CN109322062A - 3d堆叠式多层电纺纤维逐层喷射方法 - Google Patents

Abstract

3D堆叠式多层电纺纤维逐层喷射方法,属于电纺领域，为了解决形成多层电纺纤维层的问题，3D堆叠式电纺纤维喷射成形装置逐层喷射，下压运动平台的两个横向运动驱动电机驱动下压运动平台横向运动，纵向运动驱动电机驱动平面压力调节器带动压力板的压力薄膜完全覆盖旋转收集托盘并压实，然后纵向运动驱动电机驱动压力板收回平面压力调节器，横向运动驱动电机带动下压运动平台回到初始位置,能够实现形成多层电纺纤维层。

Description

3D堆叠式多层电纺纤维逐层喷射方法

技术领域

本发明属于电纺领域，涉及一种电纺纤维的喷射与收集装置及方法。

背景技术

电纺纤维材料因其卓越的物理、化学特性，拥有广泛的应用领域及发展前景，各国都在加紧改进现有电纺纤维技术或是研制新型的电纺纤维设备。在电纺纤维生产过程中，通过让带有电荷的高分子溶液在高压静电场中喷射、拉伸、劈裂、挥发固化，最终形成纤维状特质。随着材料合成技术的进步和电纺纤维应用领域的不断扩展，实验和工程应用领域需要更高效地测试、研究多层不同材料在电纺纤维叠加后的物理化学特性。由于电纺溶液的配比复杂、种类多、喷射时间长、环境参数复杂，利用人工手动实现多层电纺纤维3D堆叠实验往往需要克服许多困难，如分层喷射、喷射模板定义、喷射时间设定、喷射角度测量及喷射区域控制等。而且人工操作的随机性大且实验步骤复杂，实验数据经常出现较大程度的偏差。

发明内容

为了解决形成多层电纺纤维层的问题，本发明提出如下技术方案：一种3D堆叠式多层电纺纤维逐层喷射方法，3D堆叠式电纺纤维喷射成形装置逐层喷射，下压运动平台的两个横向运动驱动电机驱动下压运动平台横向运动，纵向运动驱动电机驱动平面压力调节器带动压力板的压力薄膜完全覆盖旋转收集托盘并压实，然后纵向运动驱动电机驱动压力板收回平面压力调节器，横向运动驱动电机带动下压运动平台回到初始位置，完成第一层电纺纤维的喷射成形，喷射转台旋转驱动电机旋转将第二种电纺容器对准旋转收集托盘的中心，模型转台驱动电机旋转，将第二种平面托板置于旋转收集托盘的上方并开始第二层电纺纤维的成形喷射，循环上述喷射过程，完成多层电纺纤维的成型喷射。

有益效果：本发明通过可旋转的电纺喷射转台、模型转台以转动的形式，实现了电纺纤维材质、形状的自动轮换喷射，且收集台以下压运动平台实现了其横竖向移动，使得可以在需要时候层层压紧电纺纤维，形成3D分层结构，且，上述手段的结合，实现了不同材质、形状的电纺纤维自动轮换的分层结构。

附图说明

图1是本发明所述喷射形成装置的结构示意图；

图2是3D堆叠式电纺纤维喷射效果图；

图3是平面压力调节器结构示意图。

10.模型转台,11.驱动电机,12支撑臂,13.平面托板,14.支杆,15.支杆高度调节环；

20.电纺喷射转台,21.驱动电机,22.支撑臂,23.电纺容器,24.喷射针头,25.支撑杆,26.支撑杆高度调节环；

30.收集台,31.可调式出风口,32.旋转收集托盘,33.下压运动平台,331.横向运动驱动电机,332.支撑架,333.纵向运动驱动电机,334.支撑柱,335.压力调节柱,336.横轴,337.连接器,34.平面压力调节器,35.控制旋钮,36.压力板,37.压力薄膜、38.加热薄膜、39.外界气源口；

40.电纺纤维；

51.第一层电纺纤维，52.第二层电纺纤维，53.第三层电纺纤维，54.第四层电纺纤维

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作详细地介绍。

实施例1：如图1所示，一种实验用3D堆叠式电纺纤维喷射成形装置，由电纺喷射转台、模型转台、收集台三大部分组成，其中电纺喷射转台包含喷射转台旋转驱动电机21、喷射转台支撑臂22、电纺容器23、喷射针头24、喷射转台支撑杆25、喷射转台支撑杆高度调节环26；模型转台包含模型转台驱动电机11、模型转台支撑臂12、平面托板13、模型转台支杆14、模型转台支杆高度调节环15；收集台包含可调式出风口31、旋转收集托盘32、下压运动平台33、平面压力调节器34、控制旋钮35、压力板36、压力薄膜37、加热薄膜38、外界气源口39。为了便于直观、清晰地表示装置结构，示意图中的模型转台位置故意向上提高，但实际使用时，模型转台位置仅高出托盘2-5厘米。

