CN112030243B - 多针头交错式直写静电纺丝装置及光栅线制作的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多针头交错式直写静电纺丝装置及光栅线制作的方法，该装置包括XY轴移动平台、升降装置、静电纺丝高压电源、多个静电纺丝直写针组件、收集板和多个驱动装置，相邻的静电纺丝直写针组件的输液针错位布置，在Y方向上，其间的距离为150mm以上。本专利的装置及光栅线制作的方法，利用压电陶瓷促动器来控制和调节多个静电纺丝直写针组件的间距以及步进的距离，从而控制光栅线的间距，大大提高了制作光栅线的精度；并且使多个静电纺丝直写针组件保持适当的间距，避免相邻输液针之间发生放电现象，使得系统的静电场的场强分布较为均匀，减少沉积偏移量，提高出丝质量。

Description

多针头交错式直写静电纺丝装置及光栅线制作的方法

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝设备技术领域，具体是涉及一种多针头直写静电纺丝装置及光栅线制作的方法。

背景技术

微纳结构的研究已经成为各国科学探索的重点领域。微纳结构具有良好的电学、化学、磁学、光学、生物兼容等特性，已经在涉及机械、电子、材料、化学、物理、生物等多个领域显示出巨大的应用潜力和商业价值，并在具体研究方向取得了突破性的进展，特别是随着微纳集成器件、系统的迅速发展和工业化应用，对微纳结构的制备提出了快速、集成化、低成本、精确可控等更高要求。

“静电纺丝”一词来源于“electrospinning”或更早一些的“electrostaticspinning”，国内一般简称为“静电纺”、“电纺”等。1934年，Formalas发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，其专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流，这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利，被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。静电纺丝是一种特殊的纳米纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形（即“泰勒锥”），并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出微米级甚至纳米级直径的聚合物纤维。通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一。传统静电纺丝一般是在收集装置10mm以上的情况下进行，也即远场纺丝，难以制备有序可控的纤维，一定程度上限制了应用发展。有关学者通过研究发现，静电纺丝喷射过程中射流从喷嘴处飞出时，分为两个阶段：射流的初始直线运动阶段和不稳定螺旋运动阶段。基于此，静电纺丝近场直写技术通过缩短收集距离，一般是几十微米到几毫米，利用射流的初始直线运动阶段，在运动平台上近场直写出有序可控的纤维。

静电纺丝近场直写技术以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。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。纳米纤维在高温过滤、高效催化、生物组织工程、光电器件、航天器材等多个领域具有潜在的用途。在此技术的基础上，未来静电纺纳米纤维成分的多样化及结构的精细调控已经成为这项技术进一步发展的关键所在。

现有技术主要分为单针头模式的静电纺丝近场直写技术和多针头模式的静电纺丝近场直写技术。单针头模式的静电纺丝近场直写技术目前较难进行精密波浪状/蜿蜒状类微纳结构的制造，一种是利用射流的不稳定阶段进而制造波浪状/蜿蜒状类微纳结构，此类波浪状/蜿蜒状类微纳结构形貌不可控，另一种是利用针头和收集平台的相对运动进而制造波浪状/蜿蜒状类微纳结构。比如，国家知识产权局于2018年12月11日公开了公开号为CN108977960A的专利文献，一种具有双级波浪结构的PVDF高拉伸压电微纤维，其制备方法包括如下步骤：1)配制PVDF静电纺丝溶液。称取1g PVDF粉末，放入25mL放置有搅拌磁子的样品瓶内，再分别加入2.5g DMF和2.5g丙酮，迅速盖上瓶盖以防丙酮挥发。将样品瓶置于磁力搅拌器上搅拌，设置加热温度35℃，搅拌4-6h直至获得均匀透明的PVDF静电纺丝溶液。将纺丝溶液静置半个小时以去除气泡，备用。 2)制备面内波浪形PVDF压电微纤维。用1mL注射器吸取静置后的PVDF溶液，将高压直流电源正极连接到注射器针头，将高压电源负极连接到金属收集板，同时将金属收集板固定在二维位移台上。调节注射器针头与金属收集板的距离为7mm，设定注射泵流量为400nL/min，将高压电源电压调节为2.72kV，获得竖直向收集板喷射的PVDF直射流。启动二维位移台控制软件，设置位移台移动坐标及速度，使之成波浪形运动方式，设置的参数为：X轴速度86mm/s，Y轴速度50mm/s，对应的波浪形结构的波长为1mm、振幅为0.43mm，环境温度24℃，相对湿度42％。在保持静电纺丝直射流的同时，重复二维位移台的波浪形运动方式，重复纤维间间距为0.4mm，最终制备出阵列排列的面内波浪形PVDF压电微纤维。3)双级波浪结构PVDF压电微纤维的制备。将有一定粘性的VHB弹性薄膜基体利用拉伸平台预拉伸至200％应变，将制备有面内波浪形PVDF压电微纤维的金属收集板与VHB薄膜接触贴合，随后移除金属收集板，从而完成了PVDF微纤维从收集板向弹性基体的转移过程。PVDF纤维转移到VHB弹性基体上后，逐渐释放预拉伸应力，使弹性基体恢复原长，获得面外弹出式波浪形结构，形成双波浪结构。

