CN113249800B - 一种近场直写喷丝头装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近场直写喷丝头装置，包括纺丝注射器、导热筒及加热套圈，纺丝注射器安装于导热筒的内腔一中，纺丝注射器内注入聚合物；导热筒的筒壁连接加热套圈，通过加热套圈与导热筒向纺丝注射器加热；纺丝注射器的针头探出导热筒，针头连接有电极片，通过电极片向针头施加电压。该喷丝头装置，具有可实时调控实验参数的特点，本喷丝头装置将加热系统、气动系统、电压调控相结合，可控制纺丝过程中的射流稳定，并通过三轴驱动系统，实现微纳米纤维形貌控制及高精度拓扑结构打印的纺丝设备。

Description

一种近场直写喷丝头装置

技术领域

本发明属于熔融近场直写技术与3D打印技术领域，具体涉及了一种近场直写喷丝头装置。

背景技术

静电纺丝是一种特殊的纤维制备工艺，聚合物溶液或熔体在静电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纳米级直径的聚合物细丝。静电纺丝可分为溶液静电纺丝和熔体静电纺丝，熔体静电纺丝以聚合物熔体为原料，将高分子聚合物加热熔融成为一定粘度的纺丝熔体，利用注射泵或气动装置将其连续均匀地挤压到喷丝头，通过喷丝头的细孔压出成为细丝流，通过静电牵伸成丝，最后在空气或水中使其冷却凝固。相较于溶液纺丝，熔体静电纺丝将原料直接纺丝，无需添加溶剂,不必考虑溶剂残留的问题,最终制得的材料无毒，适合应用于组织工程，临床医学等领域，由于纺丝过程中不存在溶剂挥发,可大幅度提高聚合物的利用效率和支架材料的生产效率。

熔体静电纺丝，其纺丝设备主要包括喷丝头装置、加热装置、气动装置、电压装置、接收装置。近几年来，熔体近场直写技术在熔体静电纺丝的基础上应运而生。该技术降低熔体静电纺丝的接收距离，使射流在发生鞭动之前便到达接收装置，同时辅以X-Y轴向运动滑台接收装置，通过对运动滑台的路径规划，可实现对纤维丝径、纤维支架孔径和拓扑结构的调控。因此，该技术被逐步应用于人体组织工程支架、人造血管、离子电池隔膜、超滤纳滤膜等领域。

在熔体近场直写技术中，稳定的射流是纤维精准沉积的关键，而获得稳定的射流就需要稳定保证熔体的均匀受热和电场的稳定施加。目前技术中较为主流的是将电压施加于接收板，但该种施加电压的方法，射流中的电荷密度会受到电场强度变化的制约，同时接收装置在运动的过程中，也会造成电场的不稳定，降低射流的稳定性，影响最终的纺丝效果。在喷丝装置的针头保证聚合物熔体温度的同时在针头处施加稳定电压可以改善上述现象，但目前制约该技术的是喷丝头针端施加电压会与熔体加热相互影响，而本发明可巧妙地解决上述难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近场直写喷丝头装置，具有可实时调控实验参数的特点，控制纺丝过程中的射流稳定，达到位点和层数的精确沉积的目的。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种近场直写喷丝头装置，其特征在于：包括纺丝注射器、导热筒及加热装置，纺丝注射器安装于导热筒的内腔一中，纺丝注射器内注入聚合物；导热筒的筒壁连接加热装置，通过加热装置与导热筒向纺丝注射器加热；纺丝注射器的针头探出导热筒，针头连接有电极片，通过电极片向针头施加电压。

优选后，电极片可满足在针头处施加极性相反的辅助电极。

进一步，导热筒的内腔一为梯度结构，梯度结构的内腔一与纺丝注射器的结构相互匹配；且内腔一的底部设有针孔，针孔供针头探出。该梯度结构，使得导热筒内壁与纺丝注射器筒身和针头紧密贴合，有利于温度传导；此外相匹配的结构，使得纺丝注射器在导热筒内安装稳定且牢固，纺丝过程中不会发生抖动。

优选后，导热筒可由氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、云母等高绝缘导热材料制成，且导热筒底端设有探针孔，探针孔内可安装感温棒探针。该探针孔的孔径与感温棒探针直径相同，感温棒探针通过该探针孔能够伸入到纺丝注射器的针头附近位置，有利于感温棒探针监测的温度与纺丝注射器的针头实际温度相吻合。