喷射转台旋转驱动电机21负责驱动喷射转台旋转，当某层需要喷射某种电纺溶液时，喷射转台旋转驱动电机会将对应的溶液旋转至喷射模型正上方。喷射转台支撑臂22负责连接喷射转台旋转驱动电机与电纺容器，起到支撑电纺容器的作用。电纺容器23负责容纳各种电纺溶液。喷射针头24，电纺溶液在压力和电场的作用下从喷射针头喷出，该针头的直径可根据实验的需求而更换。喷射转台支撑杆25负责支撑喷射转台，支撑杆的一端固定在收集台右侧的外延面上，其支撑杆可延收集台横向移动，以调节喷射针头的坐标。喷射转台支撑杆高度调节环26负责调节喷射转台支撑杆的高度，以匹配不同的喷射实验要求。转台驱动电机11负责驱动模型转台支撑臂旋转，以使对应的模型处于收集托盘的正上方。模型转台支撑臂12负责连接转台驱动电机及平面托板，对平面托板起到支撑作用。平面托板13有多种类型可选(中间镂空成圆形、矩形、半圆形、三角形等)，实验前，操作人员可以根据实验的需求挑选托板并分别固定在模型转台支撑臂12上。模型转台支撑杆14负责支撑模型转台，模型转台支撑杆的底端固定在收集台左侧的外延面上，其支撑杆可延收集台横向移动，以调节平面托板中心的坐标，以使平面托板中心与喷射针头的中心及旋转收集托盘的中心三点成垂直直线。模型转台支杆高度调节环15负责调节模型转台支杆的高度，以控制旋转收集托盘32上电纺纤维形状的大小。可调式出风口31，环境温湿度对电纺纤维的喷射和成形有重要影响，维持稳定的环境温湿度有利于实验精度的提高，4个可调式出风口垂直向上出风，其中4个出风口的大小和方向可手动调节。旋转收集托盘32，托盘上有可用来固定铝箔的凹槽，托盘用来收集从平面托板落下的电纺纤维，托盘可根据需求由下方的电机控制慢速正转或反转，旋转收集托盘32可延x轴和y轴在收集台上移动，以调节托盘的位置。

压力板36负责压实旋转收集托盘上的一层电纺纤维材质，压力板中间镂空可安装不同材质的压力薄膜。压力薄膜37共2层起到弹性压实作用，根据不同的电纺材质选择不同材质的压力薄膜，均苯型聚酰亚胺薄膜导热性能好、耐化学腐蚀、抗拉伸且绝缘，普通电纺材质均可选择此材料作为压力薄膜的上下层。其中正方形压力薄膜的边长大于托盘的直径，以确保压力薄膜落下时完全将托盘覆盖。压力薄膜37可将旋转收集托盘上的单层/多层电纺纤维材质压平。加热薄膜38位于2层压力薄膜中间，采用可控的硅橡胶加热膜波浪式排布于两层压力薄膜37之间，通过控制旋钮35调节硅橡胶加热膜的温度。

下压运动平台33，为三电机及铝合金支杆组成的横纵向运动系统。利用压力板对托盘的压力作用定压、定温加热托盘上的电纺纤维。下压运动平台33由2个横向运动驱动电机331、支撑架332、一个纵向运动驱动电机333、支撑柱334、压力调节柱335、横轴336及连接器337组成，其中支撑柱334、压力调节柱335、横轴336及连接器337配合使用起到压力调节器的作用。当需要对单层电纺纤维进行定压、定温加热时，首先2个横向运动驱动电机331将运动平台33推至旋转收集托盘32的上方，纵向运动驱动电机333旋转使压力调节器下压，连接在压力调节器下方的压力板36上的压力薄膜37将电纺纤维加热。

压力调节器由2个支撑柱334和5个压力调节柱335组成。支撑柱334在2侧起支撑作用，压力调节柱335以横轴336为中心可360度翻转，通过支撑柱工作的数量来调节6个等级的压力(因为个纵向运动驱动电机333会将压力调节器推向指定位置，如果工作的压力调节柱335的数量多即会产生更大的向下压力)。其结构及工作原理图3所示，其中图3中只有3个压力调节柱335工作(提供第四档压力)。

