CN103230857A - 自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置及该装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置及该装置的控制方法，涉及一种层层浸镀法制备聚电解质多层膜技术。它为了解决现有层层浸镀法制备聚电解质多层膜手工操作缓慢、加工质量不一致的问题。本发明包括底板、旋转执行机构、旋转板、三角支架、垂直执行机构、水平导轨、两个限位器、水平执行机构、试样夹、垂直驱动电路、水平驱动电路、旋转驱动电路和计算机，旋转执行机构通过旋转驱动电路与计算机连接，垂直执行机构通过垂直驱动电路与计算机连接，水平执行机构通过水平驱动电路与计算机连接。通过计算机软件控制试样夹运动来完成镀膜。本发明具有效率高、能够保证加工质量一致的优点。本发明适用于层层浸镀法制备聚电解质多层膜技术领域。

Description

自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置及该装置的控制方法

技术领域

本发明涉及一种层层浸镀法制备聚电解质多层膜技术。

背景技术

自从1990年以来，依靠浸渍技术生产薄膜层层浸渍程序的发展一直以来都是手工缓慢操作并且十分耗费时间。

尽管出现诸如浸渍装置的自动机器人，在大多数情况下仍然依赖于手工操作控制。也主要因为这个原因，大多数机器人以一种不可靠的方式运转，有的时候甚至损坏自身以及溶剂容器和试样，通过超强马力的发动机带动的机器人甚至能敲碎人的头盖骨。

层层沉积技术依靠能够相互反应的两种物质进行交替沉淀来完成。在这种情况下，化学上的层层沉淀代表了两种能够彼此发生反应而不是与自身发生反应的化学成分，因此每一步操作只能发生一层沉淀。以上提及的化学层层沉积技术的传感器是巯基交联剂的金纳米粒子。

静电层层沉积体系依靠聚合电解质的交替吸附，因此称之为聚电解质多层膜。因为层层沉积步骤通常会需要十分钟左右，并且每完成一步沉积层之后都必须有三步清洗过程，而这个处理过程通过手工操作非常耗时，导致加工效率低，并且由于人工操作的一致性不好，也导致了加工质量不一致的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有层层浸镀法制备聚电解质多层膜技术的工作效率低以及加工质量不一致的问题，提供一种自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置及该装置的控制方法。

本发明所述的自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置包括底板1、旋转执行机构2、旋转板3、三角支架4、垂直执行机构5、水平导轨6、两个限位器7、水平执行机构8、试样夹9、垂直驱动电路10、水平驱动电路11、旋转驱动电路12和计算机13，所述旋转板3、三角支架4、垂直执行机构5、水平导轨6、两个限位器7、水平执行机构8和试样夹9构成一套二维移动装置，所述旋转板3为圆形平板，所述旋转板3通过旋转执行机构2与底板1连接，所述旋转执行机构2位于旋转板3的中心，三角支架4的一条直角边与底板1固定连接，所述三角支架4的另一条直角边与垂直执行机构5通过竖直导轨滑动连接，水平导轨6的一端固定在垂直执行机构5上，所述垂直执行机构5与水平导轨6垂直，水平执行机构8与水平导轨6滑动连接，所述水平执行机构8与水平导轨6垂直，试样夹9固定水平执行机构8的下端，两个限位器7固定在水平导轨6上，所述两个限位器7的间距为水平导轨6的长度的三分之二；

旋转执行机构2的驱动信号输入端与旋转驱动电路12的驱动信号输出端连接，旋转驱动电路12的旋转控制信号输入端与计算机13的旋转控制信号输出端连接，垂直执行机构5的驱动信号输入端与垂直驱动电路10的驱动信号输出端连接，垂直驱动电路10的垂直控制信号输入端与计算机13的垂直控制信号输出端连接，水平执行机构8的驱动信号输入端与水平驱动电路11的驱动信号输出端连接，水平驱动电路11的水平控制信号输入端与计算机13的水平控制信号输出端连接。

