CN103898618A - 针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置及其控制方法。控制装置包括有精密注射泵（1）、X-Y-Z三轴运动平台（10）、绕Y轴转动平台的固定支架（9）、绕Y轴转动平台（8）、绕X轴转动平台（7）、静电纺丝收集器、微电流检测电路（24）、高压直流电源（16）。本发明确保射流启停的精确控制，保证生产质量。本发明解决现有近场静电纺丝过程中，初始射流不稳定，且难于控制，无法预知射流什么时候进入稳定状态的问题。本发明是一种方便实用的针对微纳加工的微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置及其控制方法。

Description

针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置及其控制方法

技术领域

本发明是一种针对微纳加工的微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置及其控制方法，属于微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置及其控制方法的创新技术。

背景技术

电纺丝技术电纺丝技术最早由Formhzls在1934年提出，随后Taylor等人于1964年对静电纺丝过程中带电聚合物的变形提出了泰勒锥这一概念，直到上个世纪90年代人们开始广泛关注电纺丝技术。但静电纺丝生产出来的纳米纤维很难有序收集，也很难做到有序排布。2006年，孙道恒等人提出近场电纺直写技术， 基于近场静电纺的电纺直写技利用电纺过程中直线稳定射流的优点, 实现了单根米纤维的有序沉积, 为电纺丝纳米纤维的产业化应开拓了一种新的方法。

目前，通过近场电纺直写技术已经实现了直径由几纳米到数百纳米范围内近百种不同聚合物纳米纤维、各种类型聚合物、无机物复合纳米纤维及无机纳米纤维的制备。由高压静电纺丝技术所制备的纳米纤维材料已经在光电子、传感器和生物科学领域表现出极大的应用潜力。

在1950年以前,国外Hafstad用一个FP一54型静电计管,在几分钟时间能检测出                                               安的电流(2电子/秒),然而只有在实验条件下,这电流才是有用的。FP-54型静电计管的直流放大器输入级中使用着真空管。近代的一些静电计管电路的测量能力不如Hafstad等人的早期电路好。这是由于大规模廉价管子的生产,使管子的质量下降川。从1949年出现晶体管以来,设计人员在直流放大器使用这些器件,获得了不同程度的提高。Chaplin在1957年发表了第一台晶体管化的载波调制的直流放大器,这种电路具有

安的测量能力。McCaslin在简单放大电路中采用了低泄漏绝缘栅场效应晶体管,使这个简单能够测量

安的电流。

在电场力大于溶液的表面张力时，泰勒锥破裂，溶液在电场力作用下会形成射流。射流稳定的维持通过射流流速和电场决定。然而，在稳定可纺电压和流速匹配的情况下，泰勒锥破裂至射流稳定需要一个过程，在此过程中，射流会很不稳定，经过多次滴落液滴之后，电场力才能拉出稳定射流。所以射流不稳定期间可通过瞬间增强电场，并且电场要根据射流形态实时变化，通过这样来实现射流的持续稳定，由于高压直流电源在调节电压时有较大的滞后时间，很难做到实时精确控制，需要性能很好的高压电源，这样务必增加了成本，如果通过调节纺丝电压来改变电场是比较难实现的。因此通过改变收集板跟针尖的高度是比较容易实现实时精确控制的，本发明将实现通过实时调节针尖于收集板之间的距离来实现电场变化，从而控制射流快速进入稳定状态。

在静电纺丝过程中，射流进入稳定状态后，在一定范围内改变喷头与收集器之间的电场大小，不影响射流的持续稳定。

电纺直写过程电流变化对纳米纤维的沉积形貌和直径有着重要的影响。虽然近场电纺直写技术已经发展了多年，但依然无法解决初始射流不稳定性问题，如无法确定什么时候射流进入稳定状态，因此，在实际生产运用中，无法保证生产质量。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种设计合理，确保射流启停的精确控制，保证生产质量的针对微纳加工的微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置。

本发明的另一目的在于提供一种解决现有近场静电纺丝过程中，初始射流不稳定，且难于控制，无法预知射流什么时候进入稳定状态的问题的针对微纳加工的微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置的控制方法。