上述技术方案的直写纺丝轨迹精度难以达到几微米甚至几百纳米/几十纳米，除非加载复杂的高精度高速定位平台。

现有技术中，多针头模式的静电纺丝近场直写技术，目前往往存在电场干扰大，存在纤维沉积偏移的现象，当针头距离过近时，由于相邻针头的电场干扰，造成沉积偏移量较大，严重影响了近场直写的质量。

发明内容

为了克服上述之不足，本发明的目的在于提供一种多针头交错式直写静电纺丝装置及光栅线制作的方法。该装置多针模式的输液针采用错位布置的方式，相邻输液针间有足够大的直线距离，避免相邻输液针之间发生放电现象，使得系统的静电场的场强分布较为均匀，几乎无沉积偏移，大大提高了近场直写的质量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

多针头交错式直写静电纺丝装置，包括XY轴移动平台、升降装置、静电纺丝高压电源、多个静电纺丝直写针组件、收集板和多个驱动装置，所述的收集板安装在XY轴移动平台上，多个驱动装置安装在升降装置上，多个静电纺丝直写针组件分别安装在多个驱动装置上，一个驱动装置对应连接一个静电纺丝直写针组件，所述的静电纺丝高压电源中的正极与收集板电连接，静电纺丝高压电源中的负极与静电纺丝直写针组件中的输液针电连接，静电纺丝直写针组件用以在收集板上直写静电纺丝；相邻的静电纺丝直写针组件的输液针错位布置，在X方向上，其间的距离为微米级或至纳米级，在Y方向上，其间的距离为150mm以上，其中，所述驱动装置驱动静电纺丝直写针组件移动的方向为X方向。

进一步地，所述的静电纺丝直写针组件位于收集板的上方，所述的静电纺丝直写针组件中的输液针下端和收集板之间的间距不大于5mm。

进一步地，所述的驱动装置包括压电陶瓷促动器、驱动控制器、基板、柔性传动机构、固定绝缘板、压紧钢球和顶紧螺丝，所述的驱动控制器用以使压电陶瓷促动器产生位移并对位移量进行调节控制，压电陶瓷促动器用以带动静电纺丝直写针组件在X方向上产生微动，所述的静电纺丝直写针组件固定在固定绝缘板上，所述的固定绝缘板与柔性传动机构固定连接，所述柔性传动机构设在基板的左侧边，所述基板的右侧边设有固定块，所述固定块的左侧壁上开有球槽，所述固定块的右侧壁上开有与所述的球槽连通的螺纹孔，所述压紧钢球位于所述的球槽内，所述顶紧螺丝设在螺纹孔中，所述压电陶瓷促动器放置在基板上，顶紧螺丝的一端通过压紧钢球将压电陶瓷促动器的右端顶紧，压电陶瓷促动器的左端顶压在柔性传动机构上，压电陶瓷促动器带动柔性传动机构，柔性传动机构带动固定绝缘板，固定绝缘板带动静电纺丝直写针组件产生微动；所述柔性传动机构为长方形板，所述长方形板的板面上开有两个方孔，所述长方形板上且位于两个方孔之间的区域为承载受力板条，承载受力板条位于长方形板的中心部，所述方孔内的左侧边开有两个内左弧形槽，长方形板的左；所述柔性传动机构的上端和下端分别通过螺丝固定在基板上，压电陶瓷促动器的左端顶压在柔性传动机构的承载受力板条上；压电陶瓷促动器左端面的顶压面为圆弧面。