进一步，纺丝注射器的上筒端连接有气动装置，通过气动装置控制聚合物挤出。气动装置控制聚合物的挤出，挤出速率可通过调控气压大小控制，气动装置则通过精确调节气压大小来控制挤出速率。

进一步，加热装置套接在导热筒上。该加热装置由上而下套住整个导热筒，为导热筒整体均匀的加热，从而使导热筒均匀的传热给纺丝注射器，纺丝注射器内的聚合物受热升温快，整体温度均匀。

优选后，加热方式可根据聚合物熔体性质，选择不同的加热方式，如：水浴加热、油浴加热、电加热等。

进一步，该喷丝头装置还包括有绝缘罩桶，绝缘罩桶的内腔安装纺丝注射器、导热筒与加热套圈，针头探出绝缘罩桶。绝缘罩桶具有绝缘、保温与安装作用，绝缘的特点能够防止触电，提供安全的纺丝环境；并对导热筒与纺丝注射器提供保温作用，一定程度上防止热量流失，创造相对的恒温环境，保持纺丝聚合物的温度。

进一步，内腔二为三级层级结构，层级结构的内腔二匹配的安装加热套圈与导热筒；层级结构的顶层上端设有限位结构，通过限位结构将加热套圈限位于内腔二中。该层级结构能够适配的安装纺丝注射器、导热筒与加热装置，安装稳定且牢固；并通过限位结构来限定加热装置的安装位置，拼装后结构稳定。

进一步，层级结构的底层安装电极片，绝缘罩桶设有导线孔与电源孔，电源孔内安装有导电端子，导电端子一端外接电路，另一端连接导线，导线通过导线孔从四个方向连接电极片。层级结构的底层提供了电极片的安装位置，使其卡牢在该位置，方便其向纺丝注射器的针头提供电压，并通过开设电源孔与导线孔向电极片供电，固定了导线路径。绝缘罩桶可实现四个方向供给电压，观察不同方向电压对射流偏转的影响效果。

进一步，绝缘罩桶的上端设有桶盖，通过桶盖盖合绝缘罩桶。通过桶盖盖紧绝缘罩桶，起到限定作用。

进一步，喷丝头装置固定在Z轴滑台上，随沉积打印高度变化，可调整喷丝头与接收装置之间的距离。

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明为一种近场直写喷丝头装置，具有可实时调控实验参数的特点，本喷丝头装置将加热系统、气动系统、电压调控相结合，可控制纺丝过程中的射流稳定，并通过三轴驱动系统，实现微纳米纤维形貌控制及高精度拓扑结构打印的纺丝设备。具体表现为：

1、由于热量通过导热筒传导给纺丝注射器内的聚合物，聚合物受热均匀，在纺丝过程中，导热筒结构与熔融纺丝注射器筒身和针头紧密贴合，聚合物熔体温度几乎无变化，可减少由于聚合物黏度的变化导致的射流不稳定。

2、陶瓷导热筒内腔严格与注射器相贴合，且一侧设有与感温棒探针直径相同的探针孔，减小了感温棒探针监测的温度与熔融纺丝注射器实际温度的误差。

3、绝缘罩桶底端设有导电电极孔，可实现四个方向供给电压，观察不同方向电压对射流偏转的影响效果。

4、喷丝头整体结构设计，能够满足针头直接施加电压的同时保证处聚合物熔体的温度，提高射流在电场中的稳定性。

5、本设备电极片供电装置方便拆换，可创造正、负电压复合电场，电极片可满足施加极性相反的辅助电极。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明喷丝头装置的俯视图；

图2为图1中A-A向的剖视图；

图3为喷丝头装置未装配纺丝注射器的立体结构示意图；

图4为喷丝头装置掀开桶盖状态的立体结构示意图；

图5为喷丝头装置掀开桶盖状态的俯视图；

图6为导热筒结构示意图；

图7为导热筒的俯视图；

图8为图7中B-B向的剖视图；

图9为喷丝头装置的工作原理示意图；

图10为近场直写纺丝头所打印螺旋线的示意图；

图11为近场直写纺丝头所打印曲线与直线的示意图；

图12为近场直写拓扑结构支架SEM图；

图13为近场直写拓扑结构支架SEM图。

具体实施方式

如图1至图13，为了使本领域的技术人员更好的理解本技术方案，下面将结合附图和具体实施方式将本发明应用于熔体近场直写纺丝装置，进行进一步地详细阐述，需要说明的是，本发明的应用包括但不仅限于下述实施案例。