控制旋钮35，右6个控制按钮组成，其一负责控制喷射转台旋转驱动电机21；其二负责控制转台驱动电机11；其三负责控制旋转收集托盘32驱动电机；其四、五负责控制下压运动平台33的横向和纵向运动；其六负责控制加热薄膜的温度。外界气源口39负责连接外部的恒温恒湿气源以向4个出风口31提供恒温恒湿的气体。

本实施例的实验用3D堆叠式电纺纤维喷射成形装置，通过简洁、实用的机械结构，以较低的成本实现了可自定义的自动3D堆叠式多材质和形状的多层电纺纤维逐层喷射，且不需要人工干涉，提高了电纺纤维喷射实验的效率和实验的稳定性。本装置占地面积小，对使用环境要求少；装置配件丰富可实现多种形状的电纺喷射且快速拆卸、组合、包装，便于运输；装置运行时，可有效控制纤维杂质的无章散落，不对周围环境造成影响。该装置能以较低的成本实现电纺纤维可自定义的自动3D堆叠式多层电纺纤维喷射，而且装置还具有操作简单、运行稳定等优点。非常适合在大中院校、研究院所等单位进行推广。

实施例2：如图1所示，一种实验用3D堆叠式电纺纤维喷射成形装置，由电纺喷射转台、模型转台、收集台三大部分组成，其中电纺喷射转台包含喷射转台旋转驱动电机21、喷射转台支撑臂22、电纺容器23、喷射针头24、喷射转台支撑杆25、喷射转台支撑杆高度调节环26；模型转台包含模型转台驱动电机11、模型转台支撑臂12、平面托板13、模型转台支杆14、模型转台支杆高度调节环15；收集台包含可调式出风口31、旋转收集托盘32、下压运动平台33、平面压力调节器34、控制旋钮35、压力板36、压力薄膜37、加热薄膜38、外界气源口39。

3D堆叠式电纺纤维喷射成形装置可根据实验需求逐层地对电纺纤维材料进行自定义喷射。装置使用前实验人员根据各层电纺纤维的材质要求进行电纺溶液配比，然后分别装入电纺容器23内。转台旋转驱动电机21旋转90度使喷射针头24对齐旋转收集托盘32的中心，根据实验要求喷射转台支撑杆高度调节环26的高度，以使喷射针头24的最底端与旋转收集托盘32中心的距离正好符合实验要求。根据各层的电纺纤维的形状要求而选择不同的模板，依次安装在模型转台支撑臂12上。调节模型转台支杆高度调节环15的高度，使其距离旋转收集托盘322-5厘米。但在示意图图一中，为了便于直观、清晰地表示装置结构，示意图中的模型转台位置故意向上提高。当模型转台支撑臂12位于初始位置后，模型转台驱动电机11正向旋转90度使其第一个平面托板13旋转至旋转收集托盘32上，且平面托板13的中心与旋转收集托盘32及喷射针头24的中心三点重合且垂直。

下压运动平台33，为三电机及铝合金支杆组成的横纵向运动系统。利用压力板对托盘的压力作用定压、定温加热托盘上的电纺纤维。当需要对单层电纺纤维进行定压、定温加热时，首先2个横向运动驱动电机331将运动平台33推至旋转收集托盘32的上方，纵向运动驱动电机333旋转使压力调节器下压，连接在压力调节器下方的压力板36上的压力薄膜37将电纺纤维加热。

压力调节器由2个支撑柱334和5个压力调节柱335组成。支撑柱334在2侧起支撑作用，压力调节柱335以横轴336为中心可360度翻转，通过支撑柱工作的数量来调节6个等级的压力(因为纵向运动驱动电机333会将压力调节器推向指定位置，如果工作的压力调节柱335的数量多即会产生更大的向下压力)。其结构及工作原理图3所示，其中图3中只有3个压力调节柱335工作(提供第四档压力)。

下压运动平台33位于初始位置(右侧)，根据第一种电纺溶液的类型选择合适的压力薄膜37材料(保证压力薄膜不与喷射后的电纺纤维细丝发生粘粘，一般情况选择均苯型聚酰亚胺薄膜)，将压力薄膜37安装在压力板36上，硅橡胶加热薄膜38将压力薄膜37加热至指定温度，调节平面压力调节器34上压力调节柱342的数量，以使压力板压向旋转收集托盘的压力与实验计划相符。

调节4个出风口31的出气条宽度及方向，启动外部恒温恒湿气源，4个可调式出风口31在旋转收集托盘32的四周形成恒温恒湿的气场。第一种电纺溶液在电场和压力的作用下从针头中喷射出来，并按第一种模板的形状在旋转收集托盘32上成形，第一种电纺溶液喷射指定时间后模型转台驱动电机11正向旋转45度。

