CN102162175A - 激光引导电纺直写装置 - Google Patents
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Abstract
激光引导电纺直写装置，提供了一种可实现单根均匀微/纳米结构长时间可控制备和精确定位的激光引导电纺直写装置。设有控制器、高压继电器、静电高压电源、空心喷头、准直聚焦透镜组、光纤、密封调节件、激光器、供液泵、供液管、收集板和运动平台。控制器接高压继电器，高压继电器各端分别接静电高压电源、收集板及设于空心喷头前端的导体喷嘴，密封调节件与空心喷头后端密封连接，光纤穿过密封调节件中心且与密封调节件固连，准直聚焦透镜组设于光纤前端，光纤后端露出空心喷头且与激光器连接，供液泵通过供液管与空心喷头连通，收集板固于运动平台上且面对空心喷头。激光约束了纺丝射流的无序运动并引导纺丝射流沉积于收集板激光斑点处。
Description
技术领域
本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种电纺直写装置，特别是一种激光引导的电纺直写装置。
背景技术
静电纺丝是利用静电力拉伸黏弹性流体，使其变形产生射流实现纳米纤维的喷射；作为一种新兴的微纳米制造技术，静电纺丝技术以其制造成低、工艺简单、原料来源广泛等众多优点，受到了广泛的关注。电纺微纳米结构在柔性电子、微纳装置、高灵敏度传感器件等领域都有着广泛的应用潜力。但电纺丝过程受到电荷排斥力、流体扰动多种因素的影响，聚合物射流存在鞭动、分裂等多种不稳定现象，飞行轨迹十分复杂难以控制，无法实现纳米纤维的准确定位沉积和纤维排列方式控制。制备具有特定图案和排列形式的纳米纤维膜，在生物组织工程、微纳米器件、柔性电子器材等方面的都具有重要应用前景，对于静电纺丝技术的工业化应用也具有深远的意义。
如何实现静电纺丝微纳米结构的可控有序沉积，已经成为了当前电纺技术研究的热点和重点问题，也是限制电纺技术产业化应用的关键。Matthews等([1]Matthews，J.A.，G.E.Wnek，et al.Biomacromolecules Vol.3(2)：232-238)采用可转动笼状圆筒收集器，配合圆筒的旋转可以在圆筒外围笼状结构表面获得有序沉积的纳米纤维。Yee等([2]Yee，W.A.，A.C.Nguyen，et al.Polymer 49(19)：4196-4203.)采用旋转式圆盘作为收集板，可以在平面内获取有序排列的弧形纳米纤维；但这种方法采用运动型收集器纳米纤维膜沉积样式固定难以改变，纳米纤维排列一致性不好，且不能实现单一纳米纤维沉积位置的准确控制。Dan Li等([3]Dan Li，Yuliang Wang，Yonnan Xia.Advanced Materials.Vol.16(4)：361-366)报道了一种简单且有效的方法来制备平行取向纳米纤维，具体做法是在收集板上预先凿开一个孔，受槽孔上方局部电场的影响，纳米纤维将横跨于槽孔两边形成平行取向排列，可较简单地制备高取向性有序纳米纤维并可较容易地转移到其他基底上。R.Dersch等([4]R.Dersch，Taiqi Liu，A.K.Schaper，et al.Journal of Polymer Science Part A：Polymer Chemistry.Vol.41(4)：545-553)采用三维金属槽状结构作为收集板，纳米纤维可以沉积于微槽两边，形成有序的悬空结构，但随着纳米纤维沉积时间的增加，受到已沉积纤维影响后续纤维运动将趋于混乱，而且纳米纤维的排列方式较难以控制，纳米纤维分布范围和排列方式受预先制备的收集板限制，不能随意变换。Sun等([5]Sun D.H.，Chang C.，Li S.，et al.Nano.Lett.，2006vol.6，pp.839-842.)与Chang等([6]Chang C.，Limkrailassiri K.，Lin L.W.Appl.Phys.Lett.，2008vol.93，pp.123111.)采用缩短喷头至收集板距离(0.5～3mm)的方法，使纺丝射在进入无序运动阶段之前便沉积于收集板，实现了单根纳米纤维的沉积，配合收集板的运动可以制备出不同沉积轨迹的电纺纳米纤维结构，但缩短了喷头至收集板的距离，使喷头处溶液的变形行为、收集板上积累电荷等不稳定因素的影响作用增强，随着喷头至收集板距离的减小，纳米纤维空间运动和溶剂蒸发的时间减小，都将不利于均匀纳米纤维的制备。
