專利名稱：電液動力可控噴印亞微米纖維裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及以高分子聚合物為材料噴射亞微米纖維的裝置。
背景技術(shù)：
近年來，設(shè)計和制備納米尺度的材料引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，隨著聚合物微納米纖維其良好的力學(xué)、光學(xué)以及電氣性能被人們所認知，使得聚合物微納米纖維在微機電學(xué)、生物學(xué)方面的有著廣闊的應(yīng)用前景，如應(yīng)用于薄膜晶體管、電池、生物傳感器、人造皮膚
坐寸ο目前采用的電液動力噴射亞微米纖維技術(shù)，在微小的噴印頭頂端的高分子聚合物溶液受重力、表面張力、毛細管力等力的作用，利用直流高壓靜電場使噴印頭頂端的聚合物帶電形成Taylor錐，當(dāng)噴印頭頂端表面電荷在高壓電場中的電場力與上述各種力作用在一起，從噴印頭能夠產(chǎn)生連續(xù)射流現(xiàn)象，并且當(dāng)設(shè)定了一個大小穩(wěn)定的電場時，能夠連續(xù)穩(wěn)定地沉積在收集板上，得到線寬大約為幾微米的微納米線，在沉積過程中移動收集板，能夠得到一系列二維微納米圖案。傳統(tǒng)靜電紡絲技術(shù)存在噴印頭與收集板之間距離過大，在沉積過程中受環(huán)境影響過大，難以控制噴印的聚合物纖維從而使其有序的沉積，在一些運用領(lǐng)域中，如傳感器，這些微納纖維的精確圖案化是影響該種傳感器性能的很主要的一個方面，這就需要更為有效的方法來控制聚合物纖維的精確沉積。
鑒于上述技術(shù)問題，Jang-UngPark 等人(Jang-Ung Park, Matt Hardy, SeongJun Kang,Kira Barton,Kurt Adair,Deep kishore Mukhopadhyayj Chang YoungLee, Michael S. Stranoj Andrew G. Alleynej John G. Georgiadisj Placid M. Ferreira&JohnA. Rogers. High—resolution electrohydrodynamic jet printing. Nature Materials2007，6，782-789)運用電液動力噴印裝置噴射聚合物溶液，成功打印出復(fù)雜高分辨率亞微米級圖案，并且實現(xiàn)了可控噴印。區(qū)別于以往設(shè)備，Park等人所用噴印頭為鍍金噴印頭，并且噴印頭頂端內(nèi)徑只有幾個微米，這就導(dǎo)致了制備噴印頭方面的工藝非常復(fù)雜且容易堵塞，這也就使得噴印頭對工作環(huán)境的要求也非常高。因此，需要設(shè)計一種可精確控制亞微米纖維沉積的電液動力裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種可精確控制亞微米纖維沉積的電液動力裝置。為解決上述問題，本發(fā)明揭示了一種電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，包括光學(xué)隔振平臺、操作手控制器和載物臺控制器，還包括設(shè)置于所述光學(xué)隔振平臺的直流高壓電源、注射泵、輸流管、三維操作手、攝像機、X-Y載物平臺、接收板、噴射頭、計算機，所述操作手控制器、載物臺控制器、攝像機、注射泵、直流高壓電源與所述計算機相連接，所述直流高壓電源與所述噴射頭、接收板相連，所述注射泵通過所述輸流管與所述噴射頭相連，所述輸流管通過固定裝置固定于所述三維操作手，所述接收板放置于所述X-Y載物平臺，所述噴射頭與所述接收板之間設(shè)有間距。優(yōu)選地，所述裝置還包括顯微鏡，所述顯微鏡與所述計算機相連接。優(yōu)選地，所述直流高壓電源的正極與所述噴射頭相連，所述直流高壓電源的負極與所述接收板相連。優(yōu)選地，所述噴射頭與所述接收板之間的距離為O. 5_-2_。優(yōu)選地,所述噴射頭頂端孔內(nèi)徑為60 μ m、110 μ m、160 μ m。優(yōu)選地,所述噴射頭為不銹鋼噴射頭。優(yōu)選地，所述輸流管中灌輸有聚合物溶液，所述聚合物溶液質(zhì)量濃度為3%_12%。 優(yōu)選地，所述直流高壓電源的輸出范圍為1000-2500V。優(yōu)選地，所述注射泵的注射速率為50 μ l/h-60 μ 1/h。優(yōu)選地，所述X-Y載物平臺的移動范圍為12cm*7cm，所述X-Y載物平臺的移動速度為 1mm/s_2cm/s0