下压运动平台33上的2个横向运动驱动电机331驱动平台向右运动，纵向运动驱动电机333驱动压力调节器带动压力薄膜37完全覆盖旋转收集托盘32并压实(压力的大小由平面压力调节器控制，薄膜温度由加热薄膜38控制，下压时间由控制旋钮35调节)，然后纵向运动驱动电机驱动收回压力调节器，横向运动驱动电机331，带动下压运动平台回到初始位置。至此完成第一层电纺材质的喷射成形及控温压实。喷射转台旋转驱动电机21旋转90度将第二种电纺容器23对准旋转收集托盘32的中心，模型转台驱动电机11旋转90度将第二种平面托板13置于旋转收集托盘32的上方并开始第二层电纺纤维材质的成形喷射。同理，按实验计划完成各层电纺纤维的一次喷射、堆叠，其最终的效果图如图2所示，51为第一层电纺纤维、52第二层电纺纤维、53第三层电纺纤维、54第四层电纺纤维。

实施例3：一种实验用3D堆叠式电纺纤维喷射成形装置，主要由电纺喷射转台20、模型转台10、收集台30组成，收集台30分层收集电纺纤维，电纺喷射转台20具有多个可转动的电纺容器23，模型转台10具有多个平面托板13，收集台30某层的电纺纤维以具有对应类型电纺纤维溶液的电纺容器23转动至相应平面托板13的上方对应处喷射而形成，所述的相应平面托板13为形成该某层需求形状的电纺纤维而转动至收集台30的上方对应处。

电纺喷射转台20包括旋转驱动电机21、支撑臂22、电纺容器23、喷射针头24、支撑杆25；支撑杆25安装在固定支撑底座的一端，支撑杆25其顶端具有转轴，所述的旋转驱动电机驱动转轴转动，所述转轴以支撑杆25为转动中心而可转动连接在支撑杆25的顶端，多个支撑壁连接在转轴以随动转轴转动，支撑壁的终端连接电纺容器23，电纺容器23其上具有喷射针头24。电纺喷射转台20还包括用于对支撑杆25的高度调节的支撑杆高度调节环26，所述支撑杆高度调节环26安装在支撑杆25。

模型转台10包括驱动电机11、支撑臂12、平面托板13、支杆14；支杆14安装在固定支撑底座的一端，且为与电纺喷射转台20的相对的一端，支杆14其顶端具有转轴，所述的驱动电机驱动转轴转动，所述转轴以支杆14为转动中心而可转动连接在支杆14的顶端，多个支撑壁连接在转轴以随动转轴转动，支撑壁的终端连接平面托板13，所述的平面托板13其上开有用于形成不同形状电纺限位形状的不同形状开口。

收集台30包括旋转收集托盘32、压力板36、下压运动平台33、平面压力调节器337、连接器337及压力板36；所述的旋转旋转收集托盘32位于收集台30靠近模型转台10支杆14的一侧，所述的压力板36位于收集台30的靠近电纺喷射转台20的一侧，旋转收集托盘32所处位置为喷射位置，该位置的上方是为形成相应形状的平面托板13的停转位置，该平面托板13的上方是形成相应电纺溶液类型的电纺容器23的停转位置；所述下压运动平台33为三电机及铝合金支杆14组成的横纵向运动系统，其包括横向运动驱动电机331、横向杆、纵向杆、支撑架332、纵向运动驱动电机333，横向杆与纵向杆间由支撑架332连接，所述的横向杆与纵向杆间以支撑架332连接而形成三角支撑，横向杆与收集台30可移动连接，横向运动驱动电机331驱动横向杆沿着收集台30横向移动，所述的纵向运动驱动电机333驱动纵向杆纵向移动，所述的纵向杆连接平面压力调节器337，平面压力调节器337的下端面连接连接器337，连接器337的下端面连接压力板36，由所述的横向杆横向移动带动下压运动平台33横向移动使得所述压力板36被移动至所述旋转旋转收集托盘3232的上方，由所述的纵向杆带动平面压力调节器337纵向移动而使得压力板36与旋转旋转收集托盘32的距离被调整，并将压力板36压覆在所述旋转旋转收集托盘32。所述的压力板36中间镂空以安装压力薄膜37及加热薄膜38，所述的压力薄膜37包括两层，位于两层压力薄膜37间设置加热薄膜38。

压力薄膜37为正方形，边长大于圆形的旋转收集托盘32的半径。平面压力调节器337由两个边侧的支撑柱334和若干个压力调节柱335组成，支撑柱334在边侧用于支撑，压力调节柱335以横轴336为中心可翻转。所述的旋转收集托盘32的四周的收集台具有可调式出风口31，可调式出风口31垂直向上出风。