进一步地，所述升降装置包括驱动电机、滑轨、丝杠、滑块、L形金属感应条、上行程感应开关和下行程感应开关，所述丝杠安装在滑轨上，滑块上设有螺纹通孔，所述的丝杠穿插在滑块的螺纹通孔中并与螺纹通孔螺纹连接，L形金属感应条固定在滑块的一侧，所述的驱动装置的基板固定在所述的滑块上，工作时，驱动电机驱动丝杠转动，丝杠带动滑块，滑块沿着滑轨向下移动，当下行程感应开关感应到L形金属感应条时，下行程感应开关将驱动电机关闭；不工作时，驱动电机驱动丝杠反向转动，丝杠带动滑块，滑块沿着滑轨向上移动，当上行程感应开关感应到L形金属感应条时，上行程感应开关将驱动电机关闭。

进一步地，所述静电纺丝直写针组件包括料筒和输液针，输液针的一端插接在料筒的底部；还包括电加热器，当料筒内存放有颗粒状原料或粉末状原料时，启动电加热器，以将料筒内的原料熔化。

利用多针头交错式压电驱动直写静电纺丝装置进行光栅线制作的方法，具体包括以下步骤：

S1、装置初始化设置：多针头交错式压电驱动直写静电纺丝装置中的静电纺丝直写针组件的数量为N，被制作的光栅线的相邻线间距为S nm；启动驱动装置对静电纺丝直写针组件的位置进行调节，使相邻的静电纺丝直写针组件在X方向上的间距为S nm；在收集板上设定光栅线制作区域；

S2、Y向移动直写静电纺丝：启动XY轴移动平台的驱动电机，XY轴移动平台带动收集板沿Y方向移动，N个静电纺丝直写针组件依次经过收集板上的光栅线制作区域，每个静电纺丝直写针组件到达收集板上的光栅线制作区域，就开始直写静电纺丝时，离开收集板上的光栅线制作区域就停止直写静电纺丝；当最后一个静电纺丝直写针组件离开收集板上的光栅线制作区域就停止直写静电纺丝时，关闭XY轴移动平台的驱动电机；

S3、静电纺丝直写针组件的X向进给：启动所有的驱动装置，使所有的静电纺丝直写针组件在X方向上移动位移N*S nm后停止；

S4、反向移动直写静电纺丝：启动XY轴移动平台的驱动电机，使驱动电机与上一次转动的方向相反，XY轴移动平台带动收集板沿Y方向反向移动，N个静电纺丝直写针组件依次经过收集板上的光栅线制作区域，每个静电纺丝直写针组件到达收集板上的光栅线制作区域，就开始直写静电纺丝时，离开收集板上的光栅线制作区域就停止直写静电纺丝；当最后一个静电纺丝直写针组件离开收集板上的光栅线制作区域就停止直写静电纺丝时，关闭XY轴移动平台的驱动电机；

S5、重复步骤S3和S4,直到完成所有光栅线的制作。

本发明的有益效果在于：

由于多针模式的输液针采用错位布置的方式，相邻输液针间有足够大的直线距离，避免相邻输液针之间发生放电现象，使得系统的静电场的场强分布较为均匀，出丝质量较高，沉积偏移小；另外，多针头错位布置模组还可以进行“错序地”加压和供液，实现交替式静电纺丝，通过先后时序的控制，绝对地避免电场干扰，沉积无偏移。

