CN108536183A - 基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法，该方法主要包括如下步骤：将设备的收集板接地，注射器的针尖与直流高压电连接；启动静电纺丝系统，X‑Y‑Z‑U运动平台根据上位机软件规划的路径开始运动，使有机溶剂在电场作用下，在喷头尖端形成泰勒锥，实现阵列等间距的喷印；通过转动旋转刻度码盘，带动调节阵列针头旋转实现角度的调节；根据公式计算阵列针头所要旋转的角度，其中x为希望探究的针间距，y为实际阵列针头针间距。本发明具有实施简单、控制逻辑清晰、精度高的优点。

Description

基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法

技术领域

本发明涉及电纺喷印控制技术领域，尤其涉及一种基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法。

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。

纳米结构由于其独特的性质使其在多领域应用并成为了众多学者深入研究的主题。现今大量的合成和制造方法已经被应用于产生纳米纤维结构，而在这些方法当中近场电纺喷印(基于近场静电相互作用的拉伸过程)为制造实心/空心/包轴等多种形式的纤维及其沉积排布提供了直接简单的方法，与其它纳米纤维结构的方法不同，近场直写排列纤维的方式是利用高压电场激发并往收集板定向沉积的过程中在空气中通过运动、蒸发形成第一次细化，并通过在收集板上的沉积后收集板对纤维基于静电相互作用的单轴拉伸牵引，进一步连续减少黏性射流的直径，这种技术适合于产生连续均匀，细化直径的纤维序列排布。而在近场电纺喷印技术的应用过程中，由于近场单针头的喷印的效率低，所以逐渐地有高校科研人员开始探究近场多针头阵列的喷印实验，而在探究多针头阵列喷印时，有时需要保证针头的排布方向与牵引轴方向成垂直状态，有时需要探究不同针间距的喷印效果，所以就需要很多种针间距的阵列排布的针头。而对于同一个探究实验，重复地更换针头，会使实验添加了人为误差因数，并且市场上定制一个阵列四针的针头通常需要一百元以上无疑中也增加了成本。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法，该调控方法主要包括如下步骤：

步骤S1：将设备的收集板接地，注射器的针尖与直流高压电连接。

步骤S2：启动静电纺丝系统，X-Y-Z-U运动平台根据上位机软件规划的路径开始运动，使有机溶剂在电场作用下，在喷头尖端形成泰勒锥，实现阵列等间距的喷印。

步骤S3：通过转动旋转刻度码盘，带动调节阵列针头旋转实现角度的调节。

步骤S4：根据公式计算阵列针头所要旋转的角度，其中x为希望探究的针间距，y为实际阵列针头针间距。

作为本发明的优选方案，为了提高本发明的控制精度，所述步骤S3可替换为更高精度的控制方式，具体步骤如下：在旋转刻度码盘旋转圈外装上圆光栅，并接上光栅读数头和显示装置，可以实现高精度的转角控制。另外，旋转刻度码盘的转动由旋转步进电机驱动，通过对应驱动器和控制器加上外部圆光栅的在线反馈，实现闭环在线角度控制与反馈补偿，可以实现更高精度的转角控制。

作为本发明的优选方案，为了进一步提高调控方法的控制精度，本发明旋转刻度码盘每隔30度有一长标志线，两长标志线间有15根短标志线，使得旋转码盘的最小刻度为2°。

本发明的工作过程和原理是：本发明包括有、X-Y-Z-U四轴运动平台、收集板、精密注射泵、注射器、高压直流电源、电机驱动器和控制器、上位机软件。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，用于溶液的喷丝的阵列多针头固定注射器储液器的末端；静电纺丝收集器固定在U轴旋转台上，X轴移动平台安装在Y轴移动平台上，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器直接相连，X轴、Y轴、精密注射泵分别与对应的驱动器连接再与静电纺丝控制器相连，上位机软件通过规划好纺丝的路径，实现纺丝喷印；阵列针头的头端与旋转刻度码盘内表面相配合连接，旋转刻度码盘安装在精密注射泵的底端，通过调节旋转刻度码盘的旋转角度可以实现喷印间距的调控。本发明还具有实施简单、控制逻辑清晰、精度高的优点。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法通过在针头固定的地方与旋转码盘相连接，完成纺丝牵引方向阵列针头喷印间距可调的效果。

