CN105946224B - 一种高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置 - Google Patents

一种高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置，包括：移动组件、气流分配组件和打印组件，并具有一固定机架。本发明的所述高分子聚合物材料近电场熔融溶液纺丝三维成型装置通过高压电场管理和气流的分配，避免各喷头之间电场干扰，同时控制纺丝的走向，实现近电场熔融与溶液纺丝量产，并可通过计算机控制实现三维成型。

Description

一种高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置
技术领域
本发明涉及三维成型技术，尤其涉及一种高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置。
背景技术
根据美国市场研究报道，由于新能源、环保问题深入开展及电子产品需求迅速增加，到2020年微纳米纤维的市场价值将达到10亿美金。静电纺丝被誉为是生产微纳米纤维的有效手段。为了实现对纤维定向控制，近年来有报道将近电场纺丝与3D打印技术结合，实现对纤维有效控制。3D打印技术是采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成三维实体。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。由于人体结构的复杂性及医药市场的巨大潜力，3D打印技术已经广泛用于制造医疗辅具、人工植入支架、组织器官等。
高分子材料3D打印成型，目前主要有熔融沉积制造法(FDM)及光固化法。由于光固化材料对细胞具有一定毒性、需要增加光引发剂及材料受限等缺点，因此在生物医药中，高分子材料3D打印成型技术，用于制备组织工程支架及药物缓释包埋骨架，主要采用FDM法。然而FDM法制备3D结构存在以下不足：
1)组织工程支架尺寸较大，目前，3D熔融沉积技术打印每条丝的尺寸大于100μm，组织工程支架的力学性能较差，调控受限；
2)组织工程支架熔融沉积成型后表面光滑，不适合细胞生长及贴附，因此不利于组织再生及药物吸收。
因此对3D溶液及熔融沉积过程，利用近距离高压静电场力作用，可以减小打印过程每条丝的尺寸并实现可控纺丝，提高3D结构的力学强度、生物相容性，及有利于加速降解。目前市场上近电场静电纺丝装置仅为单头或几个喷头纺丝，无法做到量产，对于多喷头纺丝过程，各喷头周围电场相互干扰，无法得到均匀稳定的电纺丝。另外，3D成型过程接收平台运动及高温加热装置与电场相互作用，导致熔融近电场纺丝3D成型难以实现。
因此，我们需要一种新的高分子聚合物材料近电场熔融纺丝三维成型装置，可以实现高分子微纳米丝结构的三维快速成型及量产，具有有效提高三维结构的力学性能、改善材料的生物相容性及量化生产的优点，可以用于能源、水处理及生物医药等领域。
发明内容
本发明解决了上述问题，并且，本发明的一个目标是提供一种高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置，通过高压电场和气流的分配，有效避免了各喷头之间电场干扰，同时控制纺丝的走向，实现近电场熔融与溶液纺丝量产，实现三维成型。
为了实现上述目的，本发明一例示性实施例提供一种高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置，包括：移动组件、气流分配组件和打印组件，并具有一固定机架。所述移动组件包括：移动平台，所述移动平台设置于所述固定机架上，并可以相对所述固定机架平移；升降装置，所述升降装置设置于所述固定机架上，用于控制所述打印组件沿垂直方向进行升降运动；所述打印组件包括：喷头组，所述喷头组包含数个喷头；至少两个进料组件，所述进料组件包括：熔融液体加热给料组件和溶液液体给料组件；所述熔融加热给料组件包括：高温加热料筒、一第一输送管和一第一气泵，其中所述第一气泵与高温加热料筒上部相连；第一输送管的一端与所述高温加热料筒下部连通，另一端与所述喷头组连接；溶液液体给料组件包括料桶、一第二输送管及一第二气泵，所述料桶的一端与所述第二气泵相连，另一端与所述喷头组相连；以及，接收板，所述接收板设置于所述喷头组下方，用以堆栈构成立体对象；所述气流分配组件包括：热风源，所述热风源设置于所述固定机架上，用以提供热气流；上布风板，置于所述进料组件上方，用于均匀引导热气流；下布风板，所述下布风板设置于所述接收板的下方并设置于所述移动平台的上方，用于均匀引导所述热气流；其中，所述接收板与一高压电源导电连接，用以通过所述高压电源向所述接收板施加一高电压。
在本发明一实施例中，所述高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置还包括一收集室，所述收集室设置于所述下布风板的下方，与所述下布风板连通，用以收集所述热气流。
在本发明一实施例中，在熔融加热给料组件的所述进料筒的外围设置一加热器和传感器，用于对所述进料筒内的原料进行加热控制。
在本发明一实施例中，在所述接收板上设置一接收板加热器，用于对所述接收板上的三维成型结构进行温度调控，构成3D打印结构。
在本发明一实施例中，所述高压电源向所述接收板施加的高电压在1.5～50Kv之间。
在本发明一实施例中，设置于所述进料筒外围的所述加热器的加热温度在85～300℃之间。
在本发明一实施例中，设置于所述接收板上的接收板加热器的加热温度在35～70℃之间。
在本发明一实施例中，所述气泵控制对流经所述输送管内的原料的流动速度为1～30ml/min。
根据本发明的上述描述，本发明的所述高分子聚合物材料近电场熔融纺丝三维成型装置通过高压电场管理和气流的分配，避免各喷头之间电场干扰，同时控制纺丝的走向，实现近电场熔融与溶液纺丝量产，并可通过计算机控制实现三维成型。
附图说明
通过以下的详细描述和所附附图，本发明的上述及其他物体、特征和优点将是显而易见的，其中：
图1是本发明一示例性实施例的一种高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置的立体结构示意。