本专利中的驱动装置，具体采用了压电陶瓷促动器，通过压电陶瓷促动器在X方向上进行微米级甚至纳米级的位移控制，使相邻的静电纺丝直写针组件的输液针在X方向上的距离精确控制到纳米级。

由于静电纺丝直写针组件在静电纺丝喷射过程中射流从针孔处飞出时，分为两个阶段：射流的初始直线运动阶段和不稳定螺旋运动阶段，控制静电纺丝直写针组件中的输液针下端和收集板之间的间距在1至5mm之间，能够利用射流的初始直线运动阶段，在运动平台上近场直写，提高了有序可控性。

由于屏蔽罩将压电陶瓷促动器罩住，能使压电陶瓷促动器安全可靠地工作，避免受到外来电场的干扰；由于将柔性传动机构设计成上述的结构形式，为长方形板，不仅具有一定的承载力，而且还有极大的弹性，能够有效地复位，并且使用寿命长。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图：

图1为本发明多针头交错式直写静电纺丝装置的结构示意图；

图2为图1所示驱动装置和静电纺丝直写针组件安装示意图；

图3为图2所示驱动装置的结构示意图；

图4为图2所示柔性传动机构的结构示意图；

图5为图1所示静电纺丝直写针组件的结构示意图；

图6为图1所示升降装置的结构示意图；

图7为利用多针头交错式压电驱动直写静电纺丝装置进行光栅线制作的方法的流程图；

图8为图7方法中静电纺丝直写针组件的静电纺丝直写轨迹图。

图中：1、静电纺丝直写针组件；2、收集板；3、驱动装置；4、静电纺丝高压电源；5、XY轴移动平台；6、升降装置；7、基板；8、柔性传动机构；9、固定绝缘板；10、压紧钢球；11、顶紧螺丝；12、固定块；13、球槽；14、螺纹孔；15、压电陶瓷促动器；16、屏蔽罩；17、螺丝；18、方孔；19、承载受力板条；20、内左弧形槽；21、外左弧形槽；22、内右弧形槽；23、外右弧形槽；24、螺丝；25、螺丝；26、料筒；27、输液针；28、电加热器；29、驱动电机；30、滑轨；31、丝杠；32、滑块；33、L形金属感应条；34、上行程感应开关；35、下行程感应开关；36、连接板；37、驱动控制器；38、螺丝；39、连接部；40、固定板；41、安装通孔；42、驱动电机；43、光栅线制作区域；44、光栅线；45、运行轨迹。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上表面”、“下表面”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“正转”、“反转”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1、2所示，多针头交错式直写静电纺丝装置，包括XY轴移动平台5、升降装置6、静电纺丝高压电源4、多个静电纺丝直写针组件1、收集板2和多个驱动装置3，所述的收集板2安装在XY轴移动平台5上，多个驱动装置3安装在升降装置6上，多个静电纺丝直写针组件1分别安装在多个驱动装置3上，一个驱动装置3对应连接一个静电纺丝直写针组件1，静电纺丝高压电源4中的正极与收集板2电连接，静电纺丝高压电源4中的负极与静电纺丝直写针组件1中的输液针电连接，静电纺丝直写针组件1用以在收集板2上直写静电纺丝；相邻的静电纺丝直写针组件1的输液针27错位布置，在X方向上，其间的距离为微米级或至纳米级，在Y方向上，其间的距离为150mm以上，其中，所述驱动装置3驱动静电纺丝直写针组件1移动的方向为X方向。

由于相邻的静电纺丝直写针组件1的输液针27，在Y方向上，其间的距离为150mm以上，针头间有足够大的直线距离，避免针头之间的放电现象，使得针头之间场强分布较为均匀，沉积偏移小，出丝质量较高。本专利的另一特点是，多针头可以分开供液，直写不同材料的纤维，实现更为多样化的微纳器件制造。