(2)本发明所提供的基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法可以完善拓展，通过在旋转刻度码盘与圆光栅、光栅读数头、显示装置、旋转步进电机，可实现闭环的在线角度控制与反馈补偿，可以实现更高精度的转角在线反馈控制。

(3)本发明所提供的基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法在不需要更换针头的情况下，实现在同一接收板上连续探究不同针间距喷印的效果，保证了对比实验的准确性。

(4)本发明所提供的基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法可根据上位机规划的插补路径，通过控制X-Y-Z-U四轴运动平台可实现复杂的喷印。

(5)本发明所提供的基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法简便，通过调控旋转刻度码盘的角度可以实现探究在同一阵列针头，同一块收集板上探究喷印间距实验，保证实验可靠，同时也节约了成本。

附图说明

图1是本发明所提供的基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控平台的结构示意图。

图2是本发明所提供的基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控平台的主视图。

图3是本发明所提供的基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控平台的右视图。

图4是本发明所提供的基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法的原理图。

上述附图中的标号说明：

1-Y轴运动平台，2-X轴运动平台，3-U轴旋转平台，4-旋转刻度码盘，5-精密注射泵，6-Z轴运动平台，7-注射器，8-阵列针头，9-聚合物纤维，10-接收板，11-接地端，12-高压直流电源，13-驱动器和控制器，14-上位机；

51-标志尖点，81-针头。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1、图2、图3和图4所示，本发明公开了本发明是一种基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法，在近场电纺喷印技术的应用过程中，由于近场单针头81的喷印的效率低，所以逐渐地有高校科研人员开始探究近场多针头阵列的喷印实验，而在探究多针头阵列喷印时，有时需要保证针头81的排布方向与牵引轴方向成垂直状态，有时需要探究不同针间距的喷印效果，所以通常需要定制多种针间距阵列排布的针头81。而对于同一个探究实验，重复地更换针头81，会使实验添加了人为误差因数，并且市场上定制一个阵列四针的针头81通常需要一百元以上无疑中也增加了成本。所以本发明可提供一种适用于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法来解决问题。

本发明采用电流体喷印原理，根据实验的探究喷印间距需求通过调控旋转刻度码盘4对应的角度，即可实现同一阵列针头8在同一接收板10上连续探究不同喷印间距的效果。

如图1所示，本发明，包括有Y轴运动平台1、X轴运动平台2、U轴旋转平台3、旋转刻度码盘4、精密注射泵5、Z轴运动平台6、注射器7、阵列针头8、聚合物纤维9、接收板10、接地端11、高压直流电源12、驱动器和控制器13、上位机软件14，其中注射器7一端设有储液仓用以储存溶液，另一端设有阵列针头8。高压电源的高压端11与注射器7的金属针头81相连，注射器7与精密注射泵5相连而精密注射泵5固定在Z轴运动平台6上且能沿着z轴作直线往复运动，通过推动精密注射泵5的推进机构可将储存在储液仓中的溶液推进到阵列针头8处，进而使得溶液在阵列针头8处被高压电源的高压端所产生的电势，在阵列针头8的针尖处形成泰勒锥射流；而在阵列针头8的正下方，收集板10粘贴在U轴旋转平台3上，U轴旋转平台3与Y轴运动平台1、X轴轴运动平台2顺序两两相连接，且与金属针头81所在平面成垂直正交，并通过导线与大地11相连即收集板10处电势为0，因此金属针头81处的溶液被高压电源进行高压激发后，金属针头81与收集平板3之间形成极大的电势差，且在电势差的作用下溶液在空间运动过程中因挥发而最终形成阵列聚合物纤维9且沉积在收集板10上，上位机软件14通过控制控制器驱动器13使平台1、2、3按照规划的路径喷印，同时也可以通过改变旋转刻度码盘4的角度，实现不同轨迹状态下阵列针头8不同喷印间距的纺丝效果探究。

