CN107012516B - 一种可多材料自动实时混合电纺直写装置 - Google Patents

Abstract

一种可多材料自动实时混合电纺直写装置，涉及静电纺丝。设有混合微流道、储液器、输液管道、驱动器、供液软管、截止阀、喷头、高压电源、收集板、XYZ三维移动平台、CCD显微镜以及计算机；混合微流道分别连接储液器和输液管道，输液管道连接安装有驱动器的供液软管，供液软管另一端连接分两路的输液管道，其中一路接回储液器，另一路接截止阀，截止阀另一端连接喷头，喷头与高压电源正极相连，高压电源负极和收集板相连后都接地，喷头和收集板安装在XYZ三维移动平台上，CCD显微镜安装在喷头旁，计算机作为控制器。利用微流体芯片进行电纺直写多材料的实时自动混合，通过驱动器同时实现供液和实时混合，保证溶液充分均匀混合，效率高。

Description

一种可多材料自动实时混合电纺直写装置

技术领域

本发明涉及静电纺丝，尤其是涉及一种可多材料自动实时混合电纺直写装置。

背景技术

静电纺丝是前驱体在强电场中喷射拉伸成纤工艺，即电场作用下，喷头处液滴由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”)，进而圆锥末端拉伸出射流并演化成微纳米级纤维细丝。该方法制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控，已成为有效制备纳米纤维的主要途径之一。静电纺丝技术已经制备了种类丰富的纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。然而，利用静电纺丝技术制备纳米纤维还面临一些需要解决的问题(Huang Z M,Zhang Y Z,Kotaki M,et al.A review on polymer nanofibers byelectrospinning and their applications in nanocomposites.Composites scienceand technology,2003,63(15):2223-2253.)。

电纺直写技术通过缩小喷头至收集板距离、降低纺丝工作电压，利用纺丝射流的稳定阶段直写沉积有序纳米纤维，克服传统静电纺丝射流螺旋鞭动和纤维无序沉积缺陷，具有设备简易、工艺简单、材料兼容性好等优点。电纺直写将加速静电纺丝技术在微纳制造领域的推广应用，是柔性电子产业最具潜力的制造技术之一(Zhou F L,Gong R H,PoratI.Mass production of nanofibre assemblies by electrostatic spinning.PolymerInternational,2009,58(4):331-342.)。

在现实需求中，经常需要多种材料混合的纳米纤维以期提升产品的力学、电学或热学等综合性能(如将石墨烯或二硫化钼添加到高分子中作为传感器敏感单元等)。文献报道的电纺直写装置都是将多材料提前进行搅拌均匀后再由动力(如供液泵)通过管道将流体输送到喷头。此种方法在长时间电纺直写多相材料(如液体与钨、碳纳米管\线\带等微纳固体材料)或互不相容材料(如油与其他聚合物溶液形成的悬浊液)时溶液\熔体将出现沉淀分层或严重团聚现象，直写稳定性差，沉积的微纳米结构性能不稳定(Hwang S,Roh K H,Lim D W,et al.Anisotropic hybrid particles based on electrohydrodynamic co-jetting of nanoparticle suspensions.Physical Chemistry Chemical Physics,2010,12(38):11894-11899.)。

当前大部分实时混合方法都是利用震动、机械搅拌结构或者超声来实现，但是这些方法在含微颗粒溶液上的实时混合都存在着许多缺点，例如震动式或机械搅拌结构主要用于微粒尺寸较大溶液的实时混合，在含微粒溶液实时混合中很难做到均匀，溶液容易出现团聚现象等，同时装置的结构复杂，尺寸相对较大。利用超声方法进行实时混合需要较长时间得到一个较好效果，也容易出现不均匀的现象。

发明内容

本发明的目的在于提供利用微流体芯片进行电纺直写多材料的实时自动混合，通过驱动器同时实现供液和实时混合，保证溶液充分均匀混合，效率高的一种可多材料自动实时混合电纺直写装置。

本发明设有混合微流道、储液器、输液管道、驱动器、供液软管、截止阀、喷头、高压电源、收集板、XYZ三维移动平台、CCD显微镜以及计算机；

所述混合微流道一端与储液器相连，混合微流道另一端连接输液管道，储液器上端设有供液入口和与外界空气连接的通口，输液管道的一端接有供液软管，供液软管上安装有一个驱动器，供液软管另一端连接分两路的输液管道，其中一路接回储液器，组成回路，为电纺直写供液，另一路接截止阀，截止阀另一端连接喷头，喷头与高压电源正极相连，高压电源负极和收集板相连后都接地，喷头安装在XYZ三维移动平台的Z轴移动平台上，收集板安装在XYZ三维移动平台的XY轴移动平台上，CCD显微镜安装在喷头旁，计算机分别连接上高压电源、CCD显微镜、XYZ三维移动平台，对其进行控制。

所述混合微流道用于溶液混合。

所述驱动器，起到类似于蠕动泵的供液作用以及通过滚轮的滚速控制喷头的出液速度来进行调速。

所述驱动器可控制供液软管的出液量。

与现有技术比较，本发明所述电纺直写装置的工作原理和有益效果如下：

本发明能进行多种溶液的不同配比下的供液，需要混合的多种溶液经过混合微流道，在一定的混合时间之后得到充分的混合，同时由混合微流道、储液器、输液管道、组成的回路可以完成多种溶液的充分实时混合。这样避免了每次电纺直写前都需要先进行溶液混合以及花费很多的准备时间和需要单独的混合设备等，同时最主要的是防止了因未实时混合导致的混合溶液的沉淀分层或严重团聚问题。

本发明中具有一个驱动器，所述驱动器中滚轮以不同的滚速挤压供液软管来调节对喷头的供液速率，从而控制电纺直写的出液速度。在溶液混合好后，经过该驱动器，把混合好的溶液按照一定速率输出到喷头进行电纺直写。

