CN103334167A - 微纳纤维线圈电纺直写装置 - Google Patents

Abstract

微纳纤维线圈电纺直写装置，涉及电纺直写装置。设有喷头、供液泵、供液管道、Z轴直线电机、X轴直线电机、Y轴直线电机、旋转电机支架、旋转电机、收集轴棒、集成高压电源、CCD显微镜和计算机；供液泵通过供液管道与喷头连通，喷头与Z轴直线电机联动连接，Z轴直线电机、X轴直线电机和Y轴直线电机组成三维运动平台，旋转电机支架设于由X轴、Y轴直线电机构成二维运动平面上，旋转电机安装于旋转电机支架上，收集轴棒与旋转电机输出轴连接，集成高压电源正极接喷头，集成高压电源负极接收集轴棒并接地，CCD显微镜设于喷头旁，CCD显微镜与计算机电连接，计算机与供液泵电连接。可制备连续、多圈、间距形貌均匀的微纳纤维线圈。

Description

微纳纤维线圈电纺直写装置

技术领域

本发明涉及电纺直写装置，尤其是涉及一种适用于微纳纤维线圈谐振器的微纳纤维线圈电纺直写装置。

背景技术

基于微纳纤维的谐振器，尤其是品质因子（Q值）好的谐振器，在非线性光学，光学传感以及通讯等领域得到越来越多的关注。与传统的半导体谐振器相比，基于微纳纤维的谐振器具有低波导传输损耗，良好适应性，低耦合损耗，连接方便等有点，如，理论上能反映低波导传输损耗的Q值可以达到4×10¹⁰([1]M.Sumetsky.Optical fiber microcoil resonator[J].Opt.Express,2004,12(10),2303–2316.)。一般来说，基于微纳纤维的谐振器有三种结构：环形谐振器（MLR）、结节谐振器（MKR）和线圈谐振器（MCR）。其中MCR由于高Q值而有特殊的研究地位。目前研究的直径20mm轴棒双环MCR的Q值可以达到220000([2]Y.Jung,G.S.Murugan,G.Brambilla,and D.J.Richardson.Embedded optical microfiber coil resonatorwith enhanced high-Q[C].IEEE Photon.Technol.Lett.,2010,22(22),1638–1640.)。影响MCR的主要因素有三个：一是环程损耗，二是平均耦合参数，三是MCR轴棒上的环数。环程损耗由微纳纤维的传播损耗和基材轴棒的吸收损耗引起，环程损耗越大，MCR的Q值越小。平均耦合参数K=2πRκ，R是线圈半径，κ为相邻线圈耦合系数（取决于线圈直径和相邻线圈间距），平均耦合参数足够大，才能获得大的Q值。当耦合参数和线圈个数一定时，Q值与线圈直径成正比。然而如果要减小谐振器的尺寸，那就意味着要减小线圈直径，那就只能通过增大耦合参数，那么相邻线圈之间的间距要减小，增大了制造的难度。

由于在线圈间距固定的时候光更可能发生空腔谐振，所以微纳纤维由多线圈组成的MCR可以获得更大的Q值。所以获得大间距，多线圈的MCR便是研究制备装置的重点。

静电纺丝能克服传统微纳制备方法中存在的诸如成本过高，生产效率低，位置难以控制等缺点，具有设备简单、操作方便、材料适用性强、可喷印溶液粘度高等优点，而且有较好的制备连续性，制备出的纤维不但连续而且长度较长（能达到几厘米甚至是几米），均匀性好，能够在许多材料的溶液下进行纺制，也可以在材料的熔融状态下进行纺制。但传统的静电纺丝技术有着一个比较突出的缺点——射流鞭动效应带来的沉积形状的不确定性([3]D.H.Reneker,A.L.Yarin,H.Fong,S.Koombhongse.Bending Instability of Electrically Charged LiquidJets of Polymer Solutions in Electrospinning[J].J.Applied Phys.2000,87(9):4531-4547)。为了克服这种运动的不确定性，在这里引入近场直写技术，也就是缩短喷头与收集板之间的距离，利用射流鞭动前一段相对稳定、直线性较好的射流，从而可以制出均匀并且图案化的效果([4]D.H.Sun,C.Chang,S.Li,L.W.Lin.Near-Field Electrospinning[J].Nano Lett.2006,6(4):839-842)。通过对实验中各个参数的控制，可以达到对制备纤维直径与间距等沉积效果的控制。

结合MCR理论基论以及传统制备工艺和近场直写技术：利用近场直写将微纳纤维直接制备出，沉积在基材轴棒上，通过对三维运动平台、旋转电极以及各个工艺参数的控制，而控制最终的沉积效果，可以制备连续的、多线圈、间距形貌均匀的微纳纤维线圈谐振器。