本发明所述的自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置的控制方法通过以下步骤实现：

步骤一、在旋转板3上放置N圈烧杯，N为大于零的正整数，所述N圈烧杯均以旋转板3的中心为圆心，每圈烧杯沿圆周方向均匀分布；从外向内第i圈烧杯的个数为n_i，n_i为大于3的正整数，第i圈烧杯中的顺时针方向第j个烧杯的浸润时间为t_ij，第1圈烧杯中的第1个烧杯位于试样夹9的正下方，每圈烧杯中的第一个烧杯的中心均位于第1圈烧杯中的第1个烧杯的中心与旋转板3中心的连线上，相邻两圈烧杯所在圆周的半径差为d，试样夹到烧杯内液面的距离为h，i和j的初始值为1；执行步骤二；

步骤二、计算机13通过垂直驱动电路10发送垂直向下控制信号给垂直执行机构5，所述垂直执行机构5沿三角支架4垂直向下运动，从而带动试样夹9向下运动，且运动距离为h；执行步骤三；

步骤三、垂直执行机构5保持静止，且静止时间为t_ij；执行步骤四；

步骤四、计算机13通过垂直驱动电路10发送垂直向上控制信号给垂直执行机构5，所述垂直执行机构5沿三角支架4垂直向上运动，从而带动试样夹9向上运动，且运动距离为h；执行步骤五；

步骤五、计算机13通过旋转驱动电路12发送旋转控制信号给旋转执行机构2，带动旋转板3转动角度θ_i，

执行步骤六；

步骤六、判断j是否等于n_i，如果判断结果为是，执行步骤七；否则，执行步骤八；

步骤七；判断i是否等于N，如果判断结果为是，结束镀膜；否则，执行步骤九；

步骤八、j＝j+1，返回步骤二；

步骤九、计算机13通过旋转驱动电路12发送旋转控制信号给旋转执行机构2，带动旋转板3转动角度θ_i，i＝i+1，执行步骤十；

步骤十、计算机13通过水平驱动电路11发送水平控制信号给水平执行机构8，所述水平执行机构8沿水平导轨6向旋转板3的中心水平运动，运动距离为d；返回步骤二。

本发明所述的自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置及该装置的控制方法通过计算机软件控制旋转板3、垂直执行机构5和水平执行机构8运动，与传统的手工操作相比，镀膜时间缩短了90％，提高了工作效率。采用本发明所述的自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置实现制备聚电解质多层膜，各个步骤均有计算机控制完成，保证各步操作的一致性，因此保证了产品加工质量的一致性。

附图说明

图1为本发明所述的自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置的结构图；

图2为旋转板3上两圈烧杯的排布图；

图3为本发明所述的自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置的控制方法流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置包括底板1、旋转执行机构2、旋转板3、三角支架4、垂直执行机构5、水平导轨6、两个限位器7、水平执行机构8、试样夹9、垂直驱动电路10、水平驱动电路11、旋转驱动电路12和计算机13，所述旋转板3、三角支架4、垂直执行机构5、水平导轨6、两个限位器7、水平执行机构8和试样夹9构成一套二维移动装置，所述旋转板3为圆形平板，所述旋转板3通过旋转执行机构2与底板1连接，所述旋转执行机构2位于旋转板3的中心，三角支架4的一条直角边与底板1固定连接，所述三角支架4的另一条直角边与垂直执行机构5通过竖直导轨滑动连接，水平导轨6的一端固定在垂直执行机构5上，所述垂直执行机构5与水平导轨6垂直，水平执行机构8与水平导轨6滑动连接，所述水平执行机构8与水平导轨6垂直，试样夹9固定水平执行机构8的下端，两个限位器7固定在水平导轨6上，所述两个限位器7的间距为水平导轨6的长度的三分之二；

旋转执行机构2的驱动信号输入端与旋转驱动电路12的驱动信号输出端连接，旋转驱动电路12的旋转控制信号输入端与计算机13的旋转控制信号输出端连接，垂直执行机构5的驱动信号输入端与垂直驱动电路10的驱动信号输出端连接，垂直驱动电路10的垂直控制信号输入端与计算机13的垂直控制信号输出端连接，水平执行机构8的驱动信号输入端与水平驱动电路11的驱动信号输出端连接，水平驱动电路11的水平控制信号输入端与计算机13的水平控制信号输出端连接。

