一種針對微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置製造方法

2023-09-15 14:31:05 5

一種針對微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型是一種針對微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置。控制裝置包括有精密注射泵（1）、X-Y-Z三軸運動平臺（10）、繞Y軸轉動平臺的固定支架（9）、繞Y軸轉動平臺（8）、繞X軸轉動平臺（7）、靜電紡絲收集器、微電流檢測電路（24）、高壓直流電源（16）。本實用新型確保射流啟停的精確控制，保證生產質量。本實用新型解決現有近場靜電紡絲過程中，初始射流不穩定，且難於控制，無法預知射流什麼時候進入穩定狀態的問題。本實用新型是一種方便實用的針對微納加工的微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置。
【專利說明】一種針對微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型是一種針對微納加工的微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置，屬於微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置的創新技術。
【背景技術】
[0002]電紡絲技術電紡絲技術最早由Formhzls在1934年提出，隨後Taylor等人於1964年對靜電紡絲過程中帶電聚合物的變形提出了泰勒錐這一概念，直到上個世紀90年代人們開始廣泛關注電紡絲技術。但靜電紡絲生產出來的納米纖維很難有序收集，也很難做到有序排布。2006年，孫道恆等人提出近場電紡直寫技術，基於近場靜電紡的電紡直寫技利用電紡過程中直線穩定射流的優點，實現了單根米纖維的有序沉積，為電紡絲納米纖維的產業化應開拓了一種新的方法。
[0003]目前，通過近場電紡直寫技術已經實現了直徑由幾納米到數百納米範圍內近百種不同聚合物納米纖維、各種類型聚合物、無機物複合納米纖維及無機納米纖維的製備。由高壓靜電紡絲技術所製備的納米纖維材料已經在光電子、傳感器和生物科學領域表現出極大的應用潛力。
[0004]在1950年以前，國外Hafstad用一個FP — 54型靜電計管，在幾分鐘時間能檢測出3x10^安的電流(2電子/秒)，然而只有在實驗條件下，這電流才是有用的。FP-54型靜電計管的直流放大器輸入級中使用著真空管。近代的一些靜電計管電路的測量能力不如Hafstad等人的早期電路好。這是由於大規模廉價管子的生產，使管子的質量下降川。從1949年出現電晶體以來，設計人員在直流放大器使用這些器件，獲得了不同程度的提高。Chaplin在1957年發表了第一臺電晶體化的載波調製的直流放大器，這種電路具有IO^安的測量能力。McCaslin在簡單放大電路中採用了低洩漏絕緣柵場效應電晶體，使這個簡單能夠測〗I ?: KTls安的電流。
[0005]在電場力大於溶液的表面張力時,泰勒錐破裂,溶液在電場力作用下會形成射流。射流穩定的維持通過射流流速和電場決定。然而，在穩定可紡電壓和流速匹配的情況下，泰勒錐破裂至射流穩定需要一個過程，在此過程中，射流會很不穩定，經過多次滴落液滴之後，電場力才能拉出穩定射流。所以射流不穩定期間可通過瞬間增強電場，並且電場要根據射流形態實時變化，通過這樣來實現射流的持續穩定，由於高壓直流電源在調節電壓時有較大的滯後時間，很難做到實時精確控制，需要性能很好的高壓電源，這樣務必增加了成本，如果通過調節紡絲電壓來改變電場是比較難實現的。因此通過改變收集板跟針尖的高度是比較容易實現實時精確控制的，本實用新型將實現通過實時調節針尖於收集板之間的距離來實現電場變化，從而控制射流快速進入穩定狀態。