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點本發(fā)明所揭示的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，可對聚合物纖維實現(xiàn)可控自動化操作，操作者能夠使噴射頭在預(yù)想軌跡中進行行走，并且在噴射過程中以及平臺移動過程中維持穩(wěn)定噴射，能夠精確定位噴射頭與接收板之間的距離，待達到預(yù)期目標后能夠順利停止作業(yè)，噴涂任意設(shè)計的圖案，達到一體化可控操作的目的，實現(xiàn)聚合物纖維的有序排列與圖案化。


圖I是本發(fā)明優(yōu)選實施例中電液動力可控噴印亞微米纖維裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實施例一中所得到的聚合物纖維沉積圖；圖3是電壓與聚合物纖維線寬的關(guān)系圖；圖4是接收板8和噴射頭9之間距離與聚合物纖維線寬的關(guān)系圖；圖5是實施例二中所得到的聚合物纖維沉積圖；圖6是實施例三中所得到的聚合物纖維沉積圖；圖7是實施例四中所得到的聚合物纖維沉積圖；圖8是實施例五中所得到的聚合物纖維沉積圖；圖9是實施例六中所得到的聚合物纖維沉積圖；其中1、直流高壓電源；2、注射泵；3、輸流管；4、三維操作手；5、顯微鏡；6、攝像機；7、X-Y載物平臺；8、接收板；9、噴射頭；10、計算機；11、光學(xué)隔振平臺；12、操作手控制器；13、載物臺控制器。
具體實施例方式鑒于現(xiàn)有的電液動力噴射亞微米纖維技術(shù)，在聚合物纖維的沉積過程中受環(huán)境影響過大，難以控制噴印的聚合物纖維從而使其有序的沉積，從而影響到所應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品品質(zhì)，因此，控制聚合物纖維的精確沉積是一個重要的研究課題。本發(fā)明揭示了一種電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，包括光學(xué)隔振平臺、操作手控制器和載物臺控制器，還包括設(shè)置于所述光學(xué)隔振平臺的直流高壓電源、注射泵、輸流管、三維操作手、攝像機、X-Y載物平臺、接收板、噴射頭、計算機，所述操作手控制器、載物臺控制器、攝像機、注射泵、直流高壓電源與所述計算機相連接，所述直流高壓電源與所述噴射頭、接收板相連，所述注射泵通過所述輸流管與所述噴射頭相連，所述輸流管通過固定裝置固定于所述三維操作手，所述接收板放置于所述X-Y載物平臺，所述噴射頭與所述接收板之間設(shè)有間距。為了便于測量纖維的線寬，所述計算機還連接有顯微鏡。使用時，在輸流管中灌輸有聚合物溶液，利用計算機控制注射泵按預(yù)設(shè)軌跡行走，從而將聚合物纖維精確噴射至接收板上，實現(xiàn)聚合物纖維的有序排列與圖案化。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行詳細地描述。如圖I所示，本發(fā)明所揭示的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，包括光學(xué)隔振平臺11、操作手控制器12和載物臺控制器13，還包括設(shè)置于光學(xué)隔振平臺11的直流高壓電源I、注射泵2、輸流管3、三維操作手4、顯微鏡5、攝像機6、X-Y載物平臺7、接收板8、噴射頭9、計算機10，操作手控制器12、載物臺控制器13、攝像機6、注射泵3、顯微鏡5、直流高 壓電源I與計算機10相連接，直流高壓電源I與噴射頭9、接收板8相連，注射泵2通過輸流管3與噴射頭9相連，輸流管3通過固定裝置固定于三維操作手4，接收板8放置于X-Y載物平臺7，噴射頭9與接收板8之間設(shè)有間距。