一种熔体静电纺丝直写装置及方法与流程

本发明属于静电纺丝领域，具体涉及一种熔体静电纺丝直写装置及方法。

背景技术：

熔体静电纺丝直写技术是一种新兴的增材制造技术，它的原理是利用静电力来拉伸聚合物熔体通过三维移动平台诱导沉积来制备高度有序的微/纳米纤维结构。该方法可以制备各种特定图案和排列样式的微/纳米纤维。与溶液静电纺丝直写技术相比，这种方法不需要有毒溶剂，最终制得的制品无毒，并且纺丝过程中不存在溶剂挥发，可以有效提高材料的利用率。与普通的3d打印技术相比，这种方法的制品分辨率更高，可以达到微米甚至纳米级。所以广泛应用在组织工程、微机电、柔性电子等领域。

在熔体静电纺丝直写装置中，因为要将高分子材料加热熔融，所以加热装置至关重要。现有的熔体静电纺丝直写装置中，加热方式主要有：加热套加热(cn201310011120.7)，水浴加热(ristovskin,bockn,liaos,etal.improvedfabricationofmeltelectrospuntissueengineeringscaffoldsusingdirectwritingandadvancedelectricfieldcontrol[j].biointerphases,2015,10(1):011006.)、两级加热(wunnerfm,florczaks,mieszczanekp,etal.5.13electrospinningwithpolymermelts–stateoftheartandfutureperspectives[j].comprehensivebiomaterialsii,2017:217-235.)等。对于加热套加热来说：纺丝针头的热量只能靠热传递来获取，这种方法热能损耗大，同时要使针尖温度达到熔融温度，料筒内温度过高，时间长易出现高聚物降解的问题。同时，如果没有绝缘材料保护，不能在纺丝针头端直接加载正电压或负电压。对于水浴加热来说：加热温度最高只能达到100℃，这无疑限制了可加工聚合物的种类。同时还有学者提出两级加热的方式，通过在纺丝针头和料筒中间增加绝缘材料，使料筒区和纺丝针头区分别加热。这种加热方式可以更精确地控制纺丝针头的温度，但同时也增加了装置的复杂性，增加制造成本的同时也增加了其他的不可控因素。

同时，在熔体静电纺丝直写装置中，由于电荷的积累和排斥作用，使得新打印射流的落点受到已沉积纤维电荷排斥的影响，从而造成打印精度不稳定，层高有限的问题(browntd,daltonpd,hutmacherdw.directwritingbywayofmeltelectrospinning[j].advancedmaterials(deerfieldbeach,fla.),2011,23(47):5651-5657)。发明专利“电纺直写闭环控制方法”(zl201710620100.8)提出利用视觉检测技术根据射流行为以及微纳结构形貌位置做出实时判断，并分别调控电压和运动平台速度，来提高直写射流稳定性、微纳结构均匀性和沉积精度。该方法一定程度上可以提高沉积精度并增加打印高度，但同时也增加了控制系统的复杂性，同时没有解决已沉积纤维中电荷积累对下落射流的静电排斥问题。

所以，有必要建立一个高效、简单、节能的加热装置，使得料筒加热装置简单、安全可靠，并且希望通过灵活的加载电压方式来减少电荷积累，从而优化熔体静电纺丝直写打印装置，提高沉积精度和打印高度，使其应用更加广泛。

技术实现要素：

本发明针对现有的熔体静电纺丝直写装置的上述不足，提出了一种熔体静电纺丝直写装置及方法。其中加热装置采用电磁加热圈加热的方式，可以有效地提高加热效率，并简化料筒的结构。这种加热方式解决了加热高聚物时，电热片、电阻加热圈、水浴加热等通过热传导方式加热产生的热效率低下的问题。当采用电磁加热的加热方式后，不需要绝缘材料保护纺丝针头，便可在纺丝针头端直接加载正电压、负电压、零电压，通过软件设定使纺丝针头和接收板交替加载正电压、负电压、零电压等灵活的加载电压方式，来有效地中和打印过程中已沉积纤维中的电荷积累，减小已沉积纤维对下落纤维的静电排斥，从而提高熔体静电纺丝直写的打印高度和沉积精度。

