CN103696024B - 一种图案化纳米纤维制备装置 - Google Patents

Abstract

一种图案化纳米纤维制备装置，涉及一种静电纺丝喷射装置。设有直流高压电源、喷头、XY移动平台、供液软管、注射泵、控制器、低压控制电源、微型继电器组、阵列弹性针尖组、阵列绝缘盒体；注射泵通过软管与喷头相连通；喷头设在XY移动平台上，XY移动平台控制线路与控制器相连；阵列弹性针尖组位于阵列绝缘盒体下方且与绝缘盒体接触；微型继电器组输出端接阵列弹性针尖组，微型继电器组的常闭端接低压控制电源的正电源，常开端接低压控制电源的负电源，继电器控制线路与控制器相连；直流高压电源正极通过导线与喷头相连。可通过改变各个绝缘盒体的高度以引导纳米纤维进行图案化沉积；可控制纳米纤维的沉积位置和引导纳米纤维均匀沉积分布。

Description

一种图案化纳米纤维制备装置

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝喷射装置，特别是一种图案化纳米纤维制备装置。

背景技术

纳米纤维的制备方法很多，其中静电纺丝是产生聚合物纳米纤维的一种直接方法。静电纺丝纳米纤维直径一般在几十纳米至几微米之间，最小直径可达到1nm，且结构均匀、比表面积大、易于改性比；静电纺丝技术原料来源广泛、能耗低、工艺装备简单特点，目前已经成为纳米纤维制备的重要方法和纳米材料研究的热点。静电纺丝纳米纤维在生物骨架、电子器件、防护材料、微机电系统等领域都有着良好的发展和应用潜力。但电纺丝过程受到电荷排斥力、流体扰动等多种因素的影响，射流轨迹难以控制，无法实现纳米纤维的准确定位沉积形成特定图案。制备具有特定图案和排列形式的纳米纤维膜，在组织工程、传感器、催化、复合增强材料和过滤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。

为了解决这一问题，近年来各种方法被用来控制静电纺纳米纤维的图案结构。使用有图案的模板制备图案化纳米纤维是最简单、最常用的方法之一，通过改变空间电场分布，从而引导纳米纤维的定向沉积。文献[Li.D,Y.L.Wang,and Y.N.Xia.Advanced Materials,2004.16(4):361-366.]通过把绝缘间隙引入导电接收装置中，制备出了平行高取向性有序排列的纳米纤维，并进一步得到了编织状结构的纤维膜；文献[Zhang,D.and J.Chang.AdvancedMaterials,2007.19(21):3664-3667;Zhang,D.M.and J.Chang.Nano Letters,2008.8(10):3283-3287.]利用不同图案的可导电接收装置来控制纤维沉积，从而得到不同图案的二维纳米纤维膜和三维纳米纤维管状结构；中国专利201110176329公开了一种制备微纳米级图案化电纺纤维膜的方法，由微电子机械系统按输入的图案将金属沉积到非金属基材上，得到微纳米级的图案化的接收板，从而得到微纳米级的图案化电纺纤维膜。这些方法中所需图案样式的接受装置，往往需要一个复杂、精细昂贵的加工过程。因此，很难通过加工出各种图案的接收装置，来制备出各种图案的纳米纤维膜。

发明内容

本发明的目的在于提供可实现电纺丝过程中图案化纳米纤维制备的一种图案化纳米纤维制备装置。

本发明设有直流高压电源、喷头、XY移动平台、供液软管、注射泵、控制器、低压控制电源、微型继电器组、阵列弹性针尖组、阵列绝缘盒体；注射泵通过软管与喷头连接；喷头设在XY移动平台上，XY移动平台控制线路与控制器电连接；阵列弹性针尖组位于阵列绝缘盒体下方且与绝缘盒体接触；微型继电器组输出端接阵列弹性针尖组，微型继电器组的常闭端接低压控制电源的正极，微型继电器组的常开端接低压控制电源的负极，微型继电器组的控制线路与控制器电连接，控制器控制继电器的开闭状态；直流高压电源正极通过导线与喷头相连，直流高压电源负极接地。