目前尚未发现适用于微纳纤维线圈谐振器的微纳纤维线圈电纺直写装置的有关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于微纳纤维线圈谐振器，可制备连续、多圈、间距形貌均匀的微纳纤维线圈的微纳纤维线圈电纺直写装置。

本发明设有喷头、供液泵、供液管道、Z轴直线电机、X轴直线电机、Y轴直线电机、旋转电机支架、旋转电机、收集轴棒、集成高压电源、CCD显微镜和计算机；

供液泵通过供液管道与喷头连通，喷头与Z轴直线电机联动连接，Z轴直线电机、X轴直线电机和Y轴直线电机组成三维运动平台，旋转电机支架设于由X轴直线电机与Y轴直线电机构成二维运动平面上，旋转电机安装于旋转电机支架上，收集轴棒与旋转电机输出轴连接，集成高压电源正极接喷头，集成高压电源负极接收集轴棒并接地，CCD显微镜设于喷头旁，CCD显微镜与计算机电连接，计算机与供液泵电连接。

所述喷头的内径可为50～500μm。

所述收集轴棒可采用硅棒，直径可为1～10mm。

所述喷头与收集轴棒之间垂直距离可为0.5～3mm。

与现有技术比较，本发明的有益效果如下：

本发明采用旋转电机带动轴棒旋转，旋转电机可随三维运动平台进行平动。电纺直写微纳纤维在轴棒上沉积之后，随着轴棒的旋转而产生缠绕结构，控制旋转电机的转速可以控制线材沉积的尺寸，当旋转线速度大于射流速度，转速越高，对线材的拉伸作用越强，线材直径越小。旋转电机连同轴棒放置在三维运动平台XY平面内，控制运动平台来控制轴棒的位置，以此来控制线材的沉积位置；通过控制平台来控制轴棒的进给，使得线材最终缠绕呈线圈结构，并且可以控制线圈相邻环之间的距离，获得良好的谐振参数和Q值。喷头则放置在三维运动平台Z轴上，通过控制Z轴的移动来控制喷头与收集轴棒之间的距离，从而获得理想沉积形貌。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的使用状态示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明实施例设有喷头1、供液泵2、供液管道3、Z轴直线电机4、X轴直线电机8、Y轴直线电机9、旋转电机支架7、旋转电机6、收集轴棒10、集成高压电源5、CCD显微镜11和计算机12。供液泵2通过供液管道3与喷头1连通，喷头1与Z轴直线电机4联动连接，Z轴直线电机4、X轴直线电机8和Y轴直线电机9组成三维运动平台，旋转电机支架7设于由X轴直线电机8与Y轴直线电机9构成二维运动平面上，旋转电机6安装于旋转电机支架7上，收集轴棒10与旋转电机6输出轴连接，集成高压电源5正极接喷头1，集成高压电源5负极接收集轴棒10并且接地，CCD显微镜11设于喷头1旁，CCD显微镜11与计算机12电连接，计算机12与供液泵2电连接。

所述喷头1的内径为50～500μm。

所述收集轴棒10采用硅棒，直径为1～10mm。

所述喷头1与收集轴棒10之间垂直距离为0.5～3mm。

供液泵2内的储料槽中设有加热器和温度传感器组合而成的温度控制装置（在图中未画出）；喷头1和供液管道3也集成有加热器和温度传感器组合而成的温度控制装置（在图中未画出）。

本实施例的工作原理如下：

喷头1与供液泵3之间通过供液管道3相连，通过对供液泵2的调控可以实现对供液流量的控制；颗粒、粉末或溶液等原料可以放置在供液泵2内的储料槽中，方便原料的存储以及加热，加热温度由加热器和温度传感器来控制；喷头1和供液管道3也集成有加热器和温度传感器组合而成的温度控制装置，以确保原料在整个供液过程中有稳定的热环境，能控制喷射过程中的凝固速度，从而控制最终成型形貌，也利于实验结束后用高压气枪冲洗。喷头1安置在Z轴直线电机4上，从而使喷头1可以在Z轴方向上做上下位置的调整。

集成高压电源5的正极与喷头1连接、负极与收集轴棒10连接并接地，并可根据不同使用情况变更电压模式：或直流，或交流，或脉冲等。集成高压电源5工作时向喷头1提供高压电势，液态（融熔态或溶液态）原料在高压电场的作用下发生形变产生泰勒锥，并最终由泰勒锥锥尖产生射流喷射，沉积在收集轴棒10上。

收集轴棒10加持在旋转电机6上做旋转运动。旋转电机6通过旋转电机支架7安装在由X轴直线电机8和Y轴直线电机9组成的二维运动平台上。通过控制Z轴直线电机4和Y轴直线电机9，以精确控制1喷头1与收集轴棒10之间的位置关系；收集轴棒10由旋转电机6提供旋转进给，由X轴直线电机8提供轴向直线进给，从而达到线圈结构收集效果。