一种近场直写喷丝头装置，包括纺丝注射器3、导热筒2、加热套圈4以及绝缘罩桶1；纺丝注射器3安装于导热筒2内，导热筒2外套接有加热套圈4，三者在一同安装于绝缘罩桶1中。

纺丝注射器3包括筒身31和针头32部分，其内部注入有纺丝用聚合物，纺丝注射器3的上端与气动装置连接，通过气动装置控制聚合物挤出。气动装置控制聚合物的挤出，挤出速率可通过调控气压大小控制，气动装置则通过精确调节气压大小来控制挤出速率。该气动装置包括输气管33与气压阀34，输气管33输气到纺丝注射器3内，气压阀34用于调节供给气压，从而达到控制气压来调节聚合物挤出速率的目的。

在装好气动装置后将纺丝注射器3安装于导热筒2内，导热筒2的内腔一 22为梯度结构，具有4层梯度结构，由上而下分别为第一层、第二层、第三层与第四层；该4层的梯度结构与纺丝注射器3的结构相互匹配，纺丝注射器3 的各段置于不同层中；该梯度结构，使得导热筒2内壁与纺丝注射器3筒身31 和针头32紧密贴合，有利于温度传导；此外相匹配的结构，使得纺丝注射器3 在导热筒2内安装稳定且牢固，纺丝过程中不会发生抖动。且内腔一22的底部设有针孔23，该针孔23位于第四层的下端，在纺丝注射器3装入导热筒2后，针头32从针孔23中弹出，以便向下纺丝。

该导热筒2为氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、云母等高绝缘导热陶瓷筒。

导热筒2设有探针孔21，探针孔21内安装K型电偶感温棒探针24。该探针孔21的孔径与K型电偶感温棒探针24直径相同，K型电偶感温棒探针24通过该探针孔21能够伸入到纺丝注射器3的针头32附近位置，有利于K型电偶感温棒探针24监测的温度与纺丝注射器3的针头32实际温度相吻合。

导热筒2的筒壁连接加热套圈4，加热套圈4外接电源，通过加热套圈4与导热筒2向纺丝注射器3加热；加热套圈由上而下套接在导热筒2上。该螺旋型的加热套圈4由上而下套住整个导热筒2，为导热筒2整体均匀的加热，从而使导热筒2均匀的传热给纺丝注射器3，纺丝注射器3内的聚合物受热升温快，整体温度均匀。

加热套圈4的上端设有直线型的延伸段41，通过该延伸段41方便拿取与安装该加热套圈4，该延伸段41在安装后伸出绝缘罩桶1。

绝缘罩桶1的内腔二14安装纺丝注射器3、导热筒2与加热套圈4，针头32从下端探出绝缘罩桶1。绝缘罩桶1具有绝缘、保温与安装作用，绝缘的特点能够防止触电，提供安全的纺丝环境；并对导热筒2与纺丝注射器3提供保温作用，一定程度上防止热量流失，创造相对的恒温环境，保持纺丝聚合物的受热温度。

内腔二14为三级层级结构，分别为顶层、中层与底层，层级结构的内腔二 14匹配的安装加热套圈4与导热筒2；层级结构的顶层上端设有限位结构15，该限位结构15为一凹口部，加热套圈4的延伸段41架在该凹口部上，达到限位的目的。通过限位结构15将加热套圈4限位于内腔二14中。该层级结构能够适配的安装纺丝注射器3、导热筒2与加热套圈4，安装稳定且牢固；并通过限位结构15来限定加热套圈4的安装位置，拼装后结构稳定。

层级结构的中层用于托住导热筒2，其内径与导热筒2的直径相匹配，使得导热筒2紧密安装；

层级结构的底层安装有电极片5，该底层与电极片5的结构相匹配，纺丝注射器3的针头32穿过该电极片5后探出，电极片5向该针头32提供电压；绝缘罩桶1设有导线孔12与电源孔11，电源孔11内安装有导电端子111，导电端子111一端外接直流电源6，另一端连接导线121，导线121通过导线孔12 从四个方向连接电极片5。层级结构的底层提供了电极片5的安装位置，使其卡紧在该位置，方便其向纺丝注射器3的针头32提供电压，并通过开设电源孔11 与导线孔12向电极片5供电，固定了导线121路径。