本实施方式所述的自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置在实际应用过程中，利用试样夹9夹持基板。将烧杯在旋转板3上排成一圈或多圈，最外圈烧杯中心到旋转板中心的距离R与该圈烧杯的个数n₁和烧杯的半径r的关系为：

$\frac{r}{\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{n_1}\right)}.$

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式是具体实施方式一所述的自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置的控制方法，所述控制方法通过以下步骤实现：

步骤一、在旋转板3上放置N圈烧杯，N为大于零的正整数，所述N圈烧杯均以旋转板3的中心为圆心，每圈烧杯沿圆周方向均匀分布；从外向内第i圈烧杯的个数为n_i，n_i为大于3的正整数，第i圈烧杯中的顺时针方向第j个烧杯的浸润时间为t_ij，第1圈烧杯中的第1个烧杯位于试样夹9的正下方，每圈烧杯中的第一个烧杯的中心均位于第1圈烧杯中的第1个烧杯的中心与旋转板3中心的连线上，相邻两圈烧杯所在圆周的半径差为d，试样夹到烧杯内液面的距离为h，i和j的初始值为1；执行步骤二；

步骤二、计算机13通过垂直驱动电路10发送垂直向下控制信号给垂直执行机构5，所述垂直执行机构5沿三角支架4垂直向下运动，从而带动试样夹9向下运动，且运动距离为h；执行步骤三；

步骤三、垂直执行机构5保持静止，且静止时间为t_ij；执行步骤四；

步骤四、计算机13通过垂直驱动电路10发送垂直向上控制信号给垂直执行机构5，所述垂直执行机构5沿三角支架4垂直向上运动，从而带动试样夹9向上运动，且运动距离为h；执行步骤五；

步骤五、计算机13通过旋转驱动电路12发送旋转控制信号给旋转执行机构2，带动旋转板3转动角度θ_i，

执行步骤六；

步骤六、判断j是否等于n_i，如果判断结果为是，执行步骤七；否则，执行步骤八；

步骤七；判断i是否等于N，如果判断结果为是，结束镀膜；否则，执行步骤九；

步骤八、j＝j+1，返回步骤二；

步骤九、计算机13通过旋转驱动电路12发送旋转控制信号给旋转执行机构2，带动旋转板3转动角度θ_i，i＝i+1，执行步骤十；

步骤十、计算机13通过水平驱动电路11发送水平控制信号给水平执行机构8，所述水平执行机构8沿水平导轨6向旋转板3的中心水平运动，运动距离为d；返回步骤二。

镀膜过程通过计算机软件控制。在软件操作界面内设置验所需要的烧杯圈数N、从外向内第i圈烧杯的个数n_i、第i圈烧杯中的顺时针方向第j个烧杯的浸润时间t_ij、相邻两圈烧杯所在圆周的半径差d和试样夹到烧杯内液面的距离h。计算机根据上述参数确定垂直执行机构5、水平执行机构8和旋转板3的运动方式，并通过垂直驱动电路10、水平驱动电路11和旋转驱动电路12分别控制垂直执行机构5、水平执行机构8和旋转板3运动，从而带动基板从一个烧杯进入另一个烧杯。与传统的手工操作相比，镀膜时间能够缩短90％，且加工质量一致性得到保证。

如果需要制备多个试样，可在底板1上安装多套二维移动装置，每套二维移动装置可通过软件分别控制，完成多个试样的制作。

Claims (2)

