一种流体直写装置的制作方法

本发明涉及一种流体直写装置，特别是涉及一种不仅限于电纺、喷印、直写和3D打印等领域等的连续高精度流体直写装置。

背景技术：

当前电子产业的发展越来越迅速，而一些柔性电子产品的制造技术也越来越多的受到人们的关注。而纳米纤维具有良好的表面效应、小尺寸效应等优点，可广泛用于一些柔性电子领域，因此纳米纤维的制备方法也成为人们关注的焦点。1934年，Formhals发明了一种利用静电斥力来产生纤维的装置，被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。静电纺丝是利用静电场作用于粘弹性流体产生纺丝射流,带电纺丝射流经电场力拉伸，经过挥发和固化最终形成纳米纤维。而基于近场静电纺丝(near field electro spinning,NFES)的电纺直写技术利用电纺过程中直线稳定射流的优点,实现了单根纳米纤维的有序沉积。

如今使用静电纺丝技术制备纳米纤维的技术已经十分成熟，针对静电纺丝的各种装置也层出不穷。但是目前大部分的静电纺丝的供液方式都是使用注射泵，这种方式使得供液响应速度较慢，具有一定的滞后性，供液速度不稳定。而且直写纤维直径随着溶液浓度的增加而增加，当溶液浓度较大时无法产生射流(郑高峰,王凌云,孙道恒.基于近场静电纺丝的微/纳米结构直写技术[J].纳米技术与精密工程,2008,6(1):20-23.)。传统的空心针头进行直写时，由于对溶液和电场的约束力较小，受电荷力、不均匀电场力的作用会产生波动，射流的稳定性不好，影响直写精度。郑高峰等人发明了一种近场气流电纺直写装置，利用气体聚焦中气流从射流孔周围以层流状态喷射到环境中，提高了射流运动的稳定性(郑高峰,王伟,何广奇,等.一种近场气流电纺直写装置,CN103409819A[P].2013.)，但是此种方式很难对气流的大小和方向进行控制，因此对射流和电场的约束并不是很稳定。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有流体直写供液响应慢、高浓度溶液不易喷射、射流不稳定等问题，提供喷头系统中的内嵌毛细圆管可增加溶液运输的稳定性，使溶液剪切变稀更加充分，可直写流体粘度更高，可通过控制转速来定量调控溶液输运，响应速度快；旋转针芯喷头能有效对针尖溶液进行约束，提高射流稳定性和精确性的一种流体直写装置。

本发明设有喷头、喷头夹具、滑台、导管、旋转针芯、钻夹头、绝缘连接杆、伺服电机、固定板、直流电源、收集装置、对中块、毛细圆管；

所述毛细圆管嵌入喷头的微孔中，在喷头的内腔加入纺丝液；对中块和喷头配合后嵌入导管，导管由喷头夹具固定，喷头夹具固定于滑台上，用于微调针尖伸出距离；滑台固定于固定板上；旋转针芯穿过毛细圆管并用钻夹头夹紧，钻夹头通过绝缘连接杆与伺服电机联接，伺服电机固定在固定板上；收集装置置于喷头下方，收集装置与地线连接；伺服电机带动旋转针芯转动，使得溶液汇流于针尖上并在直流电源产生的电场力作用下产生射流，经过溶剂挥发和固化沉积在收集装置上。

所述毛细圆管嵌入喷头内的长度可为1mm，毛细圆管在喷头端伸出长度可为0～5mm；

所述喷头内部为储液腔，喷头上部设有加液口，喷头下部设有一个锥形凸起，喷头中心设有一个微孔，用于嵌入毛细圆管；毛细圆管的嵌入使得流体剪切变稀的更充分，溶液运输更加稳定，更利于电纺直写；对中块的设计使得旋转针芯更加稳定；高精度钻夹头使得针芯的对中精度提高；连接杆选择的是绝缘材料，以防止当加载高压直流电压时造成伺服电机的击穿；伺服电机给针芯提供动力来源，可精确控制针芯转速；滑台可调控针尖伸出的长度，以利于直写时参数的调节；喷头由夹具固定在滑台上，进而通过调节喷头的位置实现针尖的伸出长度；收集装置置于喷头的下方，收集装置的位置可调，并连接高压电源以与储液装置之间形成电场。

本发明的伺服电机带动针芯旋转，用于流体汇流于针尖，在强电场作用下，实现流体直写。针尖伸出的长度可以通过调节滑台进行微调。喷头和对中块不仅仅限于3D打印制造，也可以采用其它加工方法。喷头和对中块的材料可以是金属，也可以是非金属。针芯和毛细圆管的尺寸可以根据需要自行设计，具体取决于转速和溶液特性，材料可以是金属或者非金属。

本发明可实现连续供液，克服了传统静电纺丝中喷嘴清洗困难及喷嘴易堵等缺点，利用剪切作用使得溶液粘度降低，更易形成射流，提高直写流体的粘度适用范围。旋转针芯喷头相比带针芯喷头更能对针尖部分溶液和电场进行约束，提高射流稳定性；通过针芯转速快速定量控制流量；另外，旋转针芯也有助于提高直写微纳结构的定位精度和稳定性。可见，本发明实现了流体连续、定量和快速响应，直写更加精确稳定。

附图说明

图1是本发明的主视装置示意图。

图2是本发明的左视装置示意图。

图3是本发明的喷头系统剖视图。

图4是图3中部分A的放大示意图。

图5是图3中部分B的放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1～5，本发明实施例设有喷头1、喷头夹具2、滑台3、导管4、旋转针芯5、钻夹头6、绝缘连接杆7、伺服电机8、固定板9、直流电源10、收集装置11、对中块12、毛细圆管13；所述毛细圆管13嵌入喷头1的微孔中，在喷头1的内腔加入纺丝液；对中块12和喷头1配合后嵌入导管4，导管4由喷头夹具2固定，喷头夹具2固定于滑台3上，滑台3固定于固定板9上；旋转针芯5穿过毛细圆管13并用钻夹头6夹紧，钻夹头6通过绝缘连接杆7与伺服电机8联接，伺服电机8固定在固定板9上；收集装置11置于喷头1下方，收集装置11与地线连接；伺服电机8带动旋转针芯5转动，使得溶液汇流于针尖上并在直流电源10产生的电场力作用下产生射流，经过溶剂挥发和固化沉积在收集装置11上。

以下给出本发明的电纺直写步骤：

使用注射器把8％PEO从喷头1加液口注入内腔，调节滑台控制针尖的伸出长度为预设值。控制针尖与收集装置的距离为2～3mm，启动电机，将其转速调至预设值，然后启动直流电源，慢慢加电压，直到喷嘴形成泰勒锥且有射流形成，射流经过电场的拉伸，溶剂的挥发，最终沉积在收集装置硅片上。