导线孔12设于绝缘罩桶1的底部，在前、后、左、右四个方向均有设置，通过设置导线121均可连接电极片5，实现四个方向供给电压，观察不同方向电压对射流偏转的影响效果，且能即时调整电压的大小，保证高精度沉积效果。

绝缘罩桶1的上端设有桶盖13，通过桶盖13盖合绝缘罩桶1。通过桶盖13 盖紧绝缘罩桶1，起到限定作用。

绝缘罩桶1可由聚四氟乙烯、聚氨酯、聚醚醚酮、橡胶等耐高温材料制成。

绝缘罩桶1还设有螺孔16，借助M6螺丝，将该装置固定在Z轴方向(升降)移动的驱动装置上。

在实验中，不同材料可根据选择设置不同的加热温度，以聚己内酯为例。加入到纺丝注射器3中，设置加热温度，待熔体均匀加热后，由可控气动装置挤出聚合物熔体，控制气压阀34，通过输气管33供给气压。当针头32处开始出现熔体凝聚，开始通过直流电源施加电压。根据接受距离及聚合物熔体黏度调节电压大小，施加电压(正向加压或反向加压)后，使得聚合物熔体在静电电场中形成稳定的射流。

接收装置7固定在X、Y两个轴向驱动装置所组成的平台上做平面运动，喷丝头装置被固定在Z轴上做上下运动。通过程序8控制Z轴，将接针头32与接收装置7的距离控制在2-7mm之间。通过程序8控制驱动装置，让接收装置 7按预设路径移动。

实验过程中，根据材料性质，观察射流状态，由于射流中的电荷在电场中受到表面电荷斥力与库仑力，泰勒锥容易出现鞭动。因此要实时调节气压大小、电压大小，接受距离，保证实验过程中泰勒锥大小及射流的稳定性，以打印出高精度的微纳米纤维(包括直线和曲线)以及分级拓扑结构组织支架。

本发明的喷丝头装置将加热系统、气动系统、电压调控相结合，可控制纺丝过程中的射流稳定，并通过三轴驱动系统，实现微纳米纤维形貌控制及高精度拓扑结构打印的纺丝设备。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种近场直写喷丝头装置，其特征在于：包括纺丝注射器、导热筒及加热套圈，所述纺丝注射器安装于所述导热筒的内腔一中，所述纺丝注射器内注入聚合物；所述导热筒的筒壁连接所述加热套圈，通过所述加热套圈与所述导热筒向所述纺丝注射器加热；所述纺丝注射器的针头探出所述导热筒，所述针头连接有电极片，通过所述电极片向所述针头施加电压；

该喷丝头装置还包括有绝缘罩桶，所述绝缘罩桶的内腔二安装所述纺丝注射器、所述导热筒与所述加热套圈，所述针头探出所述绝缘罩桶；所述内腔二为三级层级结构，层级结构的所述内腔二匹配的安装所述加热套圈与所述导热筒；层级结构的顶层上端设有限位结构，通过所述限位结构将加热套圈限位于所述内腔二中；层级结构的底层安装所述电极片，所述绝缘罩桶设有导线孔与电源孔，所述电源孔内安装有导电端子，所述导电端子一端外接电路，另一端连接导线，所述导线通过所述导线孔从四个方向连接所述电极片。

2.根据权利要求1所述的一种近场直写喷丝头装置，其特征在于：所述导热筒的内腔一为梯度结构，具有4层梯度结构，梯度结构的所述内腔一与所述纺丝注射器的结构相互匹配；且所述内腔一的底部设有针孔，所述针孔供所述针头探出。

3.根据权利要求1所述的一种近场直写喷丝头装置，其特征在于：所述导热筒设有探针孔，所述探针孔内安装感温棒探针。

4.根据权利要求1所述的一种近场直写喷丝头装置，其特征在于：所述纺丝注射器的上端连接有气动装置，通过所述气动装置控制聚合物挤出。

5.根据权利要求1所述的一种近场直写喷丝头装置，其特征在于：所述加热套圈由上而下套接在所述导热筒上。

6.根据权利要求1所述的一种近场直写喷丝头装置，其特征在于：所述绝缘罩桶的上端设有桶盖，通过所述桶盖盖合所述绝缘罩桶。

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