本发明所采用的技术方案是：一种熔体静电纺丝直写装置，包括：耐高温绝缘板i、红外测温仪、显微镜视觉检测仪、计算机、ccd射流观测系统、耐高温绝缘板ii、绝缘支架、x方向导轨、z方向导轨、y方向导轨、接收板、纺丝针头、高压静电发生器、电磁加热圈、料筒、空气压缩机和导管；其中料筒、电磁加热圈通过螺栓连接固定在耐高温绝缘板i上，红外测温仪通过绝缘螺栓固定在耐高温绝缘板上i，在x方向导轨上通过螺纹连接安装可调节高度的绝缘支架，并在绝缘支架上通过绝缘螺栓连接安装接收板和耐高温绝缘板ⅱ，ccd射流观测系统固定在耐高温绝缘板ⅱ上，用于观察射流的运动行为，可调角度的显微镜视觉检测仪通过旋转轴连接在耐高温绝缘板i上，用于观测接收板上已沉积的纤维的结构形貌和位置，通过空气压缩机向料筒内施加一定的气压来调节挤出速率，纺丝针头与料筒的连接采用螺纹连接，方便纺丝针头的更换，将ccd射流观测系统和显微镜视觉检测仪通过控制元件接到计算机端，显示射流的运动行为以及纤维的结构形貌和位置。同时在纺丝针头端可直接加载正电压(负电压、零电压)，接收板端可加载负电压(零电压、正电压)，使纺丝针头端和接收板端之间形成高压静电场。每打印1～n层(n≤10)，通过软件设定，使纺丝针头端和接收板端的电压极性变为与前一次加载的电压极性相反，采用这种交替加载正、负电压的方法来有效地中和打印过程中已沉积纤维的电荷积累，减小已沉积纤维对下落纤维的静电排斥，从而提高熔体静电纺丝直写制品的打印高度和沉积精度。

ccd是电荷耦合器件(chargecoupleddevice)的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化。ccd是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。

本发明一种熔体静电纺丝直写装置，其装置中的测温装置红外测温仪，可以是其他的非接触测温装置。如光电探测器、红外热像仪等。非接触测量料筒的温度，并通过控制元件与电磁加热圈相连便于调节料筒和纺丝针头的加热温度。

本发明一种熔体静电纺丝直写装置，其装置中的接收板，可以是黄铜、铝、导电玻璃等导电材料。

本发明一种熔体静电纺丝直写装置，其对应的操作方法为：

第一步，打开电磁加热圈加热电源，将料筒加热到一定温度；

第二步，温度到位后，在料筒内加入适量的热塑性高分子材料；

第三步，待加热一定时间，物料充分融化后，在纺丝针头端加载正电压(负电压、零电压)，接收板端加载负电压(零电压、正电压)，并利用空气压缩机向料筒内施加一定大小的压力来调节合适的挤出速率；

第四步，控制纺丝针头在非打印区停留，利用ccd射流观测系统，观察到射流稳定、细度均匀后，控制三维运动平台开始按提前编写好的运动路径运动，在打印区接收沉积纤维，利用显微镜视觉检测仪，观察接收板上已沉积的纤维的结构形貌。待接收到一定层数时，在程序中设定使纺丝针头移动到非打印区，利用控制系统软件设定改变加载电压的极性，使纺丝针头端加载负电压(零电压、正电压)，接收板端加载正电压(负电压、零电压)。再次停留一定时间，利用ccd射流观测系统，观察到射流稳定、细度均匀后，软件设定回到打印区，开始继续运动，接收沉积纤维。如此交替沉积；