本发明的技术方案是:本发明的微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置，包括有精密注射泵、X-Y-Z三轴运动平台绕Y轴转动平台的固定支架、绕Y轴转动平台、绕X轴转动平台、静电纺丝收集器、微电流检测电路、高压直流电源，精密注射泵固定在工作台上，推送注射器的推杆在精密注射泵的带动下将注射器储液器里面的溶液从喷头里面挤出或者从外部抽取溶液，且在静电纺丝控制系统的控制下实现静电纺丝过程的溶液进给和往注射器储液器里面补充溶液，用于溶液的喷丝的喷头固定在注射器储液器的末端，静电纺丝收集器固定在绕X轴转动平台上，绕X轴转动平台安装在绕Y轴转动平台上，绕X轴转动平台通过X轴转动驱动电机带动进行绕X轴转动，绕Y轴转动平台安装在绕Y轴转动平台的固定支架上，绕Y轴转动平台通过Y轴转动驱动电机（12）带动进行绕Y轴转动，绕Y轴转动平台的固定支架安装在X-Y-Z三轴运动平台上，用于检测从收集器流出的电流的微电流检测电路安装在从静电纺丝收集器上导出的导线和与大地连接的导线之间，高压直流电源与喷头相连而提供纺丝电场，高压直流电源与用于控制纺丝电压的静电纺丝控制系统相连，精密注射泵与精密注射泵控制器相连，用于注射泵的控制，注射泵控制器与静电纺丝控制系统连接，实现系统对精密注射泵的控制，微电流检测电路与静电纺丝控制系统相连,实现微电流检测的反馈控制。

本发明微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置的控制方法，包括如下步骤：

1）启动微电流检测电路，启动静电纺丝系统，X-Y-Z运动平台开始运动，溶液在电场作用下，在喷头尖端形成泰勒锥；

2）收集板平台在绕X或Y轴转动平台的作用下，转动一个角度，使得收集板在运动过程中与喷头间的距离不断减小，如收集板相对于喷头在Y方向运动，则系统控制绕X轴转动电机带动绕X轴转动平台转动一个角度，使得收集器在运动过程中与喷头间的距离越来越小，从而不断增大喷头与收集器之间的电场，使得初始射流在纺丝初始状态难于进入稳定状态的情况得到改变。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1）本发明通过改变纺丝距离来改变喷头与收集器间的电场，克服了直接通过改变纺丝输入电压响应滞后的问题；

2）本发明通过采用微电流检测电路来监控纺丝的状态，作控制反馈信号；

3）本发明精密注射泵可以驱动精密注射器实现溶液输入和输出功能；

3)本发明设有X-Y-Z三轴运动平台，可以做微纳三维打印。

本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置及控制方法。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的正视图；

图3为本发明的右视图；

图4为近场静电纺丝中射流快速进入稳定状态方法流程图。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1、2、3、4所示，本发明是一种针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置，采用电流体喷印原理，通过控制喷头与收集器之间的距离间接快速控制喷头与收集器之间电场的变化，从而产生近场电纺稳定射流，为电纺的快速实现喷印和控制。

本发明的微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置，包括有精密注射泵1、X-Y-Z三轴运动平台10、绕Y轴转动平台的固定支架9、绕Y轴转动平台8、绕X轴转动平台7、静电纺丝收集器、微电流检测电路24、高压直流电源16，精密注射泵1固定在工作台上，推送注射器的推杆4在精密注射泵1的带动下将注射器储液器6里面的溶液从喷头13里面挤出或者从外部抽取溶液，且在静电纺丝控制系统21的控制下实现静电纺丝过程的溶液进给和往注射器储液器6里面补充溶液，用于溶液的喷丝的喷头13固定在注射器储液器6的末端，静电纺丝收集器固定在绕X轴转动平台7上，绕X轴转动平台7安装在绕Y轴转动平台8上，绕X轴转动平台7通过X轴转动驱动电机11带动进行绕X轴转动，绕Y轴转动平台8安装在绕Y轴转动平台的固定支架9上，绕Y轴转动平台8通过Y轴转动驱动电机12带动进行绕Y轴转动，绕Y轴转动平台的固定支架9安装在X-Y-Z三轴运动平台10上，用于检测从收集器流出的电流的微电流检测电路24安装在从静电纺丝收集器上导出的导线23和与大地连接的导线25之间，高压直流电源16通过导线15与喷头13相连而提供纺丝电场，高压直流电源16通过导线17与用于控制纺丝电压的静电纺丝控制系统21相连，精密注射泵1通过导线18与精密注射泵控制器19相连，用于注射泵的控制，注射泵控制器19通过导线20与静电纺丝控制系统21连接，实现系统对精密注射泵的控制，微电流检测电路24通过导线22与静电纺丝控制系统21相连,实现微电流检测的反馈控制。