另外，静电纺丝直写针组件1位于收集板2的上方，静电纺丝直写针组件1中的输液针下端和收集板之间的间距不大于5mm；由于静电纺丝直写针组件1在静电纺丝喷射过程中射流从针孔处飞出时，分为两个阶段：射流的初始直线运动阶段和不稳定螺旋运动阶段，间距不大于5mm，利用射流的初始直线运动阶段，在运动平台上近场直写出有序可控的纤维。

本专利中，驱动装置3设有三个，三个驱动装置3中的基板7通过连接板36固定成一个整体，升降装置6能带动三个驱动装置3同时移动。

本专利中的驱动装置3，具体采用了压电陶瓷促动器15，通过压电陶瓷促动器15在X方向上进行微米级甚至纳米级的位移控制，使相邻的静电纺丝直写针组件1的输液针27在X方向上的距离精确控制到纳米级。具体来说，如图3所示，驱动装置3还包括基板7、柔性传动机构8、固定绝缘板9、压紧钢球10、顶紧螺丝11、压电陶瓷促动器15和驱动控制器37，静电纺丝直写针组件1固定在固定绝缘板9上，所述的固定绝缘板9与柔性传动机构8固定连接，柔性传动机构8设在基板7的左侧边，基板7的右侧边设有固定块12，固定块12通过螺丝38固定在基板7上，固定块12的左侧壁上开有球槽13，固定块12的右侧壁上开有与所述的球槽13连通的螺纹孔14，所述压紧钢球10位于所述的球槽13内，所述顶紧螺丝11设在螺纹孔14中，压电陶瓷促动器15放置在基板7上，顶紧螺丝11的一端通过压紧钢球10将压电陶瓷促动器15的右端顶紧，压电陶瓷促动器15的左端顶压在柔性传动机构8上，压电陶瓷促动器15带动柔性传动机构8，柔性传动机构8带动固定绝缘板9，固定绝缘板9带动静电纺丝直写针组件1产生微动。所述的驱动控制器37用以使压电陶瓷促动器15产生位移并对位移量进行调节控制，该压电陶瓷促动器可实现轴向位移，该位移行程一般为几十微米至几毫米，该位移精度一般为几十纳米甚至几纳米，驱动控制器37输出的振动频率一般为几千赫兹，可实现对压电陶瓷促动器进行闭环控制或开环控制。驱动装置3还包括屏蔽罩16，屏蔽罩16通过螺丝17固定在基板7上，并将压电陶瓷促动器15罩住。屏蔽罩16将压电陶瓷促动器15罩住，能使压电陶瓷促动器15安全可靠地工作，避免受到外来电场的干扰。屏蔽罩16的外壳会对内部的压电陶瓷促动器15起到“屏蔽保护”作用。

如图4所示，柔性传动机构8可设计为等位移变形机构或位移放大变形机构，本实施例为等位移变形机构，具体来说，柔性传动机构8为长方形板，所述长方形板的板面上开有两个方孔18，所述长方形板上且位于两个方孔18之间的区域为承载受力板条19，承载受力板条19位于长方形板的中心部，所述方孔18内的左侧边开有两个内左弧形槽20，长方形板的左侧边开有两个与所述的内左弧形槽20相对应的外左弧形槽21；所述方孔18内的右侧边开有两个内右弧形槽22，长方形板的右侧边开有两个与所述的内右弧形槽22相对应的外右弧形槽23。由于采用上述的结构，不仅具有一定的承载力，而且还有极大的弹性，能够有效地复位，并且使用寿命长。所述柔性传动机构8的上端和下端分别通过螺丝24和螺丝25固定在基板7上，压电陶瓷促动器15的左端顶压在柔性传动机构8的承载受力板条19上；压电陶瓷促动器左端面的顶压面为圆弧面。这样设计固定，保证柔性传动机构与压电陶瓷促动器能充分接触。