其中计算机作为控制器，通过控制XYZ三维移动平台中XY运动方向的运动平台进行XY方向的移动来控制电纺直写的直写方向。喷头通过Z轴移动平台得到较好的接收距离。同时装备CCD显微镜方便实时观察电纺直写的直写情况，以便调整。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例中的驱动器的局部结构示意图。

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，本发明实施例设有混合微流道1、储液器2、输液管道3、驱动器4、供液软管5、截止阀6、喷头7、高压电源8、收集板9、XYZ三维移动平台10、CCD显微镜11以及计算机12。

所述混合微流道1一端与储液器2相连，混合微流道1另一端连接输液管道3，储液器2上端有供液入口和与外界空气连接的通口，输液管道3的一端接有供液软管5，供液软管5上安装有一个驱动器4，供液软管5另一端连接分两路的输液管道3，其中一路接回储液器2，组成回路，为电纺直写供液，另一路接截止阀6，截止阀6另一端连接喷头7，喷头7与高压电源8正极相连，高压电源8负极和收集板9相连后都接地，喷头7安装在XYZ三维移动平台10的Z轴移动平台上，收集板9安装在XYZ三维移动平台10的XY轴移动平台上，CCD显微镜11安装在喷头旁，计算机12分别连接上高压电源8、CCD显微镜11、XYZ三维移动平台10，对其进行控制。

所述储液器2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)。颗粒、粉末或溶液等原料通入储液器2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。

所述混合微流道1、储液器2、输液管道3组成回路的主要部分，完成多种溶液的充分实时混合，防止了因未实时混合导致的混合溶液的沉淀分层或严重团聚问题。

所述驱动器4、供液软管5，起到类似于蠕动泵的供液作用以及控制喷头的出液速度。

所述喷头7安装在XYZ三维移动平台10的Z轴移动平台上，通过调节接收距离得到较好的直写效果。

所述收集板9和XYZ三维移动平台10上的XY运动方向的运动平台组成收集部分，XY运动方向的运动平台带动安装在其上方的收集板9进行XY运动方向的运动，在稳定的电纺直写过程后得到最终要求的图案。

所述高压电源8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，从而使得电纺直写过程更加柔性化。高压电源8工作时向喷头7提供高压电势，混合溶液在高压电场的作用下发生形变产生泰勒锥，最终在收集板9上进行稳定的电纺直写。

所述CCD显微镜11安装在喷头7附近，CCD显微镜11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。

所述计算机12分别连接上高压电源5、CCD显微镜11、XYZ三维移动平台10，利用计算机12分别对这些装置设备进行控制。计算机12可以通过控制XYZ三维移动平台10的电机的转速大小和转向来控制这其精确移动，从而控制他们的位置。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，进行实时上位机控制，从而实现了整个制备过程的控制化、自动化、柔性化，甚至是工业化。使得整个电纺直写过程更加快捷、简易和柔性。

以下给出本发明的整个电纺直写工作过程：

1)首先按照图1的装置在储液器2中通入电纺直写需要混合的各种液体，同时设置好需要的混合温度等；

2)设置好驱动器4的相关参数，例如设置好出液的速率；

3)各种溶液经储液器2流入混合微流道1，电纺直写前让需要混合的溶液在混合微流道1、储液器2、输液管道3组成的回路中多流几遍，先让溶液均匀充分混合；

4)通过调节XYZ三维移动平台10的Z轴移动平台得到较好的接收距离；

5)溶液均匀充分混合后，开启高压电源8，根据要求给喷头加上高电压；

6)在计算机12中设置好XYZ三维移动平台10中XY运动方向运动平台的运动轨迹；

7)开启CCD显微镜11，在计算机12中设置好CCD显微镜11的各个参数，开始监测；

8)溶液均匀充分混合后，打开截止阀6，开始为喷头7进行供液；

9)在计算机12中启动电纺直写的命令，喷头7开始喷射混合溶液的同时，XY运动方向的运动平台也开始根据前面设置好的轨迹形成稳定的移动，悬挂在喷头7尖端的液滴形成泰勒锥并从针尖喷射出来。射流在高压电场作用下，形成超细纤维，最终沉积于收集板9上形成要求的图案。

Claims (4)

1.一种可多材料自动实时混合电纺直写装置，其特征在于设有混合微流道、储液器、输液管道、驱动器、供液软管、截止阀、喷头、高压电源、收集板、XYZ三维移动平台、CCD显微镜以及计算机；

所述混合微流道一端与储液器相连，混合微流道另一端连接输液管道，储液器上端设有供液入口和与外界空气连接的通口，输液管道的一端接有供液软管，供液软管上安装有一个驱动器，供液软管另一端连接分两路的输液管道，其中一路接回储液器，组成回路，为电纺直写供液，另一路接截止阀，截止阀另一端连接喷头，喷头与高压电源正极相连，高压电源负极和收集板相连后都接地，喷头安装在XYZ三维移动平台的Z轴移动平台上，收集板安装在XYZ三维移动平台的XY轴移动平台上，CCD显微镜安装在喷头旁，计算机分别连接高压电源、CCD显微镜、XYZ三维移动平台，所述计算机对高压电源、CCD显微镜、XYZ三维移动平台进行控制。

2.如权利要求1所述一种可多材料自动实时混合电纺直写装置，其特征在于所述混合微流道用于溶液混合。

3.如权利要求1所述一种可多材料自动实时混合电纺直写装置，其特征在于所述驱动器连接供液软管并通过滚轮的滚速控制喷头的出液速度进行调速。

4.如权利要求1所述一种可多材料自动实时混合电纺直写装置，其特征在于所述驱动器控制供液软管的出液量。