CN115064431A - 一种一体式离子迁移管成型方法及其离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于3D打印的整体式离子迁移管成型方法及在此基础上的离子迁移谱仪，基于3D打印技术将熔融态或流态的绝缘材料挤出成型，建立内部绝缘结构，并将预制的离子门、电极片、屏蔽栅网等嵌入到3D成型的绝缘结构中，绝缘结构与其外壳为一体结构并实现气密，形成一体式迁移管。本发明所述迁移管内嵌金属电极与绝缘结构交替排列，电场均匀度高。外壳与绝缘结构整体成型，解决了当前迁移管技术中的耗时长、成本高、装配困难、电场不均以及绝缘层与电极片的气密性等问题、具有坚固、耐冲击、全密封、分辨率高、一致性好等优点。

Description

一种一体式离子迁移管成型方法及其离子迁移谱仪

技术领域：

本发明涉及离子迁移谱技术、3D打印、分析仪器等领域，具体为一种用于化学物质分离表征的基于3D打印的一体式离子迁移管。

背景技术：

离子迁移谱(IMS)技术是20世纪60年代末70年代初逐步发展起来的一种新兴微量化学分析检测技术。离子迁移谱是基于被检测的样品分子在电离源的作用下电离成离子，气相离子在弱电场中发生漂移，向着周期性离子门运动，利用离子门将离子群注入到漂移区域，漂移区域的离子群在环境气压和一定的电压梯度或电场的作用下，通过逆流的漂移气体，向着信号检测器运动，通常是接地的法拉第盘检测器。由于不同种类的离子所带电荷、质量、以及碰撞截面等性质会有所差异，在电场中就会具有不同的迁移速度，根据离子通过电场的漂移时间计算离子迁移率，根据离子迁移率差异对化学物质进行分离和表征，特别适用于一些挥发性或半挥发性的痕量有机物的检测，在爆炸物、化学战剂、毒品、制药、生物医学等领域均得到了广泛的应用。离子迁移谱具有比其他有机化合物分析仪器更大的优势，体积小、灵敏度高、功耗低、分析速度快、适用范围广，在常压下即可工作，而且具有分辨结构上仅存在微小差别的异构体的能力，并且仪器易实现手持或者便携式。

离子迁移管是离子迁移谱的核心部件，迁移管主要包括电离源和反应区、离子门、迁移区、以及检测器。漂移管的构造中一般都是在管状结构中交替堆叠漂移环与绝缘环，并施加线性电压梯度构建迁移电场。目前许多型号的离子迁移管主要是通过手工组装将交错的绝缘层和电极层通过胶合或焊接等方式结合在一起，组装耗时、价格昂贵，而且在组装过程中由于是手工操作会导致单个电极的位置或角度的轻微变化、离子门或法拉第盘的位置、电极层与电极层之间无法保证同心或平行而引入人为误差，从而影响迁移电场的均匀性、迁移管的密封性、影响离子迁称谱仪的性能。采用以上工艺所制造出来的迁移管结构脆弱，容易受到机械振动等影响，不适合应用于坚固耐用的大规模生产的探测器。

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状、融丝状的金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。本发明即是基于3D打印技术制造一体式离子迁移管，具有如下的优势特征：

从结构形式来讲，离子迁移管的原理和检测性能要求迁移管内部需建立一个轴向的均匀电场，一般构造均是将绝缘环与电极环交替组成管状结构实现这一目的，然而，此种方式的构造会造成绝缘环与电极环之间的缝隙难以实现气密性。因此，本发明基于3D打印技术制造的一体式离子迁移管就具有了一定的优势，一体式的结构使得绝缘层外壁密封，电极片内嵌其中，优异地解决了绝缘层与电极片组装时的气密性问题。

从制造工艺来讲，本发明中的离子迁移管，基于3D打印技术制造，具有一体化制造的优势，即反应区、离子门、迁移区一体化制造，省去了后期装配等环节，在工程上极大的降低了制备周期与制备成本。并且3D打印机可直接从设计文档中获取各种指令，可实现精确的复制，各批次迁移管的一致性好。

综上所述，本发明提供的基于3D打印技术的一体式离子迁移管，能够改进零部件组装所带来的结构脆弱、气密性问题，采用3D打印后设计的经济、时间成本可控，兼顾了仪器的高性能、低成本和小型化的需求。