上述精密注射泵1用于静电纺丝溶液连续给进及溶液给进启停控制，同时，还可以通过控制电机翻转，带动精密注射器反抽溶液，可以实现溶液的自动补给；X-Y-Z三轴运动平台10用于提供纤维有序沉积的速度以及方向控制。绕Y轴转动平台的固定支架9用于Y轴的转动用支架。绕Y轴转动平台8提供绕Y轴转动运动，同时作为绕X轴转动平台的固定支架用。绕X轴转动平台7提供绕X轴转动运动，同时作为静电纺丝收集器的底座。X轴转动驱动电机11及Y轴转动驱动电机12分别与绕X、Y轴转动平台的转动轴相连，提供转动动力，同时电机带编码器，提供转动角度的定位及精度。纤维收集器固定在绕X轴转动平台上，用于纤维的沉积接收。微电流检测系统的微电流检测电路24装在纤维收集器接地的导线上，用于检测由纤维收集器流出的电流大小，根据基尔霍夫电流定律，电流从纺丝过程中射流中流入纤维收集器，从纤维收集器流出经过微电流检测电路至大地，流入电流等于流出电路，即微电流检测电路所检测电流大小为射流中流过的电流，微电流检测电路可以作为射流启停的反馈信号装置，也可以作为射流直径大小的反馈控制装置。高压直流电源16用于提供静电纺丝电压。

本实施例中，上述推送注射器的推杆4由推板3在精密注射泵1的驱动电机的驱动带动下，顺着导轨2滑动，如果驱动电机反转，推板3将在驱动电机的带动下，拉动注射器推杆4倒抽，可以使得溶液往回抽，实现溶液的补给和进给停止。

本实施例中，上述注射器储液器6通过精密注射器固定板5固定在精密注射泵1上。上述注射器储液器6通过注射器压板14压紧在注射器固定板5上。

本实施例中，上述喷头13固定在注射器储液器6末端，用于溶液的喷丝，绕X轴转动平台7固定在绕Y轴转动平台8上，用于收集器的固定。

本实施例中，上述X轴转动驱动电机11是带编码器电机，绕X轴转动平台7通过带编码器电机带动进行绕X轴转动，用于收集板在沿Y轴方向运动时，可以进行绕X轴转动，用于收集板在沿Y轴方向运动时，改变收集器与喷头之间的距离，从而间接改变收集器与喷头间的电压，绕Y轴转动平台8是安装在绕Y轴转动平台的固定支架9上的。

本实施例中，上述Y轴转动驱动电机12是带编码器电机，绕Y轴转动平台8在带编码器电机的带动下进行绕Y轴转动，用于收集板在沿X轴方向运动时，改变收集器与喷头之间的距离，从而间接改变收集器与喷头间的电压。绕Y轴转动平台的固定支架9安装在X-Y-Z三轴运动平台10上，为收集器在工作过程中提供X-Y-Z方向的运动，实现纳米纤维的形态沉积。

本实施例中，上述精密注射泵由电机驱动能实现正反转，且能随时启停。

本发明的工作原理如下: 如图1-4所示，绕X轴转动平台7可以通过X轴转动驱动电机11带动进行绕X轴转动，用于收集板在沿Y轴方向运动时，且可以进行绕X轴转动，用于收集板在沿Y轴方向运动时，改变收集器与喷头之间的距离，从而间接改变收集器与喷头间的电压；绕Y轴转动平台8安装在绕Y轴转动平台的固定支架9上，绕Y轴转动平台8在Y轴转动驱动电机12的带动下，可以进行绕Y轴转动，用于收集板在沿X轴方向运动时，改变收集器与喷头之间的距离，从而间接改变收集器与喷头间的电压。绕Y轴转动平台的固定支架9安装在X-Y-Z三轴运动平台10上，为收集器在工作过程中提供X-Y-Z方向的运动，实现纳米纤维的形态沉积。

如图2所示，启动静电纺丝系统开始工作时，若喷头与收集器作相对运动，相对运动方向如图2中的运动方向26时，绕X轴转动平台7在X轴转动驱动电机11带动下，转动一定角度，使得收集器与喷头之间的距离在工作过程中趋于变小，从而间接改变收集器与喷头间的电压，指导微电流检测电路24检测到导线23流向导线25的持续电流时，说明射流进入稳定状态，纺丝控制系统21将控制静电纺丝进入正式工作状态，开始工作。当喷头与收集器相对运动方向为其他方向时，工作方式类似。

将收集器与喷头之间看做为一个电场，电场为E，收集器与喷头之间距离为H，高压电源输出至喷头的电压为U，泰勒锥带电量为Q，则

，电场力为F，则

，则距离H变小，则电场力F增大，当电场力F大于溶液的表面张力时，泰勒锥破裂，形成射流，射流接触到收集器时，由电荷守恒原理，输入到收集器的电荷为

，从收集器输出的电荷为

，则

，电流为I，则

，则通过微电流检测电路检测收集器输出电流I，即可检测出收集器从射流输入的电流I，因此可以通过微电流检测电路检测射流的持续性。

Claims (10)

