一种基于近场电纺直写的多层微结构纤维的制备装置

1.本实用新型涉及电纺微纳制造领域，具体涉及一种基于近场电纺直写的多层微结构纤维的制备装置。


背景技术：

2.近年来，提高电子传感器微结构集成度，缩小传感器体积，是微纳电子传感器发展的主流，在微纳传感器制备工艺中，传统工艺基于曝光、刻蚀的减成制造工艺技术，面临着材料兼容性差、成本高、环境污染严重等问题，无法满足微纳电子传感器低成本、绿色制造的需求。通过喷印的增材制造方式进行微纳电子传感器微结构制备，具有材料兼容性好、工艺简单、成本低、绿色环保等优点，具有广阔的应用前景。当前，科研人员开发了多种微纳电子喷印制备工艺，例如在柔性基底上完成恒薄膜场效应管的集成化喷印，用以保持良好的电学性能，但功能器件线宽和尺寸仍有待进一步减小以提高检测信息密度；科研人员结合纳米颗粒墨水和有机柔性基材完成了多层透明电子线路的喷墨打印，验证了多层电子皮肤喷印制造的可行性，但无法完成多层电路间的结构匹配。因此在微纳电子传感元件制备领域亟待一种新型的喷印技术，解决喷印制备精度差、立体成型困难的问题，实现多层复合、高传感密度微纳电子传感器的立体成型。