具体实施方式
以下，将参考附图，对本发明的一些示例性实施例进行描述。在以下的描述中，不同附图中显示的相同元件将被标以相同的标号。此外，在以下本发明的描述中，当会造成本发明的主题不清楚时，将会省略对于本文所含的已知功能和构造的详细描述。
此外，当描述本发明的组件时，本文可能使用例如第一、第二、A、B、(a)、(b)之类的术语。这些用语都不用于定义一相应组件的本质、顺序或次序，而仅仅用于区别相应组件与其他组件。应当注意的是，即使在说明书中描述到一组件是“连接”、“耦合”或“加入”至另一组件，在第一和第二组件间也可以“连接”、“耦合”或“加入”一第三组件，尽管所述第一组件可能是被直接连接、耦合或加入所述第二组件。
图1是本发明一示例性实施例的一种高分子聚合物材料近电场熔融纺丝三维成型装置的立体结构示意。
请参见图1，所述高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置100括：移动组件10、气流分配组件20和打印组件30，并具有一固定机架101。
以下结合附图对所述移动组件10进行详细描述。
如图所示的，所述移动组件10包括：移动平台12和升降装置14。所述移动平台12设置于所述固定机架101上，并可以相对所述固定机架101平移。所述升降装置14设置于所述固定机架101上，用于控制所述打印组件30沿垂直方向进行升降运动。也就是说，在使用过程中，所述高分子聚合物材料近电场熔融纺丝三维成型装置100通过移动所述移动平台12，实现立体对象的堆栈，最终得到内部含有微孔的纤维三维结构。
以下结合附图对所述打印组件30进行详细描述。
所述打印组件30包括：至少一进料组件，喷头组34，以及接收板36。其中，如图所示的，在本实施例中，所述进料组件包括：熔融液体加热给料组件和溶液液体给料组件。所述熔融加热给料组件包括：高温加热料筒321、一第一输送管322和一第一气泵323，其中所述第一气泵323与高温加热料筒321上部相连；第一输送管322的一端与所述高温加热料筒321下部连通，另一端与所述喷头组34连接。溶液液体给料组件包括料桶326、一第二输送管327及一第二气泵328，所述料桶326的一端与所述第二气泵328相连，另一端通过所述第二输送管327与所述喷头组34相连。也就是说，在本发明中，熔融液体与溶液液体因为都是经由所述喷头组34喷出，因此可以实现两者的共纺。
所述喷头组34包含数个喷头。所述接收板36设置于所述喷头组34下方，用以堆栈构成立体对象。所述接收板36与一高压电源(图中未示)导电连接，用以通过所述高压电源向所述接收板36施加一1.5～50Kv之间的高电压。所述气泵323(或328)控制对流经所述第一输送管322或第二输送管327内的原料的流动速度为1～30ml/min。
如图所示的，在所述高温加热料筒321及所述料桶326的外围均设置一加热器324，用于对所述高温加热料筒321及所述料桶326内的原料进行加热。在所述第一输送管322及所述第二输送管327的外围设置一输送管加热器325，用于对流经所述第一输送管322及所述第二输送管327内的原料进行加热。同时，在所述接收板36上设置一接收板加热器(图中未示)，用于对堆栈于所述接收板36上的原料进行加热干燥，构成立体对象。其中，所述加热器324的加热温度在85～300℃之间，所述接收板加热器(图中未示)的加热温度在35～70℃之间。
以下结合附图对所述气流分配组件20进行详细描述。
如图所示的，所述气流分配组件20包括：热风源22，上布风板24和下布风板26。所述热风源22设置于所述固定机架101上，用以提供热气流；上布风板24，置于所述进料组件上方，用于均匀引导热气流；所述下布风板26设置于所述接收板36的下方并设置于所述移动平台12的上方，用于均匀引导所述热气流。
在本发明的一较佳实施例中，所述高分子聚合物材料近电场熔融纺丝三维成型装置还包括一收集室40，所述收集室40设置于所述下布风板26的下方，与所述下布风板26连通，用以收集所述热气流。
使用中，本发明的所述高分子聚合物材料近电场熔融纺丝三维成型装置通过所述气流分配组件20形成高温向下正压气流，同时配合电场管理，实现多喷头同时近电场纺丝，达到量产目的。具体来说，恒温恒湿的空气通过热风源22加热后送入布风室内(上布风板24与下布风板26之间的空间)，再由上布风板24将热风均匀有序地布入电纺操作区内(喷头组34与接收板36之间的空间)，在电纺操作区内形成一个向下的正压气流，配合电场管理系统控制纺丝的走向均匀。将高分子材料加入所述进料筒321，通过所述加热器324加热，使高分子材料呈熔融态。根据高分子材料的不同，加热器的温度控制在85～300℃。随后，熔融态的高分子材料在所述气泵323的驱动和控制下，按照流动速度为1～30ml/min的速度经所述输料管322送入所述喷头组34。熔融态的高分子材料进入所述喷头组34后，被均匀地分配，经由喷头喷出。同时，在所述接收板36上，根据高分子材料的不同施加1.5～50Kv范围内的高压电。于是，在高压电源的电场力的作用下，纤维丝直径不断地变细至100～2000nm。在气流的约束下和电场管理的控制下，纤维丝按照设计线路落到所述接收板36上，经由所述接收板加热器(图中未示)加热干燥处理，最终形成纳米纤维膜。
如上描述的，本发明的所述高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置通过高压电场管理和气流的分配，避免各喷头之间电场干扰，同时控制纺丝的走向，实现近电场熔融与溶液纺丝量产，并可通过计算机控制实现三维成型。
即使如上所述，本发明一实施例的所述组件被组合成一单一单元或作为一单一单元操作，本发明并不一定限于一实施例。也就是说，在各组件中，一个或多个组件可以被选择性地组合，以作为一个或多个单元。尽管为了说明的目的而描述了本发明的一较佳实施例，本领域技术人员将理解的是，在不脱离如所附权利要求中公开的本发明的范围和精神下，多种修改、添加或替换是可行的。本发明的范围应在所附权利要求的基础上，以一种所述技术思路包含在与属于本发明的权利要求相当的范围内的方式进行解释。