1.自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置，其特征在于：所述装置包括底板(1)、旋转执行机构(2)、旋转板(3)、三角支架(4)、垂直执行机构(5)、水平导轨(6)、两个限位器(7)、水平执行机构(8)、试样夹(9)、垂直驱动电路(10)、水平驱动电路(11)、旋转驱动电路(12)和计算机(13)，所述旋转板(3)、三角支架(4)、垂直执行机构(5)、水平导轨(6)、两个限位器(7)、水平执行机构(8)和试样夹(9)构成一套二维移动装置，所述旋转板(3)为圆形平板，所述旋转板(3)通过旋转执行机构(2)与底板(1)连接，所述旋转执行机构(2)位于旋转板(3)的中心，三角支架(4)的一条直角边与底板(1)固定连接，所述三角支架(4)的另一条直角边与垂直执行机构(5)通过竖直导轨滑动连接，水平导轨(6)的一端固定在垂直执行机构(5)上，所述垂直执行机构(5)与水平导轨(6)垂直，水平执行机构(8)与水平导轨(6)滑动连接，所述水平执行机构(8)与水平导轨(6)垂直，试样夹(9)固定水平执行机构(8)的下端，两个限位器(7)固定在水平导轨(6)上，所述两个限位器(7)的间距为水平导轨(6)的长度的三分之二；

旋转执行机构(2)的驱动信号输入端与旋转驱动电路(12)的驱动信号输出端连接，旋转驱动电路(12)的旋转控制信号输入端与计算机(13)的旋转控制信号输出端连接，垂直执行机构(5)的驱动信号输入端与垂直驱动电路(9)的驱动信号输出端连接，垂直驱动电路(9)的垂直控制信号输入端与计算机(13)的垂直控制信号输出端连接，水平执行机构(8)的驱动信号输入端与水平驱动电路(11)的驱动信号输出端连接，水平驱动电路(11)的水平控制信号输入端与计算机(13)的水平控制信号输出端连接。

2.基于权利要求1所述的自动化层层浸镀法制备聚电解质多层膜的装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法通过以下步骤实现：

步骤一、在旋转板(3)上放置N圈烧杯，N为大于零的正整数，所述N圈烧杯均以旋转板(3)的中心为圆心，每圈烧杯沿圆周方向均匀分布；从外向内第i圈烧杯的个数为n_i，n_i为大于3的正整数，第i圈烧杯中的顺时针方向第j个烧杯的浸润时间为t_ij，第1圈烧杯中的第1个烧杯位于试样夹(9)的正下方，每圈烧杯中的第一个烧杯的中心均位于第1圈烧杯中的第1个烧杯的中心与旋转板(3)中心的连线上，相邻两圈烧杯所在圆周的半径差为d，试样夹到烧杯内液面的距离为h，i和j的初始值为1；执行步骤二；

步骤二、计算机(13)通过垂直驱动电路(10)发送垂直向下控制信号给垂直执行机构(5)，所述垂直执行机构(5)沿三角支架(4)垂直向下运动，从而带动试样夹(9)向下运动，且运动距离为h；执行步骤三；

步骤三、垂直执行机构(5)保持静止，且静止时间为t_ij；执行步骤四；

步骤四、计算机(13)通过垂直驱动电路(10)发送垂直向上控制信号给垂直执行机构(5)，所述垂直执行机构(5)沿三角支架(4)垂直向上运动，从而带动试样夹(9)向上运动，且运动距离为h；执行步骤五；

步骤五、计算机(13)通过旋转驱动电路(12)发送旋转控制信号给旋转执行机构(2)，带动旋转板(3)转动角度θ_i，

执行步骤六；

步骤六、判断j是否等于n_i，如果判断结果为是，执行步骤七；否则，执行步骤八；

步骤七；判断i是否等于N，如果判断结果为是，结束镀膜；否则，执行步骤九；

步骤八、j＝j+1，返回步骤二；

步骤九、计算机(13)通过旋转驱动电路(12)发送旋转控制信号给旋转执行机构(2)，带动旋转板(3)转动角度θ_i，i＝i+1，执行步骤十；

步骤十、计算机(13)通过水平驱动电路(11)发送水平控制信号给水平执行机构(8)，所述水平执行机构(8)沿水平导轨(6)向旋转板(3)的中心水平运动，运动距离为d；返回步骤二。

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