[0006]在靜電紡絲過程中，射流進入穩定狀態後，在一定範圍內改變噴頭與收集器之間的電場大小，不影響射流的持續穩定。
[0007] 電紡直寫過程電流變化對納米纖維的沉積形貌和直徑有著重要的影響。雖然近場電紡直寫技術已經發展了多年，但依然無法解決初始射流不穩定性問題，如無法確定什麼時候射流進入穩定狀態，因此，在實際生產運用中，無法保證生產質量。

【發明內容】

[0008]本實用新型的目的在於考慮上述問題而提供一種設計合理，確保射流啟停的精確控制，保證生產質量的針對微納加工的微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置。本實用新型解決現有近場靜電紡絲過程中，初始射流不穩定，且難於控制，無法預知射流什麼時候進入穩定狀態的問題。
[0009]本實用新型的技術方案是:本實用新型的微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置，包括有精密注射泵、X-Y-Z三軸運動平臺繞Y軸轉動平臺的固定支架、繞Y軸轉動平臺、繞X軸轉動平臺、靜電紡絲收集器、微電流檢測電路、高壓直流電源，精密注射泵固定在工作檯上，推送注射器的推桿在精密注射泵的帶動下將注射器儲液器裡面的溶液從噴頭裡面擠出或者從外部抽取溶液，且在靜電紡絲控制系統的控制下實現靜電紡絲過程的溶液進給和往注射器儲液器裡面補充溶液，用於溶液的噴絲的噴頭固定在注射器儲液器的末端，靜電紡絲收集器固定在繞X軸轉動平臺上，繞X軸轉動平臺安裝在繞Y軸轉動平臺上，繞X軸轉動平臺通過X軸轉動驅動電機帶動進行繞X軸轉動，繞Y軸轉動平臺安裝在繞Y軸轉動平臺的固定支架上，繞Y軸轉動平臺通過Y軸轉動驅動電機(12)帶動進行繞Y軸轉動，繞Y軸轉動平臺的固定支架安裝在X-Y-Z三軸運動平臺上，用於檢測從收集器流出的電流的微電流檢測電路安裝在從靜電紡絲收集器上導出的導線和與大地連接的導線之間，高壓直流電源與噴頭相連而提供紡絲電場，高壓直流電源與用於控制紡絲電壓的靜電紡絲控制系統相連，精密注射泵與精密注射泵控制器相連，用於注射泵的控制，注射泵控制器與靜電紡絲控制系統連接，實現系統對精密注射泵的控制，微電流檢測電路與靜電紡絲控制系統相連，實現微電流檢測的反饋控制。
[0010]本實用新型與現有技術相比，具有如下優點:
[0011]I)本實用新型通過改變紡絲距離來改變噴頭與收集器間的電場，克服了直接通過改變紡絲輸入電壓響應滯後的問題；
[0012]2)本實用新型通過採用微電流檢測電路來監控紡絲的狀態，作控制反饋信號；
[0013]3)本實用新型精密注射泵可以驅動精密注射器實現溶液輸入和輸出功能；
[0014]3)本實用新型設有X-Y-Z三軸運動平臺，可以做微納三維列印。
[0015]本實用新型是一種設計巧妙，性能優良，方便實用的微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型的原理圖；
[0017]圖2為本實用新型的正視圖；
[0018]圖3為本實用新型的右視圖；
[0019]圖4為近場靜電紡絲中射流快速進入穩定狀態方法流程圖。
【具體實施方式】[0020]實施例:
[0021]本實用新型的結構示意圖如圖1、2、3、4所示，本實用新型是一種針對微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置，採用電流體噴印原理，通過控制噴頭與收集器之間的距離間接快速控制噴頭與收集器之間電場的變化，從而產生近場電紡穩定射流，為電紡的快速實現噴印和控制。