如图2所示，阵列针头8的外表面与旋转刻度码盘4内表面配合连接，可以通过转动旋转刻度码盘4，从而带动调节阵列针头8的角度，如图2所示，旋转刻度码盘4每隔30度有一长标志线，两长标志线间有15根短标志线，所以大旋转码盘的最小刻度为2°(根据需求可以定制精度更高的旋转码盘)；

另一种方案：根据实验，如果需要旋转角精度能达到分甚至角秒的级别，可以在旋转刻度码盘4旋转圈外装上对应型号的圆光栅，并接上光栅读数头和显示装置，可以实现高精度的转角控制，而旋转刻度码盘4的转动也可以由旋转步进电机驱动，通过对应驱动器和制器加上外部圆光栅的在线反馈，可实现闭环的在线角度控制与反馈补偿，可以实现更高精度的转角控制。

如果如果对转角精度要求不高，可用如图2所示，在夹紧装置中有一标志尖点51，可作为旋转码盘4的转角参考点。喷印间距调控原理如图4所示，例如定制的针头81的针间距为5mm，放出来的丝如图4中的9所示，实验中需要探究4mm针间距时的纺丝情况，旋转角度可由公式(x为希望探究的针间距，y为实际阵列针头8针间距)可得大约需旋转37度，即可纺丝出阵列针间距为4mm时的效果。

故本发明解决了多针头阵列的喷印实验有时需要保证针头81的排布方向与牵引轴方向成垂直状态，有时需要探究阵列针头8不同喷印间距的效果等问题。避免了同一个探究实验重复地更换针头81，降低了人为操作导致的误差因数，并且减少了阵列针头8的定制，降低了实验成本。

本发明的工作过程和原理：本发明包括有、X-Y-Z-U四轴运动平台、收集板、精密注射泵5、注射器7、高压直流电源12、电机驱动器和控制器13、上位机软件14。精密注射泵5固定在工作台上，推送注射器7的推杆在精密注射泵5的带动下将注射器7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7储液器里面补充溶液，用于溶液的喷丝的阵列多针头固定注射器7储液器的末端；静电纺丝收集器固定在U轴旋转台上，X轴移动平台安装在Y轴移动平台上，高压直流电源12与喷头相连而提供纺丝电场，高压直流电源12与用于控制纺丝电压的静电纺丝控制器直接相连，X轴、Y轴、精密注射泵5分别与对应的驱动器连接再与静电纺丝控制器相连，上位机软件14通过规划好纺丝的路径，实现纺丝喷印；阵列针头8的头端与旋转刻度码盘4内表面相配合连接，旋转刻度码盘4安装在精密注射泵5的底端，通过调节旋转刻度码盘4的旋转角度可以实现喷印间距的调控。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：将设备的收集板接地，注射器的针尖与直流高压电连接；

步骤S2：启动静电纺丝系统，X-Y-Z-U运动平台根据上位机软件规划的路径开始运动，使有机溶剂在电场作用下，在喷头尖端形成泰勒锥，实现阵列等间距的喷印；

步骤S3：通过转动旋转刻度码盘，带动调节阵列针头旋转实现角度的调节；

步骤S4：根据公式计算阵列针头所要旋转的角度，其中x为希望探究的针间距，y为实际阵列针头针间距。

2.根据权利要求1所述的基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法，其特征在于，所述步骤S3可替换为更高精度的控制方式：在旋转刻度码盘旋转圈外装上圆光栅，并接上光栅读数头和显示装置，可以实现高精度的转角控制。

3.根据权利要求2所述的基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法，其特征在于，旋转刻度码盘的转动由旋转步进电机驱动，通过对应驱动器和控制器加上外部圆光栅的在线反馈，实现闭环在线角度控制与反馈补偿，可以实现更高精度的转角控制。

4.根据权利要求1所述的基于近场电纺喷印多针头阵列实验的喷印间距调控方法，其特征在于，旋转刻度码盘每隔30度有一长标志线，两长标志线间有15根短标志线，使得旋转码盘的最小刻度为2°。