在本實施例中，直流高壓電源I的正負極分別與噴射頭9和接收板8相連接，調(diào)節(jié)兩端電壓范圍在1000-2500V，噴射頭9采用不銹鋼噴射頭，顯微鏡5采用倒置生物顯微鏡，接收板8采用上表面為鍍膜導(dǎo)電面的透明玻璃片，通過調(diào)節(jié)三維操作手4精確控制噴射頭9與接收板8之間的距離，噴射頭9與接收板8之間的距離范圍優(yōu)選為O. 5mm-2mm。接收板8固定于X-Y載物平臺7上面，注射泵2的流量速率控制在40 μ l/h-60 μ Ι/h范圍內(nèi)。使用時，所有操作均在計算機上完成，包括開啟開關(guān)，調(diào)節(jié)三維操作手4使得噴射頭9與接收板8之間的距離在所選范圍內(nèi)，開啟注射泵2以預(yù)定速率進行注射，通過數(shù)據(jù)采集卡模擬輸出穩(wěn)定電壓控制直流高壓電源I穩(wěn)定輸出小額電壓，慢慢增大電壓值使得噴射頭9頂端能夠產(chǎn)生穩(wěn)定射流現(xiàn)象，設(shè)置X-Y載物平臺7的移動速度在lmm/s-2cm/s范圍以內(nèi)，X-Y載物平臺7以預(yù)先設(shè)置好的軌跡進行移動，計算好移動時間，待移動結(jié)束自動切斷電壓，噴印結(jié)束，此時在接收板8上能夠得到一組微納纖維圖案。實施例一在輸流管3中灌輸質(zhì)量濃度為3%_12%的聚合物溶液，X-Y載物平臺7的移動速度為2cm/s，直流高壓電源I的數(shù)值為1000V，注射泵2的注射速率為40 μ Ι/h，接收板8與噴射頭9之間的距離為1mm，噴射頭頂端孔內(nèi)徑為60 μ m，噴印出線寬為2. 5 μ m且相互平行的聚合物纖維，如圖2所示?！闱闆r下噴射頭的內(nèi)徑越小，所噴出的纖維直徑越小，但同時還與噴射頭到接收板的距離，以及所施加電壓等因素有關(guān)。根據(jù)不同參數(shù)得到不同線寬的聚合物纖維與所施加電壓、噴射頭9頂端孔內(nèi)徑、接收板8和噴射頭9之間距離的關(guān)系，如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，聚合物纖維的線寬隨著電壓的增高或噴射頭9頂端孔內(nèi)徑的增大而變寬。從圖4可以看出，聚合物纖維的線寬隨著接收板8和噴射頭9之間距離變大而變小。實施例二 X-Y載物平臺7的移動速度為O. 5cm/s，移動軌跡為密集的矩形圖案，其它同實施例一，噴印出的圖案如圖5所示。
實施例三X-Y載物平臺7的移動速度為lcm/s，移動軌跡為密集的矩形圖案，其它同實施例一，噴印出的圖案如圖6所不。實施例四X-Y載物平臺7的移動速度為2cm/s，移動軌跡為密集的矩形圖案，其它同實施例一，噴印出的圖案如圖7所示。由實施例一至實施例四可以看出，影響聚合物微納纖維沉積于接收板8具體位置的重要因素是X-Y載物平臺7的移動速度，通過施加不同的移動速度，接收板8上得到的圖 案也不同。從圖7中可以驗證X-Y載物平臺7的確實為密集矩形圖案。實施例五將X-Y載物平臺7的移動軌跡設(shè)計為密集的正方形圖案，X-Y載物平臺7的移動速度O. 5cm/s，直流高壓電源I為1500V，接收板8與噴射頭9的距離為I. 5_，注射泵2的注射速率為40 μ Ι/h，其它同實施例一。待形成穩(wěn)定噴射后，X-Y載物平臺7以預(yù)先設(shè)計的軌跡移動，在接收板8上得到如圖8所示圖案，圖中每個正方形的邊長約為50 μ m，線寬為3 μ m0實施例六將X-Y載物平臺7的移動軌跡設(shè)計為字體圖案，X-Y載物平臺7的移動速度為2mm/s，直流高壓電源I為1500V，接收板8與噴射頭9的距離為1_，注射泵2的注射速率為40 μ Ι/h，其它同實施例一，將在接收板8上形成預(yù)先設(shè)計的字體圖案，如圖9所示。本發(fā)明所揭示的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，可對聚合物纖維實現(xiàn)可控自動化操作，操作者能夠使噴射頭在預(yù)想軌跡中進行行走，并且在噴射過程中以及平臺移動過程中維持穩(wěn)定噴射，能夠精確定位噴射頭與接收板之間的距離，待達到預(yù)期目標后能夠順利停止作業(yè)，噴涂任意設(shè)計的圖案以及能夠及時測量所噴印亞微米纖維的線寬，達到一體化可控操作的目的，實現(xiàn)聚合物纖維的有序排列與圖案化。