别从内管出料口12和环形喷口同步喷出，形成混合状态后成为导电水凝胶。考虑到打印的可靠性和稳定性，本实施例中喷头3底面与内管1底面应当处于同一水平面。
在本发明的一个较佳实施例中，第一供料装置和第二供料装置均可以采用医用注射器代替。预先将带有转接头的两根导管分别安装到内管进料口11和外管进料口22上。所用的导管材料优选为聚四氟乙烯。然后两根导管另一头各连接有一个装有药剂的5ml医用注射器，其中内管进料口11使用的药剂为1.1wt％PEDOT:PSS，外管进料口22使用的药剂为96％十二烷基苯磺酸。两个医用注射器固定在不同的注射泵上，分别控制药剂灌注的速度和时间。
基于该装置，可以提供一种打印PEDOT：PSS导电水凝胶的方法，其具体做法如下：
在使用时，通过将该装置固定在一个三轴移动平台上，在完成对平台的程序进行编辑后，可以使三轴平台带动该装置按照规划路径在待打印的电子器件平面上进行相应的移动。在移动过程中，通过控制注射泵，将1.1wt％的PEDOT:PSS材料通过内管进料口11注入，将96wt.％的十二烷基苯磺酸通过外管进料口22注入，从内管进料口11进入的PEDOT:PSS与从外管进料口22进入的十二烷基苯磺酸分别从内管出料口12和环形喷口同步喷出，PEDOT:PSS与高浓度的十二烷基苯磺酸混合，将在器件的目标位置产生高导电性的PEDOT:PSS导电水凝胶。该装置一边移动一边打印，导电水凝胶在常温下定型后，即可在器件上实现各种图案与线条。
在打印工作完成后，从内管进料口11与外管进料口22中注入清水，将内管管腔以及外管管腔内的残余PEDOT:PSS与十二烷基苯磺酸从出料口挤出。后续可以将可拆卸喷头3沿螺纹拆下，用清水进一步清洗，将整个装置洗净。
由此可见，本发明将PEDOT:PSS从内管进料口注入，将二次掺杂剂从外管进料口注入，在适宜的浓度与比例下室温条件可以从喷头位置得到均匀的PEDOT:PSS导电水凝胶，其具有良好的导电性能，并且可以在三轴平台上绘制所需要的各种图案。但PEDOT:PSS和二次掺杂剂的具体浓度、种类、比例等参数，可以根据实际情况选择最佳参数组合，不做限定。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