1.一种针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置，其特征在于包括有精密注射泵（1）、X-Y-Z三轴运动平台（10）、绕Y轴转动平台的固定支架（9）、绕Y轴转动平台（8）、绕X轴转动平台（7）、静电纺丝收集器、微电流检测电路（24）、高压直流电源（16），精密注射泵（1）固定在工作台上，推送注射器的推杆（4）在精密注射泵（1）的带动下将注射器储液器（6）里面的溶液从喷头（13）里面挤出或者从外部抽取溶液，且在静电纺丝控制系统（21）的控制下实现静电纺丝过程的溶液进给和往注射器储液器（6）里面补充溶液，用于溶液的喷丝的喷头（13）固定在注射器储液器（6）的末端，静电纺丝收集器固定在绕X轴转动平台（7）上，绕X轴转动平台（7）安装在绕Y轴转动平台（8）上，绕X轴转动平台（7）通过X轴转动驱动电机（11）带动进行绕X轴转动，绕Y轴转动平台（8）安装在绕Y轴转动平台的固定支架（9）上，绕Y轴转动平台（8）通过Y轴转动驱动电机（12）带动进行绕Y轴转动，绕Y轴转动平台的固定支架（9）安装在X-Y-Z三轴运动平台（10）上，用于检测从收集器流出的电流的微电流检测电路（24）安装在从静电纺丝收集器上导出的导线（23）和与大地连接的导线（25）之间，高压直流电源（16）与喷头（13）相连而提供纺丝电场，高压直流电源（16）与用于控制纺丝电压的静电纺丝控制系统（21）相连，精密注射泵（1）与精密注射泵控制器（19）相连，用于注射泵的控制，注射泵控制器（19）与静电纺丝控制系统（21）连接，实现系统对精密注射泵的控制，微电流检测电路（24）与静电纺丝控制系统（21）相连,实现微电流检测的反馈控制。

2.根据权利要求1所述的针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置，其特征在于上述推送注射器的推杆（4）由推板（3）在精密注射泵（1）的驱动电机的驱动带动下顺着导轨（2）滑动。

3.根据权利要求1所述的针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置，其特征在于上述注射器储液器（6）通过精密注射器固定板（5）固定在精密注射泵（1）上。

4.根据权利要求1所述的针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置，其特征在于上述注射器储液器（6）通过注射器压板（14）压紧在注射器固定板（5）上。

5.根据权利要求1所述的针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置，其特征在于上述喷头（13）固定在注射器储液器（6）末端，用于溶液的喷丝，绕X轴转动平台（7）固定在绕Y轴转动平台（8）上，用于收集器的固定。

6.根据权利要求1至5任一项所述的针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置，其特征在于上述X轴转动驱动电机（11）是带编码器电机，绕X轴转动平台（7）通过带编码器电机带动进行绕X轴转动，用于收集板在沿Y轴方向运动时，可以进行绕X轴转动，用于收集板在沿Y轴方向运动时，改变收集器与喷头之间的距离，从而间接改变收集器与喷头间的电压，绕Y轴转动平台（8）安装在绕Y轴转动平台的固定支架（9）上。

7.根据权利要求1至5任一项所述的针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置，其特征在于上述Y轴转动驱动电机（12）是带编码器电机，绕Y轴转动平台（8）在带编码器电机的带动下进行绕Y轴转动，用于收集板在沿X轴方向运动时，改变收集器与喷头之间的距离，从而间接改变收集器与喷头间的电压；

绕Y轴转动平台的固定支架（9）安装在X-Y-Z三轴运动平台（10）上，为收集器在工作过程中提供X-Y-Z方向的运动，实现纳米纤维的形态沉积。

8.根据权利要求1至5任一项所述的针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置，其特征在于上述精密注射泵由电机驱动能实现正反转，且能随时启停。

9.一种针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1）启动微电流检测电路，启动静电纺丝系统，X-Y-Z运动平台开始运动，溶液在电场作用下，在喷头尖端形成泰勒锥；

2）收集板平台在绕X或Y轴转动平台的作用下，转动一个角度，使得收集板在运动过程中与喷头间的距离不断减小，如收集板相对于喷头在Y方向运动，则系统控制绕X轴转动电机带动绕X轴转动平台转动一个角度，使得收集器在运动过程中与喷头间的距离越来越小，从而不断增大喷头与收集器之间的电场，使得初始射流在纺丝初始状态难于进入稳定状态的情况得到改变。

10.根据权利要求1所述的针对微纳加工的电纺射流快速稳定控制装置的控制方法，其特征在于上述步骤2）的过程中，微电流检测电路及时检测收集器输出电流情况，当微电流检测电路检测到持续电流时，即射流已经进入稳定状态，X轴转动驱动电机（11）在系统控制下，将收集器转动回水平状态。

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