所述的柔性传动机构8的侧边且与承载受力板条19相对应的位置与连接部39的一端连接，连接部39的另一端与固定板40连接，柔性传动机构8、连接部39和固定板40一体成型，所述固定板40上分布有安装通孔41，螺丝穿插在安装通孔41中，将所述的固定绝缘板9固定在固定板40上。

如图5所示，所述静电纺丝直写针组件1包括料筒26和输液针27，输液针27的一端插接在料筒26的底部，所述料筒26内存放有液态原料。当料筒26内存放颗粒状原料或粉末状原料时，需要在料筒内增设电加热器28，电加热器28采用电发热膜的结构形式，电发热膜紧贴在料筒26内的侧壁上。电加热器28用以对原料进行熔化。电加热器28的加热，可为几十摄氏度至几百摄氏度，使原料从固态转变为熔体液态，为后续熔体静电纺丝近场直写做准备。例如：PCL(聚己内酯)材料的熔体静电纺丝近场直写温度通常为110-125℃。

如图6所示，升降装置6包括驱动电机29、滑轨30、丝杠31、滑块32、L形金属感应条33、上行程感应开关34和下行程感应开关35，所述丝杠31安装在滑轨30上，滑块32上设有螺纹通孔（图中未显示），所述的丝杠31穿插在滑块的螺纹通孔中并与螺纹通孔螺纹连接，L形金属感应条33固定在滑块32的一侧，所述的驱动装置3的基板7固定在所述的滑块32上，工作时，驱动电机29驱动丝杠31转动，丝杠31带动滑块32，滑块32沿着滑轨30向下移动，当下行程感应开关35感应到L形金属感应条33时，下行程感应开关35将驱动电机29关闭；不工作时，驱动电机29驱动丝杠反向转动，丝杠带动滑块，滑块32沿着滑轨30向上移动，当上行程感应开关34感应到L形金属感应条34时，上行程感应开关34将驱动电机29关闭。

值得一提供的是：上面的具体实施方式只是一个实施例而已，驱动装置3也可安装固定在XY轴移动平台上，将收集板固定在驱动装置3上，这种安装方式，实质上与本专利的上述的技术方案是等效的，故不再展开描述。

采用多针模式，相邻输液针之间，在Y方向上，其间的距离为150mm以上，可以避免了放电现象，使相邻的输液针不会产生相互干扰。而且在X方向上，各针之间距离达到微米级甚至纳米级并基本零偏移精确沉积；具体来说，通过多针头错位布置可以实现极小偏移沉积，甚至再通过特殊的错序控制电压与供液可以实现绝对不偏移沉积。从而，应用此技术可以一次成形直写极度致密的不同材料的阵列纤维，主要应用于阵列型微纳器件光栅尺栅线的制作方法，例如光栅尺栅线的制作等。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。光栅尺是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床固定部件上，光栅读数头装在机床活动部件上，指示光栅装在光栅读数头中。采用光刻制作光栅的方法主要是通过光刻、掩模、刻蚀等工艺进行光栅加工，例如大尺度大高宽比的光栅结构，但是在制作过程中经常会出现褶皱结构，甚至脱落的现象，难以制备，成本高等缺点。

利用本专利的装置进行光栅尺的制作，具有成本低、精度高的特点。

如图7所示，利用多针头交错式压电驱动直写静电纺丝装置进行光栅线制作的方法，具体包括以下步骤：

S1、装置初始化设置：多针头交错式压电驱动直写静电纺丝装置中的静电纺丝直写针组件1的数量为N，被制作的光栅线的相邻线间距为S nm；启动驱动装置3对静电纺丝直写针组件1的位置进行调节，使相邻的静电纺丝直写针组件1在X方向上的间距为S nm；在收集板2上设定光栅线制作区域；本专利实施例中，N=3。