发明内容：

本发明针对所要解决的技术问题，提供一种离子迁移管，对离子迁移管的制造提出了新的成型方式。不仅避免了传统技术制造所带来的的成本高，耗时长，装配困难的问题，而且保证了电场的均匀性和绝缘层与电极片的气密性。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一个基于3D打印技术制备的一体式离子迁移管，该迁移管包括外部绝缘密封结构和内部绝缘结构。内部绝缘结构与外部绝缘密封结构之间为一整体，内部绝缘结构之间形成若干空腔，金属电极、离子门组件、屏蔽栅网等内嵌于空腔之内。内部绝缘结构与金属电极共同组成迁移区和反应区，并通过预制的离子门组件将迁移区和反应区分离，形成完整的密闭离子迁移管。

所述的外部绝缘密封结构左侧为电离源放置的位置，从左往右在一定距离处形成空腔，将一片筛网和金属电极固定于空腔中，空腔深度随金属电极和筛网的厚度而定，均匀反应区的电场。

所述的外部绝缘密封结构右侧有一内嵌金属结构，保护电路免受电磁干扰，金属结构与屏蔽筛网右侧相接的一侧形成空腔，用于固定离子接收装置以及连接漂移气管。

所述的绝缘密封结构和金属电极形状既可以为中心圆孔状，外部为矩形；也可以是外部任意形状，或者环形结构。

所述的内部绝缘结构之间形成的空腔与嵌入空腔中的金属电极、离子门组件、屏蔽栅网的几何中心位于同一水平中心线上，内嵌金属电极与绝缘结构交叉排列。

所述的金属电极厚度随所设计的离子迁移管的具体尺寸而定，采用激光切割、机械切削、化学蚀刻等方法加工，中间加工出圆孔，形成离子运动通道。

所述的内部绝缘结构的空腔深度随嵌入的金属电极、离子门组件、屏蔽栅网的厚度而定，其尺寸密切吻合。

所述的离子门组件由两片金属筛网以及中间的聚四氟乙烯(PTFE)绝缘膜或者聚酰亚胺(pi)绝缘膜组成。离子门组件紧连的两层绝缘结构上方位置预留出一定的空间，目的是放置金属筛网的导线孔，防止两筛网之间发生短路。

所述的根据绝缘结构使用的材料，采用静电喷涂、旋涂等方法在金属部件上制作与其相同的涂层，涂层的厚度为10～100μm之间优选。

本发明所述的离子迁移管外层绝缘结构与内层绝缘结构完全一体，整体成型，中间所有圆形孔轴心位于一条直线，同心分布，有效地解决了当前迁移管技术中的电场不均以及绝缘层与电极片的气密性等问题、具有坚固、耐冲击、全密封、分辨率高、一致性好等优点，并且不需要考虑用密封胶粘接、真空钎焊、螺栓固定等带来的挥发性物质、强度、高成本及电场不均匀性等问题。

附图说明：

图1是本发明所述离子迁移管的结构示意图。

图2是本发明所述离子迁移管的上视结构示意图。

图3是本发明所述离子迁移管的剖面结构示意图。

图4是本发明所述绝缘层与电极层组装单元结构的结构示意图。

具体实施方式：

下面，结合附图对本发明进行详细描述。在本发明的描述中，所有方向性指示(例如“前”“后”“左”“右”“上”“下”等)仅是基于附图所示位置而定。本发明中涉及“第一”“第二”等的描述仅用于描述特征，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含的表示所指示的技术特征的数量。

如图1所示，本发明提供了一种离子迁移管1，该迁移管1包括一体绝缘结构2、电极片3、离子门4、屏蔽筛网5、法拉第盘6。

所述的绝缘层材料可以为PEEK(聚醚醚酮)材料，PEKK(聚醚酮酮)材料、也可以为导热率高的陶瓷材料、温度稳定性优异的聚四氟乙烯(PTFE)材料或者是ABS，pc-iso等。

聚四氟乙烯(PTFE)材料的热膨胀系数大，由PTFE材料制成的漂移管如果在高温下使用，必须固定在结实的外壳内，并且PTFE材料是一种热的不良导体，由PTFE材料制成的漂移管的加热过程必须缓慢，否则会出现局部过热而导致材料熔化或分解。而PEEK材料能够承受传统绝缘体没有办法承受的高温，成为加工更薄、更轻的零部件的优良材料。PEEK材料无毒、耐高温、耐水解、耐磨、耐腐蚀、不亲水、化学性质稳定，并且易加工、机械强度高，优势十分明显，成为本发明的优选材料。

为了使电极片与绝缘层的材料在打印过程中相粘合，本发明选用将PEEK材料打磨成粉，置于喷粉机中，采用静电喷涂的方法在金属部件上制作涂层。在喷出过程中使PEEK粉末带上电荷，附着在电极片的一侧，之后在350～450℃的高温下使粉末融化，凝固在电极片上。