Sun等([5]Sun D.H.，Chang C.，Li S.，et al.Nano.Lett.，2006vol.6，839-842.)和Chang等([6]Chang C.，Limkrailassiri K.，Lin L.W.Appl.Phys.Lett.，2008vol.93，123111.)的电纺直写技术精确定位主要是依靠显微镜对准喷头与收集板间的相关位置来控制纳米纤维的沉积位置，由于喷头与收集板之间存在高度差，受显微镜井深和视觉误差的影响，单纯依靠显微镜观测对准是难以实现电纺直写微/纳米结构的高精度定位沉积，显微镜对测受操作者的操作水平影响较大，技术稳定性差则难以适应高标准的流水线生产。
如何减小静电纺丝过程的干扰因素的影响，提高静电纺丝过程的稳定性和可控性，目前仍是电纺丝纳米纤维实现工业化应用的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现单根均匀微/纳米结构长时间可控制备和精确定位的激光引导电纺直写装置。
本发明设有控制器、高压继电器、静电高压电源、空心喷头、准直聚焦透镜组、光纤、密封调节件、激光器、供液泵、供液管、收集板和运动平台；
控制器输出端与高压继电器控制端连接，高压继电器常开端与静电高压电源正极相连，高压继电器常闭端与静电高压电源负极和收集板连接后接地，高压继电器公共端与位于空心喷头前端的导体喷嘴连接，导体喷嘴与空心喷头同轴，密封调节件与空心喷头后端密封连接，光纤固连并穿过密封调节件中心，光纤前部位于空心喷头内部且与空心喷头同轴，准直聚焦透镜组设于光纤前端且与光纤同轴，光纤后端露出空心喷头且与激光器连接，供液泵出口与供液管一端连接，供液管另一端与空心喷头连通，运动平台位于空心喷头下方，收集板固于运动平台上且面对空心喷头。
所述控制器可为电脑。
所述密封调节件最好为密封端盖，密封端盖与空心喷头同轴且螺纹连接。
所述空心喷头的导体喷嘴长度最好为5～10mm，内径最好为0.1～0.5mm。
所述准直聚焦透镜组至空心喷头的导体喷嘴端口距离最好为10～15mm。
所述空心喷头的导体喷嘴端口至收集板距离最好为0.5～50mm。
所述供液泵最好选用流量可控的精密供液泵。
本发明所述电纺直写装置工作原理和突出优点如下：将本发明安装在机器上，开启激光器调节准直聚焦透镜组使激光束沿空心喷头轴线射出，并使激光聚焦点略低于射流泰勒锥尖端；开启供液泵和静电高压电源；待溶液充满空心喷头，通过控制器使高压继电器发生动作，导体喷嘴接通静电高压电源正极；溶液在静电力作用下发生变形产生泰勒锥，并从锥尖产生纺丝射流。受到激光的引导和约束作用，纺丝射流的稳定性得到了增强，延长了纺丝射流直线运动的距离；同时避免了电纺过程射流的无序运动，实现了单股射流直线稳定喷射。在激光束的引导下，电纺直写微/纳结构将沉积于收集板上的激光斑点处，避免了传统静电纺丝纳米纤维无序沉积的缺点；通过控制收集板的位置和运动轨迹，这样可实现了单根微/纳结构的精确定位和图案化制备。通过激光的引导作用增强了单股射流运动的稳定性，可在喷头至收集板距离较大的条件下实现单根有序微/纳结构的有序可控沉积和精确定位；喷头至收集板距离的增大，减少了喷头处溶液流动对电纺直写过程的影响，降低了纺丝过程控制的难度，并延长了喷射过程微/纳结构的运动时间和溶剂蒸发时间，有利于提高电纺直写微/纳米结构的均匀性；同时，激光的固化作用加速了聚合物溶液射流中溶剂的挥发，将有利于进一步提高电纺直写微/纳米结构的均匀性；再者，激光引导实现了电纺直写微/纳米结构沉积位置的可见性，降低了电纺直写微/纳米结构精确定位的控制难度，提高了电纺直写微/纳米结构的定位精度；采用供液泵进行连续供液，确保了单根均匀微/纳结构的长时间可控制备。