技术实现要素：

3.为此，需要提供一种基于近场电纺直写的多层微结构纤维的制备装置，解决传统微纳喷印制备技术精度差、无法立体成型的问题。
4.为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于近场电纺直写的多层微结构纤维的制备装置，其特征在于：包括注射泵、注射针管、电纺针头、高压电源、收集板、位移控制平台、聚焦照射光源、鞘气装置和聚焦加热光源，所述注射针管设置在注射泵上，所述注射针管通过导管与电纺针头相连接，所述注射泵输送注射针管内的溶液至电纺针头，所述收集板位于电纺针头的下方，所述位移控制平台驱动收集板进行移动，所述收集板包括阵列分布的光敏收集单元和绝缘介质，所述绝缘介质填充在相邻光敏收集单元之间，所述聚焦照射光源聚焦照射于电纺针头下方的光敏收集单元，所述高压电源与电纺针头和光敏收集单元连接，高压电源用于为电纺针头和光敏收集单元之间提供电场，所述鞘气装置与电纺针头相通，所述聚焦加热光源聚焦于收集板上与电纺针头相对应的位置。
5.进一步，所述光敏收集单元包括导电接受块和光敏电阻，所述导电接受块通过光敏电阻与高压电源连接，所述聚焦照射光源聚焦照射位于电纺针头下方的导电接受块所连接的光敏电阻。当导电接受块移动到电纺针头的下方时，其所连接的光敏电阻受聚焦照射光源影响，阻值降低为零，连接导线接通高压电源负极，导通的导电接受块与电纺针头间形成电场，由此开始喷印。
6.进一步，所述电纺针头包括竖直设置的内针头和外针头，所述内针头设置在外针头内，所述外针头为顶部封闭、底部开口结构，所述内针头的顶端贯穿外针头的顶部，并与
注射针管相连通，所述内针头和外针头之间的空间形成鞘气通道，所述外针头的侧面上设有进气口，所述鞘气装置通过进气口与鞘气通道相通。
7.在电纺直写过程中采用鞘气辅助的方式有效减小微尺度电场对纺丝的干扰，利用精密位移控制平台和鞘气辅助同时控制的方案保障了近场电纺微纳成型的精确度，鞘气装置辅助的控制方式有助于纺丝过程中溶剂的挥发，缩短纤维的固化时间，为收集板提供精确的点对点收集，提高了电纺纤维收集过程中的精度，使定点层叠成为可能，进一步保证了微纳喷印制备工艺特别是多层微纳结构喷印制备的精确度和稳定性。
8.进一步，所述鞘气装置包括储气瓶和控制阀，所述储气瓶通过导气管与外针头的进气口相连通，所述控制阀设置在导气管上。储气瓶内存储氮气，储气瓶通过控制阀调节供给速度，从而改变鞘气通道内气体的流速，鞘气在纤维喷印过程中，维持内针头喷射电纺溶液的稳定性，减弱环境、电场的干扰，同时加快溶剂挥发，提高喷印效率。
9.进一步，所述内针头和外针头同心轴设置。同轴设置使得内针头喷射出来的电纺溶液能够均匀的受到鞘气的保护和吹干作用，使得喷印的纤维更加的均匀。
10.进一步，所述外针头的直径与内针头直径的比值为2
‑
5:1。
11.进一步，所述外针头的底部开口设有向内倾斜的导流板。向内倾斜的导流板有助于加大鞘气在开口处的流速，有利于加速电纺溶液溶剂的蒸发。
12.所述聚焦加热光源聚焦于收集板上与电纺针头相对应的位置。聚焦加热光源对准电纺纤维的收集处，通过点加热的方式为喷印纤维加热，加速溶剂挥发，保证堆叠结构稳定性。
13.进一步，所述注射泵、注射针管、电纺针头为特氟龙、铁氟龙、硅胶或塑料制成的注射泵、注射针管、电纺针头。
14.上述技术方案具有以下有益效果：
15.本电纺喷印的过程中，精密的位移控制平台控制具有阵列分布的光敏收集单元的收集板移动，未受到光照的光敏收集单元可等效于绝缘，聚焦照射光源聚焦照射于电纺针头下方的光敏收集单元上，该光敏收集单元导通，该光敏收集单元和电纺针头之间形成电场，在电场力的作用下喷印的纤维材料点对点堆叠到导通的光敏收集单元上。随着精密位移控制平台的控制位移作用，不同的光敏收集单元将由绝缘状态变为导通状态，从而实现点对点喷印图案成形，阵列的光敏收集单元始终保持位于电纺针头正下方的光敏收集单元接通，从而达到点对点收集的目的，改善了收集板的收集精度，从而能够实现点对点喷印层叠微纳结构。
附图说明
16.图1为具体实施方式所述多层微结构纤维的制备装置的结构图。
17.图2为具体实施方式所述电纺针头。
18.图3为具体实施方式所述收集板上的收集单元的结构图。
19.图4为具体实施方式所述层叠结构制备示意图。
20.图5为具体实施方式所述定点堆叠结构制备示意图。
21.图6为具体实施方式所述悬空结构制备示意图。
22.附图标记说明：
23.1、注射泵；2、注射针管；
24.3、鞘气装置；31、储气瓶；32、控制阀；
25.4、高压电源；
26.5、电纺针头；51、内针头；52、外针头；53、进气口；54、导流板；
27.6、聚焦加热光源；
28.7、收集板；71、光敏收集单元；711、导电接受块；712、光敏电阻；
29.8、位移控制平台；9、聚焦照射光源。
具体实施方式
30.为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
31.请参阅图1
‑
6，本实施例一种基于近场电纺直写的多层微结构纤维的制备装置，包括注射泵1、注射针管2、电纺针头5、高压电源4、收集板7、位移控制平台8、聚焦照射光源9、鞘气装置3和聚焦加热光源6，注射针管2设置在注射泵1上，注射针管2通过导管与电纺针头5相连接，注射泵1输送注射针管2内的溶液至电纺针头5，收集板7位于电纺针头5的下方，位移控制平台8驱动收集板7进行移动，收集板7包括阵列分布的光敏收集单元71和绝缘介质，绝缘介质填充在相邻光敏收集单元71之间，聚焦加热光源6聚焦于收集板7上与电纺针头5相对应的位置，聚焦加热光源6聚焦照射在于电纺针头5相对的光敏收集单元71，高压电源4与电纺针头5和光敏收集单元71连接，高压电源4用于为电纺针头5和光敏收集单元71之间提供电场，鞘气装置3连接电纺针头5稳定电纺过程并加快溶剂的挥发。
32.本实施例中，光敏收集单元71包括导电接受块711和光敏电阻712，导电接受块711通过光敏电阻712与高压电源4负极连接，聚焦照射光源9聚焦照射位于电纺针头5下方的导电接受块711所连接的光敏电阻712，聚焦加热光源6为激光源，并照射位于电纺针头5下方的导电接受块711。当导电接受块711移动到电纺针头5的下方时，其所连接的光敏电阻712受聚焦照射光源9影响，阻值降低为零，连接导线接通高压电源4负极，导通的导电接受块711与电纺针头5间形成电场，由此开始喷印，同时聚焦加热光源6聚焦位于收集板7上与电纺针头5相对应的位置，通过点加热的方式为喷印纤维加热，加速溶剂挥发，保证堆叠结构稳定性。