S2、Y向移动直写静电纺丝：启动XY轴移动平台5的驱动电机42，XY轴移动平台5带动收集板2沿Y方向移动，N个静电纺丝直写针组件1依次经过收集板2上的光栅线制作区域43，每个静电纺丝直写针组件1到达收集板2上的光栅线制作区域43，就开始直写静电纺丝时，离开收集板2上的光栅线制作区域就停止直写静电纺丝，在收集板2上形成了光栅线44；当最后一个静电纺丝直写针组件1离开收集板2上的光栅线制作区域就停止直写静电纺丝时，关闭XY轴移动平台5的驱动电机42；

S3、静电纺丝直写针组件1的X向进给：启动所有的驱动装置3，使所有的静电纺丝直写针组件1在X方向上移动位移N*S nm后停止；

S4、反向移动直写静电纺丝：启动XY轴移动平台5的驱动电机42，使驱动电机42与上一次转动的方向相反，XY轴移动平台5带动收集板2沿Y方向反向移动，N个静电纺丝直写针组件1依次经过收集板2上的光栅线制作区域，每个静电纺丝直写针组件1到达收集板2上的光栅线制作区域，就开始直写静电纺丝时，离开收集板2上的光栅线制作区域就停止直写静电纺丝；当最后一个静电纺丝直写针组件1离开收集板2上的光栅线制作区域就停止直写静电纺丝时，关闭XY轴移动平台5的驱动电机42；

S5、重复步骤S3和S4,直到完成所有光栅线44的制作，在静电纺丝过程中，3个静电纺丝直写针组件1的运行轨迹45，如图8所示。

本专利利用压电陶瓷促动器15来控制和调节3个静电纺丝直写针组件1在X方向上的间距以及步进的距离，从而控制光栅线44的间距，大大提高了制作光栅线44的精度；并且使3个静电纺丝直写针组件1在Y方向上保持适当的间距，避免相邻输液针之间发生放电现象，使得系统的静电场的场强分布较为均匀，减少沉积偏移量，提高出丝质量。

为了方便描述本专利光栅线的制作方法，根据本专利多针头交错式压电驱动直写静电纺丝装置的具体构造来展开描述的。只要静电纺丝直写针组件1与收集板2的相对运动，与本专利的光栅线制作的方法中的相对运动相同，都属于本专利光栅线的制作方法的保护的范围。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种多针头交错式压电驱动直写静电纺丝装置，其特征在于：包括XY轴移动平台、升降装置、静电纺丝高压电源、多个静电纺丝直写针组件、收集板和多个驱动装置，所述的收集板安装在XY轴移动平台上，多个驱动装置安装在升降装置上，多个静电纺丝直写针组件分别安装在多个驱动装置上，一个驱动装置对应连接一个静电纺丝直写针组件，所述的静电纺丝高压电源中的正极与收集板电连接，静电纺丝高压电源中的负极与静电纺丝直写针组件中的输液针电连接，静电纺丝直写针组件用以在收集板上直写静电纺丝；相邻的静电纺丝直写针组件的输液针错位布置，在X方向上，其间的距离为微米级或至纳米级，在Y方向上，其间的距离为150mm以上，其中，所述驱动装置驱动静电纺丝直写针组件移动的方向为X方向；所述的静电纺丝直写针组件位于收集板的上方，所述的静电纺丝直写针组件中的输液针下端和收集板之间的间距不大于5mm；所述的驱动装置包括压电陶瓷促动器、驱动控制器、基板、柔性传动机构、固定绝缘板、压紧钢球和顶紧螺丝，所述的驱动控制器用以使压电陶瓷促动器产生位移并对位移量进行调节控制，压电陶瓷促动器用以带动静电纺丝直写针组件在X方向上产生微动，所述的静电纺丝直写针组件固定在固定绝缘板上，所述的固定绝缘板与柔性传动机构固定连接，所述柔性传动机构设在基板的左侧边，所述基板的右侧边设有固定块，所述固定块的左侧壁上开有球槽，所述固定块的右侧壁上开有与所述的球槽连通的螺纹孔，所述压紧钢球位于所述的球槽内，所述顶紧螺丝设在螺纹孔中，所述压电陶瓷促动器放置在基板上，顶紧螺丝的一端通过压紧钢球将压电陶瓷促动器的右端顶紧，压电陶瓷促动器的左端顶压在柔性传动机构上，压电陶瓷促动器带动柔性传动机构，柔性传动机构带动固定绝缘板，固定绝缘板带动静电纺丝直写针组件产生微动；所述柔性传动机构为长方形板，所述长方形板的板面上开有两个方孔，所述长方形板上且位于两个方孔之间的区域为承载受力板条，承载受力板条位于长方形板的中心部，所述方孔内的左侧边开有两个内左弧形槽，长方形板的左侧边开有两个与所述的内左弧形槽相对应的外左弧形槽；所述柔性传动机构的上端和下端分别通过螺丝固定在基板上，压电陶瓷促动器的左端顶压在柔性传动机构的承载受力板条上；压电陶瓷促动器左端面的顶压面为圆弧面。