本發(fā)明所揭示的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置操作簡單、測量精確，且所采用的噴射頭成本低，因此，整個裝置的成本也隨之降低。對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，其特征在于包括光學(xué)隔振平臺、操作手控制器和載物臺控制器，還包括設(shè)置于所述光學(xué)隔振平臺的直流高壓電源、注射泵、輸流管、三維操作手、攝像機、X-Y載物平臺、接收板、噴射頭、計算機，所述操作手控制器、載物臺控制器、攝像機、注射泵、直流高壓電源與所述計算機相連接，所述直流高壓電源與所述噴射頭、接收板相連，所述注射泵通過所述輸流管與所述噴射頭相連，所述輸流管通過固定裝置固定于所述三維操作手，所述接收板放置于所述X-Y載物平臺，所述噴射頭與所述接收板之間設(shè)有間距。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，其特征在于還包括顯微鏡，所述顯微鏡與所述計算機相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，其特征在于所述直流高壓電源的正極與所述噴射頭相連，所述直流高壓電源的負極與所述接收板相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，其特征在于所述噴射頭與所述接收板之間的距離為O. 5mm-2mm。
5.根據(jù)1、3和4任一權(quán)利要求所述的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，其特征在于所述噴射頭頂端孔內(nèi)徑為60 μ m、110 μ m、160 μ m。
6.根據(jù)1、3和4任一權(quán)利要求所述的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，其特征在于所述噴射頭為不銹鋼噴射頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，其特征在于所述輸流管中灌輸有聚合物溶液，所述聚合物溶液質(zhì)量濃度為3%-12%。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，其特征在于所述直流高壓電源的輸出范圍為1000-2500V。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，其特征在于所述注射泵的注射速率為50 μ l/h-60 μ 1/ho
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，其特征在于所述X-Y載物平臺的移動范圍為12cm*7cm，所述X-Y載物平臺的移動速度為lmm/S-2cm/S。
全文摘要
一種電液動力可控噴印亞微米纖維裝置，包括光學(xué)隔振平臺、操作手控制器和載物臺控制器，還包括設(shè)置于所述光學(xué)隔振平臺的直流高壓電源、注射泵、輸流管、三維操作手、攝像機、X-Y載物平臺、接收板、噴射頭、計算機，所述操作手控制器、載物臺控制器、攝像機、注射泵、直流高壓電源與所述計算機相連接，所述直流高壓電源與所述噴射頭、接收板相連，所述注射泵通過所述輸流管與所述噴射頭相連，所述輸流管通過固定裝置固定于所述三維操作手，所述接收板放置于所述X-Y載物平臺，所述噴射頭與所述接收板之間設(shè)有間距。本發(fā)明所揭示的電液動力可控噴印亞微米纖維裝置可精確控制亞微米纖維沉積。
文檔編號D01D5/00GK102828257SQ20121033630
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者汝長海, 錢馳, 王飛龍 申請人:蘇州大學(xué)