[0022]本實用新型的微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置，包括有精密注射泵1、X-Y-Z三軸運動平臺10、繞Y軸轉動平臺的固定支架9、繞Y軸轉動平臺8、繞X軸轉動平臺
7、靜電紡絲收集器、微電流檢測電路24、高壓直流電源16，精密注射泵I固定在工作檯上，推送注射器的推桿4在精密注射泵I的帶動下將注射器儲液器6裡面的溶液從噴頭13裡面擠出或者從外部抽取溶液，且在靜電紡絲控制系統21的控制下實現靜電紡絲過程的溶液進給和往注射器儲液器6裡面補充溶液，用於溶液的噴絲的噴頭13固定在注射器儲液器6的末端，靜電紡絲收集器固定在繞X軸轉動平臺7上，繞X軸轉動平臺7安裝在繞Y軸轉動平臺8上，繞X軸轉動平臺7通過X軸轉動驅動電機11帶動進行繞X軸轉動，繞Y軸轉動平臺8安裝在繞Y軸轉動平臺的固定支架9上，繞Y軸轉動平臺8通過Y軸轉動驅動電機12帶動進行繞Y軸轉動，繞Y軸轉動平臺的固定支架9安裝在X-Y-Z三軸運動平臺10上，用於檢測從收集器流出的電流的微電流檢測電路24安裝在從靜電紡絲收集器上導出的導線23和與大地連接的導線25之間，高壓直流電源16通過導線15與噴頭13相連而提供紡絲電場，高壓直流電源16通過導線17與用於控制紡絲電壓的靜電紡絲控制系統21相連，精密注射泵I通過導線18與精密注射泵控制器19相連，用於注射泵的控制，注射泵控制器19通過導線20與靜電紡絲控制系統21連接，實現系統對精密注射泵的控制，微電流檢測電路24通過導線22與靜電紡絲控制系統21相連，實現微電流檢測的反饋控制。
[0023]上述精密注射泵I用於靜電紡絲溶液連續給進及溶液給進啟停控制，同時，還可以通過控制電機翻轉，帶動精密注射器反抽溶液，可以實現溶液的自動補給；x-Y-z三軸運動平臺10用於提供纖維有序沉積的速度以及方向控制。繞Y軸轉動平臺的固定支架9用於Y軸的轉動用支架。繞Y軸轉動平臺8提供繞Y軸轉動運動，同時作為繞X軸轉動平臺的固定支架用。繞X軸轉動平臺7提供繞X軸轉動運動，同時作為靜電紡絲收集器的底座。X軸轉動驅動電機11及Y軸轉動驅動電機12分別與繞X、Y軸轉動平臺的轉動軸相連，提供轉動動力，同時電機帶編碼器，提供轉動角度的定位及精度。纖維收集器固定在繞X軸轉動平臺上，用於纖維的沉積接收。微電流檢測系統的微電流檢測電路24裝在纖維收集器接地的導線上，用於檢測由纖維收集器流出的電流大小，根據基爾霍夫電流定律，電流從紡絲過程中射流中流入纖維收集器，從纖維收集器流出經過微電流檢測電路至大地，流入電流等於流出電路，即微電流檢測電路所檢測電流大小為射流中流過的電流，微電流檢測電路可以作為射流啟停的反饋信號裝置，也可以作為射流直徑大小的反饋控制裝置。高壓直流電源16用於提供靜電紡絲電壓。
[0024]上述推送注射器的推桿4由推板3在精密注射泵I的驅動電機的驅動帶動下，順著導軌2滑動，如果驅動電機反轉，推板3將在驅動電機的帶動下，拉動注射器推桿4倒抽，可以使得溶液往回抽，實現溶液的補給和進給停止。
[0025]本實施例中，上述注射器儲液器6通過精密注射器固定板5固定在精密注射泵I上。上述注射器儲液器6通過注射器壓板14壓緊在注射器固定板5上。[0026]本實施例中，上述噴頭13固定在注射器儲液器6末端，用於溶液的噴絲，繞X軸轉動平臺7固定在繞Y軸轉動平臺8上，用於收集器的固定。