密封调节件可根据溶液粘度等特性不同，进行上下位置调整，从而带动光纤前部上下移动，使准直聚焦透镜组至空心喷头的导体喷嘴端口距离得到调节，以满足工艺技术要求。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例设有电脑1、高压继电器2、静电高压电源3、空心喷头8、准直聚焦透镜组7、光纤9、密封端盖12、激光器13、供液泵10、供液管11、收集板4和运动平台5。
控制器1输出端与高压继电器2控制端连接，高压继电器3常开端与静电高压电源3正极连接，高压继电器2常闭端与静电高压电源3负极和收集板4连接后接地，高压继电器2公共端与位于空心喷头前端的导体喷嘴6连接，导体喷嘴6与空心喷头8同轴。密封端盖12与空心喷头8后端密封螺纹连接，密封端盖12与空心喷头8同轴。光纤9穿过密封端盖12中心并与密封端盖12固连，光纤9前部位于空心喷头8内部且与空心喷头8同轴，准直聚焦透镜组7设于光纤9前端且与光纤9同轴，光纤9后端露出空心喷头8且与激光器13连接，供液泵10出口与供液管11一端连接，供液管11另一端与空心喷头8连通，运动平台5位于空心喷头8下方，收集板4固于运动平台5上且面对空心喷头8。
所述空心喷头8的导体喷嘴6长度为6mm(可为5～10mm)，内径为0.3mm(可为0.1～0.5mm)。所述准直聚焦透镜组7至空心喷头8的导体喷嘴6端口距离为12mm(可为10～15mm)。所述空心喷头的导体喷嘴端口至收集板距离最好为0.5～50mm。所述供液泵10选用流量可控的精密供液泵。
工作时，开启激光器13调节准直聚焦透镜组7使激光束沿空心喷头轴线射出，并使激光聚焦点略低于射流泰勒锥尖；开启供液泵10和静电高压电源3；待溶液充满空心喷头8，通过控制器1使高压继电器2发生动作，导体喷嘴6接通静电高压电源3。在激光束的引导下，电纺直写微/纳结构将沉积于收集板4上的激光斑点处，避免了传统静电纺丝纳米纤维无序沉积的缺点；通过观察收集板上的激光斑点，可实现直写微纳结构沉积位置的精确调节；通过控制运动平台5的运动轨迹轨迹，可实现了单根微/纳结构的精确定位和图案化制备。纺丝过程采用供液泵10进行连续供液，确保了直写装置的长时间稳定工作。
Claims (7)
1.激光引导电纺直写装置，其特征在于设有控制器、高压继电器、静电高压电源、空心喷头、准直聚焦透镜组、光纤、密封调节件、激光器、供液泵、供液管、收集板和运动平台；
控制器输出端与高压继电器控制端连接，高压继电器常开端与静电高压电源正极相连，高压继电器常闭端与静电高压电源负极和收集板连接后接地，高压继电器公共端与位于空心喷头前端的导体喷嘴连接，导体喷嘴与空心喷头同轴，密封调节件与空心喷头后端密封连接，光纤固连并穿过密封调节件中心，光纤前部位于空心喷头内部且与空心喷头同轴，准直聚焦透镜组设于光纤前端且与光纤同轴，光纤后端露出空心喷头且与激光器连接，供液泵出口与供液管一端连接，供液管另一端与空心喷头连通，运动平台位于空心喷头下方，收集板固于运动平台上且面对空心喷头。
2.如权利要求1所述的激光引导电纺直写装置，其特征在于所述控制器为电脑。
3.如权利要求1所述的激光引导电纺直写装置，其特征在于所述密封调节件为密封端盖，密封端盖与空心喷头同轴且螺纹连接。
4.如权利要求1所述的激光引导电纺直写装置，其特征在于所述空心喷头的导体喷嘴长度为5～10mm，内径为0.1～0.5mm。
5.如权利要求1所述的激光引导电纺直写装置，其特征在于所述准直聚焦透镜组至空心喷头的导体喷嘴端口距离为10～15mm。
6.如权利要求1所述的激光引导电纺直写装置，其特征在于所述空心喷头的导体喷嘴端口至收集板距离为0.5～50mm。
7.如权利要求1所述的激光引导电纺直写装置，其特征在于所述供液泵选用流量可控的供液泵。
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