CN102828257B - 电液动力可控喷印亚微米纤维装置 - Google Patents

Abstract

一种电液动力可控喷印亚微米纤维装置，包括光学隔振平台、操作手控制器和载物台控制器，还包括设置于所述光学隔振平台的直流高压电源、注射泵、输流管、三维操作手、摄像机、X-Y载物平台、接收板、喷射头、计算机，所述操作手控制器、载物台控制器、摄像机、注射泵、直流高压电源与所述计算机相连接，所述直流高压电源与所述喷射头、接收板相连，所述注射泵通过所述输流管与所述喷射头相连，所述输流管通过固定装置固定于所述三维操作手，所述接收板放置于所述X-Y载物平台，所述喷射头与所述接收板之间设有间距。本发明所揭示的电液动力可控喷印亚微米纤维装置可精确控制亚微米纤维沉积。

Description

电液动力可控喷印亚微米纤维装置

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及以高分子聚合物为材料喷射亚微米纤维的装置。

背景技术

近年来，设计和制备纳米尺度的材料引起了科学界的广泛关注，随着聚合物微纳米纤维其良好的力学、光学以及电气性能被人们所认知，使得聚合物微纳米纤维在微机电学、生物学方面的有着广阔的应用前景，如应用于薄膜晶体管、电池、生物传感器、人造皮肤等。

目前采用的电液动力喷射亚微米纤维技术，在微小的喷印头顶端的高分子聚合物溶液受重力、表面张力、毛细管力等力的作用，利用直流高压静电场使喷印头顶端的聚合物带电形成Taylor锥，当喷印头顶端表面电荷在高压电场中的电场力与上述各种力作用在一起，从喷印头能够产生连续射流现象，并且当设定了一个大小稳定的电场时，能够连续稳定地沉积在收集板上，得到线宽大约为几微米的微纳米线，在沉积过程中移动收集板，能够得到一系列二维微纳米图案。

传统静电纺丝技术存在喷印头与收集板之间距离过大，在沉积过程中受环境影响过大，难以控制喷印的聚合物纤维从而使其有序的沉积，在一些运用领域中，如传感器，这些微纳纤维的精确图案化是影响该种传感器性能的很主要的一个方面，这就需要更为有效的方法来控制聚合物纤维的精确沉积。

鉴于上述技术问题，Jang-Ung Park等人(Jang-Ung Park,Matt Hardy,SeongJun Kang,Kira Barton,Kurt Adair,Deep kishore Mukhopadhyay,Chang YoungLee,Michael S.Strano,Andrew G.Alleyne,John G.Georgiadis,Placid M.Ferreira&John A.Rogers.High-resolution electrohydrodynamic jet printing.NatureMaterials 2007,6,782-789)运用电液动力喷印装置喷射聚合物溶液，成功打印出复杂高分辨率亚微米级图案，并且实现了可控喷印。区别于以往设备，Park等人所用喷印头为镀金喷印头，并且喷印头顶端内径只有几个微米，这就导致了制备喷印头方面的工艺非常复杂且容易堵塞，这也就使得喷印头对工作环境的要求也非常高。

因此，需要设计一种可精确控制亚微米纤维沉积的电液动力装置。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种可精确控制亚微米纤维沉积的电液动力装置。

为解决上述问题，本发明揭示了一种电液动力可控喷印亚微米纤维装置，包括光学隔振平台、操作手控制器和载物台控制器，还包括设置于所述光学隔振平台的直流高压电源、注射泵、输流管、三维操作手、摄像机、X-Y载物平台、接收板、喷射头、计算机，所述操作手控制器、载物台控制器、摄像机、注射泵、直流高压电源与所述计算机相连接，所述直流高压电源与所述喷射头、接收板相连，所述注射泵通过所述输流管与所述喷射头相连，所述输流管通过固定装置固定于所述三维操作手，所述接收板放置于所述X-Y载物平台，所述喷射头与所述接收板之间设有间距。

优选地，所述装置还包括显微镜，所述显微镜与所述计算机相连接。

优选地，所述直流高压电源的正极与所述喷射头相连，所述直流高压电源的负极与所述接收板相连。

优选地，所述喷射头与所述接收板之间的距离为0.5mm-2mm。

优选地，所述喷射头顶端孔内径为60μm、110μm、160μm。

优选地，所述喷射头为不锈钢喷射头。

优选地，所述输流管中灌输有聚合物溶液，所述聚合物溶液质量浓度为3%-12%。

优选地，所述直流高压电源的输出范围为1000-2500V。

优选地，所述注射泵的注射速率为50μl/h-60μl/h。

优选地，所述X-Y载物平台的移动范围为12cm*7cm，所述X-Y载物平台的移动速度为1mm/s-2cm/s。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所揭示的电液动力可控喷印亚微米纤维装置，可对聚合物纤维实现可控自动化操作，操作者能够使喷射头在预想轨迹中进行行走，并且在喷射过程中以及平台移动过程中维持稳定喷射，能够精确定位喷射头与接收板之间的距离，待达到预期目标后能够顺利停止作业，喷涂任意设计的图案，达到一体化可控操作的目的，实现聚合物纤维的有序排列与图案化。

