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加拿大女王大学刘国军教授团队：图案化电纺丝织物在绢印和多领域的应用

 绢印（Screen Printing），又称孔版印刷、网版印刷、丝网印刷等，是一种古老但仍然广泛应用的印刷技术。传统的绢印，分为制版和印刷两部。制版过程是在以丝或尼龙织成网屏（screen）的四方框架上，以手工绘画或感光方法，用光敏乳胶（emulsion）把印纹以外的网目完全封闭，而形成镂空的孔版。印刷时，印墨（ink）受刮刀（squeegee）的刮压，就会通过印纹部分的纲目而到达被印物上。

图一：绢印步骤示意图（上），绢印刮压过程（中），常见绢印印刷品（下）

  绢印原理简明成本低廉，制版容易，印刷速度较快，且设备和印刷物可大可小，但是印刷品的分辨率不高。曾被广泛用于印刷电影海报、商品包装等，至今仍然在个性体恤衫制作、艺术版画等领域占有很重要的位置。

  除了这些视觉领域，由于绢印的许多优秀特点，近些年来科研和工业界一直尝试将其改良，提高其分辨率，以便用于更多生产领域，诸如印刷电路板（PCB）。根据绢印的原理，其能达到的最大的分辨率不可超过所用丝网的目数（mesh number），同时也受到感光模板、光敏乳胶、印墨和被印物的限制。

  为了改进绢印技术，加拿大女王大学刘国军教授团队提出的设计思路，包括其中两个环节的改进：

• 1. 选用亲水性的超精细电纺丝织物（~200 纳米）作为“丝网”，丝与丝交叠形成的空隙平均约5微米，远小于目前商用丝网的孔径。

• 2. 用含有光交联和疏水成分的纳米尺寸的高分子胶束（~20 纳米）代替“感光乳液”。

图二：刘国军教授团队使用电纺丝织物和纳米胶束改良绢印技术示意图。

  首先，将含有环氧基团的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PGMA）和交联剂作为前驱物，用电纺丝的手段纺成织物 （mat）（图二 1）。这样的织物在热交联后表面富含羟基，非常亲水。同时，将聚二甲基硅氧烷（PDMS）和含肉桂酸成分的聚丙烯酸（PCEA）共聚物，在溶液中自组装成纳米胶束。

  然后，将纳米胶束附着于织物丝表面，形成单分子刷状层（图二 3），并在激光打印的光交联模板（mask）遮挡下使用UV光交联（图二 4）。模板上无色的区域被UV光透过，将PCEA交联，PDMS就被固定在织物表面，形成超疏水的区域。而模板上黑色图案的区域，UV无法通过，被遮盖的区域未被交联。上面的疏水共聚物将被溶剂洗去（图二 5），最终变成亲水的图案。这样经过处理过的电纺丝织物就形成制版完成的“丝网”。

  最后，只需将水性印墨置于“丝网”上，便可见亲水/疏水的区域形成的图案（图二 5，图三）。而此图案最终被印制在纸张上（图二 6）。

  所得到结果显而易见。在激光打印机打印出的光交联模板（图四 a）向“丝网”制版的过程中，几乎没有清晰度损失。所制出的“丝网”版精确还原了模板的细节，包括打印机在10号字体“i”字母顶部的打印缺陷也原样重现（图四 b）。而重现此处缺陷，所需的分辨率小于30微米。而从下至上的字体分别为10、7.5、5、4号字，也都在“丝网”精确重现。将文字印刷到普通打印纸后（图四 c），所印图案虽有细节损失，但依然清晰可见。所损失的细节主要来自于未优化的印墨和纸张的粗糙度。与此作为对比的，传统绢印技术印制的图案（图四d）在10号字体处尚可辨认，小于5号的字体也几乎无法辨认。

图四：所用的光交联模板（a，e），本工作中制作的高清晰“丝网”制版（b，f），本工作中在纸面印制的图案（c），使用传统绢印印制的图案（d）

除了印刷可视图案，他们也尝试了使用该技术印刷水性导电墨水。所采用的墨水是10纳米左右的银纳米粒子，在打印纸上印出设计出的电路图案（图五b）。另一方面，电纺丝织物本身也可以作为柔性电路板的载体。在制版后，直接将商用的炭黑基水性导电墨水（Bare Electric Paint）稀释后，装载到电纺丝“丝网”上，可组装出驱动LED发光的电路（图五 c）。他们团队认为这样的技术和设计思路，或可运用到目前热门的柔性电路、可穿戴设备中，因为这样的“丝网”本身也是可穿戴的无纺织物。

图五: 电纺丝“丝网”用于导电油墨的印刷（a，b），柔性电路（c），和微流体诊断（d，e）

  除此之外，他们也在电纺丝织物上，制成具有微流体性能的图案。他们用pH指示剂和银镜反应（图五d e）证明了这样的性能。并指出该项技术除了用于改良绢印技术，也具有在微流体、诊断等领域的开发潜力。

  这一研究，利用光交联技术和疏水纳米胶束，在超精细的电纺丝织物上形成高分辨的图案。这样的织物具有多方面的应用前景：可用于提高绢印技术的分辨率、可印刷导电墨水、可制作柔性电路和微流体器件。相关工作发表于Journal of Materials Chemistry C （DOI: 10.1039/C7TC05197B）。其部分前期工作发表于Journal of Materials Chemistry A （DOI: 10.1039/C4TA00714J）。