Claims (8)

1.一种高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置，包括：移动组件、气流分配组件和打印组件，并具有一固定机架，其特征在于，
所述移动组件包括：
移动平台，所述移动平台设置于所述固定机架上，并可以相对所述固定机架平移；
升降装置，所述升降装置设置于所述固定机架上，用于控制所述打印组件沿垂直方向进行升降运动；
所述打印组件包括：
喷头组，所述喷头组包含数个喷头；
至少两个进料组件，所述进料组件包括：熔融液体加热给料组件和溶液液体给料组件；
所述熔融液体加热给料组件包括：高温加热料筒、一第一输送管和一第一气泵，其中所述第一气泵与高温加热料筒上部相连；第一输送管的一端与所述高温加热料筒下部连通，另一端与所述喷头组连接；溶液液体给料组件包括料桶、一第二输送管及一第二气泵，所述料桶的一端与所述第二气泵相连，另一端与所述喷头组相连；以及，
接收板，所述接收板设置于所述喷头组下方，用以堆栈构成立体对象；
所述气流分配组件包括：
热风源，所述热风源设置于所述固定机架上，用以提供热气流；
上布风板，置于所述进料组件上方，用于均匀引导热气流；
下布风板，所述下布风板设置于所述接收板的下方并设置于所述移动平台的上方，用于均匀引导所述热气流；
其中，所述接收板与一高压电源导电连接，用以通过所述高压电源向所述接收板施加一高电压。
2.如权利要求1所述的高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置，其特征在于，所述高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置还包括一收集室，所述收集室设置于所述下布风板的下方，与所述下布风板连通，用以收集所述热气流。
3.如权利要求1所述的高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置，其特征在于，在所述熔融液体加热给料组件的所述高温加热料筒的外围设置一加热器和传感器，用于对所述高温加热料筒内的原料进行加热控制。
4.如权利要求1所述的高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置，其特征在于，在所述接收板上设置一接收板加热器，用于对所述接收板上的三维成型结构进行温度调控，构成3D打印结构。
5.如权利要求1-4中任一权利要求所述的高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置，其特征在于，所述高压电源向所述接收板施加的高电压在1.5～50Kv之间。
6.如权利要求3所述的高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置，其特征在于，设置于所述高温加热料筒外围的所述加热器的加热温度在85～300℃之间。
7.如权利要求4所述的高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置，其特征在于，设置于所述接收板上的接收板加热器的加热温度在35～70℃之间。
8.如权利要求1-4中任一权利要求所述的高分子聚合物材料近电场熔融及溶液纺丝三维成型装置，其特征在于，所述气泵控制对流经所述输送管内的原料的流动速度为1～30ml/min。
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