本发明所涉及的3D打印技术为FDM技术，将设计好的模型文件输入3D打印机器，选择合适的加工位置和方向进行打印，可以得到成品。

下面对具体的成型过程进行介绍，主要步骤如下：

步骤一：根据导入的文件模型，打印第一层绝缘层A(离子源放置位置)，在成型至空腔完成时，暂停打印机，将凝固上PEEK粉末的筛网与电极片3放入空腔中(凝固粉末的那一面朝下)。

步骤二：继续打印绝缘层B，至空腔成型时，暂停打印机，放入电极片3，形成一个反应区单元。

步骤三：依次打印若干个交错反应区单元之后，在最后一个绝缘层B成型至空腔完成时，暂停打印机，将预制的离子门组件4放入空腔中。

步骤四：继续在离子门组件上打印绝缘层C，在成型至空腔完成时，放入凝固上PEEK粉末的电极片3，形成迁移区单元，打印若干个迁移单元后，打印绝缘层D，将屏蔽筛网5置于空腔中，最后打印绝缘层E，在绝缘层E成型至一半空腔深度时，放入法拉第盘6，继续打印至结束打印过程。

将打印好的器件置于220℃的烘箱中，退火处理1小时，释放应力，增加材料的延展性和韧性，并使材料达到预期的收缩率，保证迁移管的精度。

将退火处理后的器件接上射频连接器SMA法兰盘以及电离源装置。

本发明中所示离子迁移管1，电场的建立：由于加工出来的为外部整体密闭绝缘结构，采用在绝缘结构上方制备螺纹孔，以螺丝密封的方式缠绕电阻线，从而建立起迁移电场。

基于3D打印技术制造的离子迁移管，内部绝缘结构与外部绝缘密封结构之间为一整体，内部绝缘结构之间形成若干空腔，中间形成一道由绝缘结构与金属部件交错组成的气密性良好的圆柱形通道。

本发明中所示离子迁移管1，利用3D打印技术将熔融的绝缘材料挤出成型制备的整体式离子迁移管，保证了离子迁移区7对外界的密封性，保证了迁移区电场的轴向均匀性，并且保证了迁移管1的韧性，坚固，耐冲击。

本发明中所示离子迁移管1，利用3D打印技术制备时，基于计算机系统的精密操作，保证了绝缘层与电极片的同心度，保证了迁移区电场的轴向均匀性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不限制本发明，在本发明的精神和原则之内，进行的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种离子迁移管，其特征在于，包括外部绝缘密封结构和内部绝缘结构；内部绝缘结构与外部绝缘密封结构之间为一整体，内部绝缘结构之间形成若干空腔，金属电极、离子门组件、屏蔽栅网等内嵌于空腔之内；内部绝缘结构与金属电极共同组成迁移区和反应区，并通过预制的离子门组件将迁移区和反应区分离，形成完整的密闭离子迁移管。

2.根据权利要求1所述的离子迁移管，其特征在于，根据离子迁移管所用的金属电极及离子门组件和屏蔽栅网所使用的材料，采用激光切割、机械切削、化学蚀刻等方法加工电极片、离子门组件、屏蔽栅网等金属部件。

3.根据权利要求1所述的离子迁移管，其特征在于，所述的根据绝缘结构使用的材料，采用静电喷涂、旋涂等方法在金属电极、离子门组件、屏蔽栅网等金属部件上制作与其相同的涂层，涂层的厚度为10～100μm之间优选。

4.根据权利要求1所述的离子迁移管，所述的根据绝缘结构使用的材料优选为聚醚醚酮(PEEK)，聚醚酮酮(PEKK)，ABS，聚乳酸(PLA)，聚碳酸酯(PC)等高分子材料；根据强度的要求，高分子材料内部可添加碳纤维、玻璃纤维等形成复合材料。

5.根据权利要求1所述的离子迁移管，其特征在于，所述的离子迁移管成型方式是基于FDM-3D打印技术。

6.根据权利要求1所述的离子迁移管，其特征在于，外部绝缘密封结构和内部绝缘结构形成的整体结构为熔融堆积成型；在设计熔融堆积成型模型时预留出金属电极、离子门组件、屏蔽栅网所需的空腔，并在成型至空腔完成时，将具有涂层的金属部件嵌入空腔中，并继续在金属部件上成型至另一空腔，直至迁移管全部完成，并将全部金属部件内嵌入其中。

7.根据权利要求1所述的离子迁移管，其特征在于，迁移管内嵌电极之间通过电阻分压系统形成线性电场，电阻可在打印时与内嵌电极边接一并嵌入迁移管中，也可在后期通过外部电极进行连接；外部电极与内嵌电极之间的电接触可通过螺丝、弹簧顶针等方式完成。

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