附图说明

图1是本发明优选实施例中电液动力可控喷印亚微米纤维装置的结构示意图；

图2是实施例一中所得到的聚合物纤维沉积图；

图3是电压与聚合物纤维线宽的关系图；

图4是接收板8和喷射头9之间距离与聚合物纤维线宽的关系图；

图5是实施例二中所得到的聚合物纤维沉积图；

图6是实施例三中所得到的聚合物纤维沉积图；

图7是实施例四中所得到的聚合物纤维沉积图；

图8是实施例五中所得到的聚合物纤维沉积图；

图9是实施例六中所得到的聚合物纤维沉积图；

其中：1、直流高压电源；2、注射泵；3、输流管；4、三维操作手；5、显微镜；6、摄像机；7、X-Y载物平台；8、接收板；9、喷射头；10、计算机；11、光学隔振平台；12、操作手控制器；13、载物台控制器。

具体实施方式

鉴于现有的电液动力喷射亚微米纤维技术，在聚合物纤维的沉积过程中受环境影响过大，难以控制喷印的聚合物纤维从而使其有序的沉积，从而影响到所应用领域的产品品质，因此，控制聚合物纤维的精确沉积是一个重要的研究课题。

本发明揭示了一种电液动力可控喷印亚微米纤维装置，包括光学隔振平台、操作手控制器和载物台控制器，还包括设置于所述光学隔振平台的直流高压电源、注射泵、输流管、三维操作手、摄像机、X-Y载物平台、接收板、喷射头、计算机，所述操作手控制器、载物台控制器、摄像机、注射泵、直流高压电源与所述计算机相连接，所述直流高压电源与所述喷射头、接收板相连，所述注射泵通过所述输流管与所述喷射头相连，所述输流管通过固定装置固定于所述三维操作手，所述接收板放置于所述X-Y载物平台，所述喷射头与所述接收板之间设有间距。为了便于测量纤维的线宽，所述计算机还连接有显微镜。

使用时，在输流管中灌输有聚合物溶液，利用计算机控制注射泵按预设轨迹行走，从而将聚合物纤维精确喷射至接收板上，实现聚合物纤维的有序排列与图案化。

下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述。

如图1所示，本发明所揭示的电液动力可控喷印亚微米纤维装置，包括光学隔振平台11、操作手控制器12和载物台控制器13，还包括设置于光学隔振平台11的直流高压电源1、注射泵2、输流管3、三维操作手4、显微镜5、摄像机6、X-Y载物平台7、接收板8、喷射头9、计算机10，操作手控制器12、载物台控制器13、摄像机6、注射泵3、显微镜5、直流高压电源1与计算机10相连接，直流高压电源1与喷射头9、接收板8相连，注射泵2通过输流管3与喷射头9相连，输流管3通过固定装置固定于三维操作手4，接收板8放置于X-Y载物平台7，喷射头9与接收板8之间设有间距。

在本实施例中，直流高压电源1的正负极分别与喷射头9和接收板8相连接，调节两端电压范围在1000-2500V，喷射头9采用不锈钢喷射头，显微镜5采用倒置生物显微镜，接收板8采用上表面为镀膜导电面的透明玻璃片，通过调节三维操作手4精确控制喷射头9与接收板8之间的距离，喷射头9与接收板8之间的距离范围优选为0.5mm-2mm。接收板8固定于X-Y载物平台7上面，注射泵2的流量速率控制在40μl/h-60μl/h范围内。使用时，所有操作均在计算机上完成，包括开启开关，调节三维操作手4使得喷射头9与接收板8之间的距离在所选范围内，开启注射泵2以预定速率进行注射，通过数据采集卡模拟输出稳定电压控制直流高压电源1稳定输出小额电压，慢慢增大电压值使得喷射头9顶端能够产生稳定射流现象，设置X-Y载物平台7的移动速度在1mm/s-2cm/s范围以内，X-Y载物平台7以预先设置好的轨迹进行移动，计算好移动时间，待移动结束自动切断电压，喷印结束，此时在接收板8上能够得到一组微纳纤维图案。

实施例一：

在输流管3中灌输质量浓度为3%-12%的聚合物溶液，X-Y载物平台7的移动速度为2cm/s，直流高压电源1的数值为1000V，注射泵2的注射速率为40μl/h，接收板8与喷射头9之间的距离为1mm，喷射头顶端孔内径为60μm，喷印出线宽为2.5μm且相互平行的聚合物纤维，如图2所示。