2.根据权利要求1所述的多针头交错式压电驱动直写静电纺丝装置，其特征在于：所述升降装置包括驱动电机、滑轨、丝杠、滑块、L形金属感应条、上行程感应开关和下行程感应开关，所述丝杠安装在滑轨上，滑块上设有螺纹通孔，所述的丝杠穿插在滑块的螺纹通孔中并与螺纹通孔螺纹连接，L形金属感应条固定在滑块的一侧，所述的驱动装置的基板固定在所述的滑块上，工作时，驱动电机驱动丝杠转动，丝杠带动滑块，滑块沿着滑轨向下移动，当下行程感应开关感应到L形金属感应条时，下行程感应开关将驱动电机关闭；不工作时，驱动电机驱动丝杠反向转动，丝杠带动滑块，滑块沿着滑轨向上移动，当上行程感应开关感应到L形金属感应条时，上行程感应开关将驱动电机关闭。

3.根据权利要求2所述的多针头交错式压电驱动直写静电纺丝装置，其特征在于：所述静电纺丝直写针组件包括料筒和输液针，输液针的一端插接在料筒的底部；还包括电加热器，当料筒内存放有颗粒状原料或粉末状原料时，启动电加热器，以将料筒内的原料熔化。

4.利用权利要求1至3任一项所述的多针头交错式压电驱动直写静电纺丝装置进行光栅线制作的方法，具体包括以下步骤：

S1、装置初始化设置：多针头交错式压电驱动直写静电纺丝装置中的静电纺丝直写针组件的数量为N，被制作的光栅线的相邻线间距为S nm；启动驱动装置对静电纺丝直写针组件的位置进行调节，使相邻的静电纺丝直写针组件在X方向上的间距为S nm；在收集板上设定光栅线制作区域；

S2、Y向移动直写静电纺丝：启动XY轴移动平台的驱动电机，XY轴移动平台带动收集板沿Y方向移动，N个静电纺丝直写针组件依次经过收集板上的光栅线制作区域，每个静电纺丝直写针组件到达收集板上的光栅线制作区域，就开始直写静电纺丝时，离开收集板上的光栅线制作区域就停止直写静电纺丝；当最后一个静电纺丝直写针组件离开收集板上的光栅线制作区域就停止直写静电纺丝时，关闭XY轴移动平台的驱动电机；

S3、静电纺丝直写针组件的X向进给：启动所有的驱动装置，使所有的静电纺丝直写针组件在X方向上移动位移N*S nm后停止；

S4、反向移动直写静电纺丝：启动XY轴移动平台的驱动电机，使驱动电机与上一次转动的方向相反，XY轴移动平台带动收集板沿Y方向反向移动，N个静电纺丝直写针组件依次经过收集板上的光栅线制作区域，每个静电纺丝直写针组件到达收集板上的光栅线制作区域，就开始直写静电纺丝时，离开收集板上的光栅线制作区域就停止直写静电纺丝；当最后一个静电纺丝直写针组件离开收集板上的光栅线制作区域就停止直写静电纺丝时，关闭XY轴移动平台的驱动电机；

S5、重复步骤S3和S4,直到完成所有光栅线的制作。

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