所述阵列弹性针尖组的各个针尖电极为弹簧针，行程为1～20mm，针管直径为0.1～2mm。

所述阵列弹性针尖组的各个针尖电极底端处于同一水平面，针尖均与盒体保持接触，且位于盒体中心。

所述阵列绝缘盒体组的各盒体均为绝缘材料制成，各盒体紧密配合，各盒体可上下移动。

所述阵列绝缘盒体组的各盒体上表面均为正方形，边长为2～5mm。

所述喷头可以是单个喷头，也可以是复数喷头阵列，也可以是带有辅助聚焦气流的纺丝喷头，喷头可沿XY轴移动。

所述喷头下方可设有收集板或盒体，所述收集板可采用绝缘薄板、半导体薄板或导体薄板等。所述喷头至收集板或盒体的距离可为3～15mm。

在开始进行静电纺丝之前，需将阵列绝缘盒体组中各盒体人工移动成所需图案（形成所需图案的绝缘盒体突起），将喷头移动至图案的起始处的正上方。在静电纺丝过程中，打开直流高压电源，在喷头与阵列弹性针尖组中针尖形成焦距电场，喷头处溶液在电场力的作用下发生形变从而产生带电射流，经过拉伸溶液挥发等过程获得纳米纤维。所需图案突起，喷头与形成图案的绝缘盒体的距离比剩余绝缘盒体近，在形成图案的绝缘盒体上容易收集到纳米纤维。可通过改变控制器程序独立控制微型继电器组中各继电器的导通状态而改变针尖的电势，与突起盒体接触的针尖接10～30V的负电压，其余针尖接10～30V的正电压，在绝缘盒体上方形成不均匀的空间电场，引导纳米纤维在突起的绝缘盒体上表面沉积。通过控制器控制XY移动平台运动，带动喷头移动，喷头从图案的起始位置，沿着图案运动到图案的结束位置，纳米纤维从图案的起始位置开始沉积，沿图案沉积到结束位置，得到所需图案的纳米纤维。

与现有的纤维制备方式相比，本发明可通过改变各个绝缘盒体的高度以引导纳米纤维进行图案化沉积；通过控制喷头沿图案移动，不但可以较为准确地控制纳米纤维的沉积位置，还可以引导纳米纤维在目标区域的均匀沉积分布。

附图说明

图1本发明实施例的结构组成示意图。

图2本发明实施例的阵列绝缘盒体组组合示意图。

具体实施例

如图1和2所示，本发明实施例所述的新型图案化纳米纤维制备装置，包括直流高压电源1、喷头2、XY移动平台3、供液软管4、注射泵5、控制器6、低压控制电源7、微型继电器组8、阵列弹性针尖组9、阵列绝缘盒体10。

注射泵5通过软管4与喷头2相连通，向喷头2稳定补充溶液；喷头2安置在XY移动平台3上，XY移动平台3控制线路与控制器6相连；阵列弹性针尖组9位于阵列绝缘盒体10的下方，且与绝缘盒体10接触；微型继电器组8输出端接阵列弹性针尖组9，微型继电器组8的常闭端接低压控制电源7的正电源，常开端接低压控制电源7的负电源，继电器8控制线路与控制器6相连，控制器6控制继电器8的开闭状态；直流高压电源1正极通过导线与喷头2相连，负极接地。

在开始进行静电纺丝之前，需将阵列绝缘盒体组10中各盒体人工移动成所需图案（形成所需图案的绝缘盒体突起），将喷头2移动至图案的起始处的正上方。在静电纺丝过程中，打开直流高压电源1，在喷头2与阵列弹性针尖组9中针尖形成焦距电场，喷头2处溶液在电场力的作用下发生形变从而产生带电射流，经过拉伸溶液挥发等过程获得纳米纤维。所需图案突起，喷头2与形成图案的绝缘盒体的距离比剩余绝缘盒体近，在形成图案的绝缘盒体上容易收集到纳米纤维。可通过改变控制器6程序独立控制微型继电器组8中各继电器8的导通状态而改变针尖的电势，与突起盒体接触的针尖9接10～30V的负电压，其余针尖接10～30V的正电压，在绝缘盒体10上方形成不均匀的空间电场，引导纳米纤维在突起的绝缘盒体10上表面沉积。通过控制器6控制XY移动平台3运动，带动喷头2移动，喷头2从图案的起始位置，沿着图案运动到图案的结束位置，纳米纤维从图案的起始位置开始沉积，沿图案沉积到结束位置，得到所需图案的纳米纤维。

Claims (7)

1.一种图案化纳米纤维制备装置，其特征在于设有直流高压电源、喷头、XY移动平台、供液软管、注射泵、控制器、低压控制电源、微型继电器组、阵列弹性针尖组、阵列绝缘盒体组；注射泵通过软管与喷头连接；喷头设在XY移动平台上，XY移动平台控制线路与控制器电连接；阵列弹性针尖组位于阵列绝缘盒体组下方且与绝缘盒体接触；微型继电器组输出端接阵列弹性针尖组，微型继电器组的常闭端接低压控制电源的正极，微型继电器组的常开端接低压控制电源的负极，微型继电器组的控制线路与控制器电连接，控制器控制继电器的开闭状态；直流高压电源正极通过导线与喷头相连，直流高压电源负极接地。

2.如权利要求1所述一种图案化纳米纤维制备装置，其特征在于所述阵列弹性针尖组的各个针尖电极为弹簧针，行程为1～20mm，针管直径为0.1～2mm。

3.如权利要求1所述一种图案化纳米纤维制备装置，其特征在于所述阵列弹性针尖组的各个针尖电极底端处于同一水平面，针尖均与盒体接触且位于盒体中心。

4.如权利要求1所述一种图案化纳米纤维制备装置，其特征在于所述阵列绝缘盒体组的各盒体均为绝缘材料制成。

5.如权利要求1所述一种图案化纳米纤维制备装置，其特征在于所述阵列绝缘盒体组的各盒体上表面均为正方形，边长为2～5mm。

6.如权利要求1所述一种图案化纳米纤维制备装置，其特征在于所述喷头为单个喷头或复数喷头阵列。

7.如权利要求1所述一种图案化纳米纤维制备装置，其特征在于所述喷头为带辅助聚焦气流的纺丝喷头，喷头可沿XY轴移动。