第五步，待设定的路径完成之后，关闭所有电源，从接收板上取下已沉积纤维，裁剪自己所需要的纤维形状。

与现有的技术相比，本发明的优点是：

1.采用电磁加热圈加热装置，安全可靠、加热效率高，简化了料筒的结构设计，便于更精确地控制纺丝针头的温度。

2.采用电磁加热圈加热装置时，由于是靠料筒表面产生感应涡流的方式加热，不需要绝缘材料的保护便可以在纺丝针头端直接加载正电压和负电压，可通过软件设定在纺丝针头端交替加载正电压、负电压、零电压与接收板之间形成高压静电场，从而有效地中和掉接收板上已沉积的电荷，减小已沉积纤维对下落纤维的静电排斥，提高纤维打印高度和沉积精度，扩大制品的应用范围。

附图说明

图1为本发明一种熔体静电纺丝直写装置结构示意图；

图2为电磁加热圈加热部分示意图；

图3为打印区和非打印区示意图。

图中：1-耐高温绝缘板i；2-红外测温仪；3-显微镜视觉检测仪；4-计算机；5-ccd射流观测系统；6-耐高温绝缘板ii；7-绝缘支架；8-x方向导轨；9-z方向导轨；10-y方向导轨；11-接收板；12-纺丝针头；13-高压静电发生器；14-电磁加热圈；15-料筒；16-空气压缩机；17-导管；11-1非打印区；11-2打印区。

具体实施方式

本发明所述的一种熔体静电纺丝直写装置，如图1所示，其主要包括：耐高温绝缘板i1、红外测温仪2、显微镜视觉检测仪3、计算机4、ccd射流观测系统5、耐高温绝缘板ii6、绝缘支架7、x方向导轨8、z方向导轨9、y方向导轨10、接收板11、纺丝针头12、高压静电发生器13、电磁加热圈14、料筒15、空气压缩机16和导管17。其中料筒15、电磁加热圈14通过螺栓连接固定在耐高温绝缘板i1上。红外测温仪2通过绝缘螺栓固定在耐高温绝缘板上i1，非接触测量料筒15的温度。在x方向导轨8上通过螺纹连接安装可调节高度的绝缘支架7，并在绝缘支架7上通过绝缘螺栓连接安装接收板11和耐高温绝缘板ⅱ6。ccd射流观测系统5通过螺栓连接固定在耐高温绝缘板ⅱ6上。可调角度的显微镜视觉检测仪3通过旋转轴连接在耐高温绝缘板i1上。通过空气压缩机16向料筒15内施加一定的气压来调节挤出速率。纺丝针头12与料筒15的连接采用螺纹连接。将ccd射流观测系统5和显微镜视觉检测仪3通过控制元件接到计算机4，便于显示射流的运动行为以及纤维的结构形貌和位置。

其中一种实施例如下：

1.打开电磁加热圈电源，将料筒加热到120℃。

2.温度到位后，在料筒内加入适量的提前干燥好的医用级pcl(重均分子量mw＝50000)。

3.加热5分钟，待物料充分融化后，利用高压静电发生器在纺丝针头端加载正电压，接收板端加载负电压，利用外置的空气压缩机向料筒内施加25psi的压力。

4.控制纺丝针头在非打印区停留，利用ccd射流观测系统，观察射流的运动，待纺丝针头端射流稳定、细度均匀后，控制三维运动平台开始按提前编写好的运动路径运动，在打印区接收沉积纤维，利用显微镜视觉检测仪，观察接收板上已沉积的纤维的结构形貌。当接收到10层后，在程序中设定纺丝针头移动到非打印区，利用控制系统软件设定改变加载电压的极性，使纺丝针头端加载负电压，接收板端加载正电压。利用ccd射流观测系统，观察射流的运动，待纺丝针头端射流稳定、细度均匀后，软件设定移动回到打印区，开始继续运动，接收沉积纤维，如此交替沉积。

5.待设定的路径完成之后，关闭所有电源，从接收板上取下已沉积纤维，裁剪自己所需要的纤维形状。