[0027]本實施例中，上述X軸轉動驅動電機11是帶編碼器電機，繞X軸轉動平臺7通過帶編碼器電機帶動進行繞X軸轉動，用於收集板在沿Y軸方向運動時，可以進行繞X軸轉動，用於收集板在沿Y軸方向運動時，改變收集器與噴頭之間的距離，從而間接改變收集器與噴頭間的電壓，繞Y軸轉動平臺8是安裝在繞Y軸轉動平臺的固定支架9上的。
[0028]本實施例中，上述Y軸轉動驅動電機12是帶編碼器電機，繞Y軸轉動平臺8在帶編碼器電機的帶動下進 行繞Y軸轉動，用於收集板在沿X軸方向運動時，改變收集器與噴頭之間的距離，從而間接改變收集器與噴頭間的電壓。繞Y軸轉動平臺的固定支架9安裝在X-Y-Z三軸運動平臺10上，為收集器在工作過程中提供X-Y-Z方向的運動，實現納米纖維的形態沉積。
[0029]本實施例中，上述精密注射泵由電機驅動能實現正反轉，且能隨時啟停。
[0030]本實用新型的工作原理如下:如圖1-4所示，繞X軸轉動平臺7可以通過X軸轉動驅動電機11帶動進行繞X軸轉動，用於收集板在沿Y軸方向運動時，且可以進行繞X軸轉動，用於收集板在沿Y軸方向運動時，改變收集器與噴頭之間的距離，從而間接改變收集器與噴頭間的電壓；繞Y軸轉動平臺8安裝在繞Y軸轉動平臺的固定支架9上，繞Y軸轉動平臺8在Y軸轉動驅動電機12的帶動下，可以進行繞Y軸轉動，用於收集板在沿X軸方向運動時，改變收集器與噴頭之間的距離，從而間接改變收集器與噴頭間的電壓。繞Y軸轉動平臺的固定支架9安裝在X-Y-Z三軸運動平臺10上，為收集器在工作過程中提供X-Y-Z方向的運動，實現納米纖維的形態沉積。
[0031]如圖2所示，啟動靜電紡絲系統開始工作時，若噴頭與收集器作相對運動，相對運動方向如圖2中的運動方向26時，繞X軸轉動平臺7在X軸轉動驅動電機11帶動下，轉動一定角度，使得收集器與噴頭之間的距離在工作過程中趨於變小，從而間接改變收集器與噴頭間的電壓，指導微電流檢測電路24檢測到導線23流嚮導線25的持續電流時，說明射流進入穩定狀態，紡絲控制系統21將控制靜電紡絲進入正式工作狀態，開始工作。當噴頭與收集器相對運動方向為其他方向時，工作方式類似。
[0032]將收集器與噴頭之間看做為一個電場，電場為E，收集器與噴頭之間距離
為H，高壓電源輸出至噴頭的電壓為U，泰勒錐帶電量為Q，則電場力為F，則







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F二=則距離H變小，則電場力F增大，當電場力F大於溶液的表面張力時，泰
勒錐破裂，形成射流，射流接觸到收集器時，由電荷守恆原理，輸入到收集器的電荷為Λ，從收集器輸出的電荷為，則 ，電流為I，則/ = & = & ,則通過微電流檢測電路檢測
92ff重=92t t
收集器輸出電流I，即可檢測出收集器從射流輸入的電流I，因此可以通過微電流檢測電路檢測射流的持續性。
【權利要求】
1.一種針對微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置，其特徵在於包括有精密注射泵(I)、X-Y-Z三軸運動平臺(10)、繞Y軸轉動平臺的固定支架(9)、繞Y軸轉動平臺(8)、繞X軸轉動平臺(7)、靜電紡絲收集器、微電流檢測電路(24)、高壓直流電源(16)，精密注射泵(1)固定在工作 臺上，推送注射器的推桿(4)在精密注射泵(I)的帶動下將注射器儲液器(6)裡面的溶液從噴頭(13)裡面擠出或者從外部抽取溶液，且在靜電紡絲控制系統(21)的控制下實現靜電紡絲過程的溶液進給和往注射器儲液器(6)裡面補充溶液，用於溶液的噴絲的噴頭(13)固定在注射器儲液器(6)的末端，靜電紡絲收集器固定在繞X軸轉動平臺(7)上，繞X軸轉動平臺(7)安裝在繞Y軸轉動平臺(8)上，繞X軸轉動平臺(7)通過X軸轉動驅動電機(11)帶動進行繞X軸轉動，繞Y軸轉動平臺(8 )安裝在繞Y軸轉動平臺的固定支架(9 )上，繞Y軸轉動平臺(8 )通過Y軸轉動驅動電機(12 )帶動進行繞Y軸轉動，繞Y軸轉動平臺的固定支架(9)安裝在X-Y-Z三軸運動平臺(10)上，用於檢測從收集器流出的電流的微電流檢測電路(24)安裝在從靜電紡絲收集器上導出的導線(23)和與大地連接的導線(25)之間，高壓直流電源(16)與噴頭(13)相連而提供紡絲電場，高壓直流電源(16)與用於控制紡絲電壓的靜電紡絲控制系統(21)相連，精密注射泵(I)與精密注射泵控制器(19)相連，用於注射泵的控制，注射泵控制器(19)與靜電紡絲控制系統(21)連接，實現系統對精密注射泵的控制，微電流檢測電路(24 )與靜電紡絲控制系統(21)相連，實現微電流檢測的反饋控制。
2.根據權利要求1所述的針對微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置，其特徵在於上述推送注射器的推桿(4)由推板(3)在精密注射泵(I)的驅動電機的驅動帶動下順著導軌(2)滑動。
3.根據權利要求1所述的針對微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置，其特徵在於上述注射器儲液器(6 )通過精密注射器固定板(5 )固定在精密注射泵(I)上。
4.根據權利要求1所述的針對微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置，其特徵在於上述注射器儲液器(6)通過注射器壓板(14)壓緊在注射器固定板(5)上。
5.根據權利要求1所述的針對微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置，其特徵在於上述噴頭(13 )固定在注射器儲液器(6 )末端，用於溶液的噴絲，繞X軸轉動平臺(7 )固定在繞Y軸轉動平臺(8)上，用於收集器的固定。
6.根據權利要求1至5任一項所述的針對微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置，其特徵在於上述X軸轉動驅動電機(11)是帶編碼器電機，繞X軸轉動平臺(7)通過帶編碼器電機帶動進行繞X軸轉動，用於收集板在沿Y軸方向運動時，可以進行繞X軸轉動，用於收集板在沿Y軸方向運動時，改變收集器與噴頭之間的距離，從而間接改變收集器與噴頭間的電壓，繞Y軸轉動平臺(8)安裝在繞Y軸轉動平臺的固定支架(9)上。
7.根據權利要求1至5任一項所述的針對微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置，其特徵在於上述Y軸轉動驅動電機(12)是帶編碼器電機，繞Y軸轉動平臺(8)在帶編碼器電機的帶動下進行繞Y軸轉動，用於收集板在沿X軸方向運動時，改變收集器與噴頭之間的距離，從而間接改變收集器與噴頭間的電壓，繞Y軸轉動平臺的固定支架(9 )安裝在X-Y-Z三軸運動平臺(10)上，為收集器在工作過程中提供X-Y-Z方向的運動，實現納米纖維的形態沉積。
8.根據權利要求1至5任一項所述的針對微納加工的電紡射流快速穩定控制裝置，其特徵在於上述精密注射泵由電機驅動能實現正反轉，且能隨時啟停。
【文檔編號】D01D5/00GK203782281SQ201420099743
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年3月6日 優先權日:2014年3月6日
【發明者】朱自明, 陳新度, 王晗, 陳新, 李敏浩, 唐立虎, 李炯傑, 曾俊, 蔡維琳, 蔣景文 申請人:廣東工業大學