一般情况下喷射头的内径越小，所喷出的纤维直径越小，但同时还与喷射头到接收板的距离，以及所施加电压等因素有关。根据不同参数得到不同线宽的聚合物纤维与所施加电压、喷射头9顶端孔内径、接收板8和喷射头9之间距离的关系，如图3和图4所示。从图3可以看出，聚合物纤维的线宽随着电压的增高或喷射头9顶端孔内径的增大而变宽。从图4可以看出，聚合物纤维的线宽随着接收板8和喷射头9之间距离变大而变小。

实施例二：

X-Y载物平台7的移动速度为0.5cm/s，移动轨迹为密集的矩形图案，其它同实施例一，喷印出的图案如图5所示。

实施例三：

X-Y载物平台7的移动速度为1cm/s，移动轨迹为密集的矩形图案，其它同实施例一，喷印出的图案如图6所示。

实施例四：

X-Y载物平台7的移动速度为2cm/s，移动轨迹为密集的矩形图案，其它同实施例一，喷印出的图案如图7所示。

由实施例一至实施例四可以看出，影响聚合物微纳纤维沉积于接收板8具体位置的重要因素是X-Y载物平台7的移动速度，通过施加不同的移动速度，接收板8上得到的图案也不同。从图7中可以验证X-Y载物平台7的确实为密集矩形图案。

实施例五：

将X-Y载物平台7的移动轨迹设计为密集的正方形图案，X-Y载物平台7的移动速度0.5cm/s，直流高压电源1为1500V，接收板8与喷射头9的距离为1.5mm，注射泵2的注射速率为40μl/h，其它同实施例一。待形成稳定喷射后，X-Y载物平台7以预先设计的轨迹移动，在接收板8上得到如图8所示图案，图中每个正方形的边长约为50μm，线宽为3μm。

实施例六：

将X-Y载物平台7的移动轨迹设计为字体图案，X-Y载物平台7的移动速度为2mm/s，直流高压电源1为1500V，接收板8与喷射头9的距离为1mm，注射泵2的注射速率为40μl/h，其它同实施例一，将在接收板8上形成预先设计的字体图案，如图9所示。

本发明所揭示的电液动力可控喷印亚微米纤维装置，可对聚合物纤维实现可控自动化操作，操作者能够使喷射头在预想轨迹中进行行走，并且在喷射过程中以及平台移动过程中维持稳定喷射，能够精确定位喷射头与接收板之间的距离，待达到预期目标后能够顺利停止作业，喷涂任意设计的图案以及能够及时测量所喷印亚微米纤维的线宽，达到一体化可控操作的目的，实现聚合物纤维的有序排列与图案化。本发明所揭示的电液动力可控喷印亚微米纤维装置操作简单、测量精确，且所采用的喷射头成本低，因此，整个装置的成本也随之降低。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种电液动力可控喷印亚微米纤维装置，其特征在于：包括光学隔振平台、操作手控制器和载物台控制器，还包括设置于所述光学隔振平台的直流高压电源、注射泵、输流管、三维操作手、摄像机、X-Y载物平台、接收板、喷射头、计算机，所述操作手控制器、载物台控制器、摄像机、注射泵、直流高压电源与所述计算机相连接，所述直流高压电源与所述喷射头、接收板相连，所述注射泵通过所述输流管与所述喷射头相连，所述输流管通过固定装置固定于所述三维操作手，所述接收板放置于所述X-Y载物平台，所述喷射头与所述接收板之间设有间距，所述喷射头与所述接收板之间的距离为0.5mm-2mm，所述喷射头顶端孔内径为60μm、110μm、160μm，所述喷射头为不锈钢喷射头。

2.根据权利要求1所述的电液动力可控喷印亚微米纤维装置，其特征在于：还包括显微镜，所述显微镜与所述计算机相连接。

3.根据权利要求1所述的电液动力可控喷印亚微米纤维装置，其特征在于：所述直流高压电源的正极与所述喷射头相连，所述直流高压电源的负极与所述接收板相连。

4.根据权利要求1所述的电液动力可控喷印亚微米纤维装置，其特征在于：所述输流管中灌输有聚合物溶液，所述聚合物溶液质量浓度为3％-12％。

5.根据权利要求1或3所述的电液动力可控喷印亚微米纤维装置，其特征在于：所述直流高压电源的输出范围为1000-2500V。

6.根据权利要求1所述的电液动力可控喷印亚微米纤维装置，其特征在于：所述注射泵的注射速率为50μl/h-60μl/h。

7.根据权利要求1所述的电液动力可控喷印亚微米纤维装置，其特征在于：所述X-Y载物平台的移动范围为12cm*7cm，所述X-Y载物平台的移动速度为1mm/s-2cm/s。