喷头1、供液泵2和供液管道3通过温度控制单元由计算机12对整个制备过程的热环境进行综合控制，另外供液泵2的供液速度，集成高压电源5的属性和大小以及旋转电机6的转速大小和转向也都由计算机12来控制；由Z轴直线电机4，X轴直线电机8和Y轴直线电机9组成的三维运动平台通过驱动器和控制卡也由计算机12综合控制，整个控制过程采用基于PID的PIV&F伺服控制算法，其特点在于使用比例反馈SGP、积分反馈SGI、速度反馈SGV、速度前馈SGVF和加速前馈SGAF等指令，以满足定位／驱动动静态性能的要求；另外，在喷头1附近设置的CCD显微镜11则可以对整个喷印过程进行监控、记录，并且将最终测量结果，如线宽，液滴直径，结构间距等，显示在计算机12上。供液速度和温度控制，运动控制，电压控制以及视频监控都最终集中于计算机12。计算机12内设有综合控制软件，可以对各个参数进行校对，匹配甚至是模拟，从而实现了整个制备过程的工业化、自动化、柔性化。

供料泵，供给原料，供料泵具有储液和定量供液的功能；设有供料管道，供料管道连接供料泵和喷头，整个原料供给过程都可设有温度控制装置，可具有加热、保温、冷凝、过滤等功能，使得原料选择多元化——既可以选择溶液最为制备原料，也可以选择熔融物质作为原料，并为原料提供稳定的热环境，保证原料的供给，制备过程更加稳定、连续以及实验结束后的清洗。本发明在喷头和收集轴棒之间连接有集成高压电源，可根据需要施加多种波形的电压，或直流，或交流，或脉冲电压信号等，都可以简单的转变，从而使得喷印过程更加柔性化。另外设置的CCD则可以对整个喷印过程进行监控、记录，并且能对结果进行测量，如微纳纤维直径，射流直径，沉积于轴棒上螺旋状纤维的间距等。以上所述的结构功能，运动控制（三维运动平台，旋转电机），供液速度和温度控制（供液装置，供液管道），电压控制（集成高压电源）以及视频监控（CCD）都最终集中并且由计算机控制。计算机内设有综合控制软件，可以对各个参数进行校对，匹配甚至是模拟。从而实现了整个制备过程的工业化、自动化、柔性化。所述收集轴棒，其特征在于安装于旋转电机上，旋转电机支架安装于Y轴直线电机，配合控制X轴直线电机、Y轴直线电机和Z轴直线电机运动轨迹，可以精确控制喷头与收集轴棒轴棒的相对位置；所述收集轴棒，其特征在电纺直写过程可随旋转电机进行旋转运动，并随X轴直线电机进行平动；可以采用但不局限于PMMA，PS，PC等聚合物粉末或溶液作为制备原料；所述CCD显微镜，其特征在于计算机相连，可对整个制备过程进行监控，并对最终的沉积效果，如线宽，液滴直径，结构间距等进行测量。所述集成高压电源，可根据不同使用情况变更电压波形，或直流，或正弦交流，或脉冲；所述计算机，其特征在于连接于集成高压电源、Z轴直线电机，集成高压电源，旋转电机，X轴直线电机，Y轴直线电机，CCD显微镜控制端，进行实时上位机控制。本发明所述微纳纤维线圈电纺直写装置装置具有简单、有效、快捷、柔性等突出优点。

Claims (4)

1.微纳纤维线圈电纺直写装置，其特征在于，设有喷头、供液泵、供液管道、Z轴直线电机、X轴直线电机、Y轴直线电机、旋转电机支架、旋转电机、收集轴棒、集成高压电源、CCD显微镜和计算机；

供液泵通过供液管道与喷头连通，喷头与Z轴直线电机联动连接，Z轴直线电机、X轴直线电机和Y轴直线电机组成三维运动平台，旋转电机支架设于由X轴直线电机与Y轴直线电机构成二维运动平面上，旋转电机安装于旋转电机支架上，收集轴棒与旋转电机输出轴连接，集成高压电源正极接喷头，集成高压电源负极接收集轴棒并且接地，CCD显微镜设于喷头旁，CCD显微镜与计算机电连接，计算机与供液泵电连接。

2.如权利要求1所述的微纳纤维线圈电纺直写装置，其特征在于，所述喷头的内径为50～500μm。

3.如权利要求1所述的微纳纤维线圈电纺直写装置，其特征在于，所述收集轴棒采用硅棒，直径为1～10mm。

4.如权利要求1所述的微纳纤维线圈电纺直写装置，其特征在于，所述喷头与收集轴棒之间垂直距离为0.5～3mm。

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