33.具体的，每个光敏收集单元71的大小为边长尺寸为0.1mm
‑
3mm的正方形，可以根据不同的精度要求选择合适的尺寸。
34.电纺针头5包括竖直设置的内针头51和外针头52，内针头51设置在外针头52内，内针头51和外针头52同心轴设置，外针头52为顶部封闭、底部开口结构，内针头51的顶端贯穿外针头52的顶部，并与注射针管2相连通，内针头51和外针头52之间的空间形成鞘气通道，外针头52的侧面上设有进气口53，鞘气装置3包括储气瓶31和控制阀32，储气瓶31通过导气管与外针头52的进气口53相连通，控制阀32设置在导气管上。在电纺直写过程中采用鞘气辅助的方式有效减小电场对纺丝的干扰，利用精密位移控制平台8和鞘气辅助同时控制的方案保障了近场电纺微纳成型的精确度，鞘气装置3的辅助控制的方式有助于纺丝过程中溶剂的挥发，缩短纤维的固化时间，为收集板7提供精确的点对点收集，提高了电纺纤维收集过程中的精度，使定点层叠成为可能，进一步保证了微纳喷印制备工艺特别是多层微纳
结构喷印制备的精确度和稳定性。
35.本实施例中内针头51直径范围为0.2
‑
0.5mm，外针头52直径范围为0.4
‑
1mm，即外针头52的直径与内针头51直径的比值可以为2
‑
5:1，具体的内针头51直径为0.2mm，外针头52直径为0.4mm。
36.鞘气装置3向鞘气通道输入氮气、氦气或其它惰性气体，外针头52直径略大于内针头51，储气瓶31通过控制阀32调节供给速度，从而改变鞘气通道内气体的流速，鞘气在纤维喷印过程中，维持内针头51喷射电纺溶液的稳定性，减弱环境、电场的干扰，同时加快溶剂挥发，提高喷印效率。
37.在本实施例中，外针头52的底部开口设有向内倾斜的导流板54,向内倾斜的导流板54有助于加大鞘气在开口处的流速，有利于加速电纺溶液溶剂的挥发。
38.高压电源4正极与电纺针头5相连接并为电纺针头5提供0
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20kv电压，在电纺针头5与光敏阵列单元收集板7之间形成高压电场，注射针管2容量规格可为3ml、5ml、8ml、10ml等。注射泵1可根据注射针管2规格调整进给速度，保证供液速度，位移控制平台8为高精度位移控制平台，可通过程序控制水平移动规律，控制精度为1μm，光敏阵列单元收集板7为30*30mm正方形平板。
39.本实施例中注射泵1、注射针管2、电纺针头5及与电纺针头5连接的导管为特氟龙、铁氟龙、硅胶或塑料材料。
40.本实施例包括有升降固定架，附图未显示，电纺针头5和聚焦加热光源6固定在升降固定架上，电纺针头5位于单元收集板7上方1
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10cm处且高度可调。聚焦加热光源6位于电纺针头5侧上方，距离收集板72
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20cm且高度可调。聚焦照射光源9位于收集板7下方1cm，其位置相对于精密位移控制平台8和电纺针头5固定，聚焦照射光源9与电纺针头5空间位置竖直对应。高压电源4可以正极连接电纺针头5、负极连接光敏阵列单元收集板7，也可以正负极对换。
41.如图4所示，层叠结构制备过程为：注射针管2中通入需要喷印的材质，根据应用的需求可为高分子聚合物改性的压电材料、导电材料、电容材料等，调整注射泵1为电纺针头5设置内针头供液速度，同时打开鞘气装置3的控制阀32、高压电源4和聚焦加热光源6，高压电源4为电纺针头5和收集板7之间提供稳定电场，在电场的作用下，电纺针头5的内针头试剂在电场力的作用下形成泰勒锥并呈纤维状喷印在收集板7上。与此同时，鞘气装置3为电纺针头5提供鞘气，形成稳定的鞘气通道，加速电纺纤维中溶剂的挥发，并保持电纺纤维垂直稳定喷射，在喷射过程中聚焦加热光源6为纤维提供定点加热，加速溶剂挥发，使喷印纤维快速固化成形。在光敏阵列单元收集板7收集电纺纤维的过程中，精密位移控制平台8控制收集板7的位移，从而控制喷印的图形，同时收集板7上的光敏收集单元71受到聚焦照射光源9的照射，阵列化的光敏收集单元71逐渐变为导通状态，实现点对点收集。在该实施例中精密位移平台控制位移速度稳定，在单一喷印纤维成形收集后型，精密位移控制平台8的控制作用下往复运动，从而实现层叠喷印机构的成形。
42.如图5所示，定点堆叠结构制备的过程为，精密位移平台控制收集板7位移并保持单一光敏收集单元71始终位于电纺针头5的正下方，与此同时，聚焦照射光源9将该光敏收集单元71导通，始终保持单一光敏收集单元71接收喷印材料，在电场力的作用下，喷印材料将在单个收集单元上堆叠，在聚焦加热光源6的加热作用下，喷印纤维快速成型，提高了层
叠堆积的稳定性，通过点对点加热和点对点收集的方法，实现了定点堆叠结构的制备。
43.如图6中，悬空结构制备过程为，首先由精密位移控制平台8在收集板7的最左侧光敏收集单元71和最右侧光敏收集单元71进行点对点层叠结构快速喷印，随后控制收集板7回归到最左侧单元，在该过程中关闭高压电源4，喷印停止，将最左侧喷印的堆叠结构正对于电纺针头5下方时，打开高压电源4，开始喷印，收集板7向左侧移动，到右侧堆叠结构上方时停止，通过该种办法可以在左右两侧堆叠结构上喷印悬空的纤维，实现悬空结构的制备。
44.本实用新型中，利用了鞘气装置3、激光加热的方式加速电纺过程中溶剂的挥发，保障了喷印图案的快速成型，可快速进行多层微纳结构的喷印制造；同时，鞘气装置3和精密位移控制平台8的稳定控制，保障了微纳喷印制造中的精度；收集板7上阵列的光敏收集单元71的设计，实现了点对点喷印接收，提高了喷印精度，同时使得复杂微纳结构例如单点堆叠结构、悬空结构快速喷印成为了可能。通过本实用新型可实现快速微纳喷印制造以及多层微纳结构层叠喷印制造，在柔性传感器、柔性电子、仿生皮肤等领域具备一定应用前景。
45.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
或“包含
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
46.尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利保护范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围之内。