所述固定支撑底座，固定支撑底座是横向固定的矩形柱，其一端部固定安装支撑杆25，其另一端部固定安装支杆14，所述收集台30底部横向开出滑动槽，并由滑动槽与收集台30安装，并可以固定支撑底座横向移动以适应对收集台位置调整。

一种电纺纤维喷射成形装置在多种材质及形状的多层电纺纤维形成中的应用，所述的装置如上，应用方法如下：

一种实验用3D堆叠式电纺纤维喷射方法，3D堆叠式电纺纤维喷射成形装置根据实验需求对电纺纤维材质及形状进行自定义喷射。或者为了实现多层的不同材质、形状的电纺纤维喷射，或者单纯对于同种材质和形状作出多层喷射，一种3D堆叠式多层电纺纤维逐层喷射方法，其特征在于，3D堆叠式电纺纤维喷射成形装置逐层喷射，下压运动平台的两个横向运动驱动电机驱动下压运动平台横向运动，纵向运动驱动电机驱动平面压力调节器带动压力板的压力薄膜完全覆盖旋转收集托盘并压实，然后纵向运动驱动电机驱动压力板收回平面压力调节器，横向运动驱动电机带动下压运动平台回到初始位置，完成第一层电纺纤维的喷射成形，喷射转台旋转驱动电机旋转将第二种电纺容器对准旋转收集托盘的中心，模型转台驱动电机旋转，将第二种平面托板置于旋转收集托盘的上方并开始第二层电纺纤维的成形喷射，循环上述喷射过程，完成多层电纺纤维的成型喷射。

所述装置使用前，根据各层电纺纤维的材质要求进行电纺溶液配比，将不同配比的电纺溶液分别装入电纺容器内，转台旋转驱动电机旋转，使喷射针头对齐旋转收集托盘的中心；根据各层的电纺纤维的形状要求选择不同的模板，依次安装在模型转台的支撑臂，调节模型转台支杆高度调节环的高度，使模型转台距离旋转收集托盘2～5cm；当模型转台支撑臂位于初始位置，模型转台驱动电机正向旋转，使第一个平面托板旋转至旋转收集托盘，且平面托板的中心与旋转收集托盘及喷射针头的中心三点重合且垂直；下压运动平台横、纵向运动调整，使得压力板对旋转收集托盘施以压力，对位于旋转收集托盘的电纺限位定压、定温加热；对单层电纺纤维定压、定温加热，先将两个横向运动驱动电机驱动横杆，将下压运动平台横向移动至旋转收集托盘的上方，纵向运动驱动电机驱动纵杆，使平面压力调节器下压，由连接在压力调节器下方的压力板的压力薄膜定压，由加热薄膜将电纺纤维定温加热。

压力调节器由两个支撑柱和若干个压力调节柱组成，支撑柱在两侧起支撑作用，压力调节柱以横轴为中心可翻转，通过支撑柱工作的数量来调节多个等级的压力，其工作为使得工作柱处于竖直位置。下压运动平台33位于初始位置，根据第一种电纺溶液的类型选择合适的压力薄膜材料，将压力薄膜安装在压力板，硅橡胶加热薄膜将压力薄膜加热至指定温度，调节平面压力调节器的压力调节柱位于竖直方向的的数量，以使压力板压向旋转收集托盘的压力与计划相符。电纺纤维喷射过程中，调节四个出风的出气条宽度及方向，启动外部恒温恒湿气源，四个可调式出风口在旋转收集托盘的四周形成恒温恒湿的气场，第一种电纺溶液在电场和压力的作用下从针头中喷射出来，并按第一种模板的形状在旋转收集托盘上成形，第一种电纺溶液喷射指定时间后模型转台驱动电机正向旋转。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种3D堆叠式多层电纺纤维逐层喷射方法，其特征在于，3D堆叠式电纺纤维喷射成形装置逐层喷射，下压运动平台的两个横向运动驱动电机驱动下压运动平台横向运动，纵向运动驱动电机驱动平面压力调节器带动压力板的压力薄膜完全覆盖旋转收集托盘并压实，然后纵向运动驱动电机驱动压力板收回平面压力调节器，横向运动驱动电机带动下压运动平台回到初始位置，完成第一层电纺纤维的喷射成形，喷射转台旋转驱动电机旋转将第二种电纺容器对准旋转收集托盘的中心，模型转台驱动电机旋转，将第二种平面托板置于旋转收集托盘的上方并开始第二层电纺纤维的成形喷射，循环上述喷射过程，完成多层电纺纤维的成型喷射。