[发明专利]一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝技术领域。

背景技术

静电纺丝装置是一种利用静电力制备超细纤维的装置，一台静电纺丝装置应该由直流高压电源、物料供给装置、喷头和接收装置几个部分构成。首先将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管末端形成Taylor锥。当电场力足够大时，聚合物液滴在毛细管末端形成的Taylor锥液滴克服表面张力形成喷射细流。在静电纺丝过程中，液滴通常具有一定的静电压，并处于一个电场当中，因此，当射流从毛细管末端向接收装置运动时，都会出现加速现象，从而导致了射流在电场中的拉伸。射流在空气中急速振荡和鞭动，不断拉伸细化，同时因溶剂挥发或熔体热量散失而使射流固化，最终沉降在接收装置上，得到类似非织造布状纳米或微米级超细纤维。

具有特定排列结构的纤维能作为细胞培养的支架、制备具有特殊性能的膜材料、在微/纳机电系统零件中具有广泛的应用，例如特定细胞的取向生长依赖于取向性纤维结构；因此需要织构出纤维的多种拓扑结构，但是目前缺乏对于微细纤维的操控技术，已经开发的技术如3D打印技术中的熔积成型技术其制备的熔丝直径大多数在数十微米到数百微米，而其他技术如自组装、相转换等技术制备效率低下，目标拓扑结构单一，且缺乏灵活性。因而，静电纺丝技术作为快速制备微/纳米纤维的一种方法，最有优势，通过技术改进，实现对纤维落点进行快速精确控制，以制备特定拓扑结构的纤维制品。已有的专利“一种结合静电纺丝技术的快速成型方法及装置(CN101837642A)”，虽然该发明接收装置在三个维度变化，但还是不能解决纤维鞭动导致的局部沉积不可控的问题，不能形成落点精确可控的纤维制品。“一种微量物料的静电纺丝装置(201220629650.9)”专利，能实现向左、向上、向下三个方向的纺丝，但也无法实现纤维沉积点可控。

常规的静电纺丝装置存在一个很大的问题就是纤维沉积点不可控，制备的纤维是随机的无纺结构。因此，需要提出一种静电纺丝装置，来实现为对纤维射流沉积点可控的目的，从而实现由模型输入决定特定拓扑结构纤维的制备。所以开发纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，用来制备特殊用途的拓扑纤维结构成为必要。

发明内容

本发明提出利用控制微分阵列点电极开关来改变微分阵列电极带电情况，达到电场控制的目的，从而使纺出的纤维落点可控，然后形成软件预定的三维拓扑结构的取向排列纤维。

实现上述目的的技术方案是，一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，主要包括接收平台、微分阵列电极单元、阵列电极托台、高压静电发生器、毛细管、喷嘴、支架、给料装置、通断转换器及计算机控制系统，微分阵列电极单元置于接收平台正下方5-10mm，而接收平台放置于纺丝喷头正下方70-110mm，即纺丝喷头正下方放置接收平台，接收平台正下方放置微分阵列电极单元。阵列电极以阵列形式置于一块绝缘的托台上，阵列电极单元安装在阵列电极托台上，每个阵列电极由n×m个阵列电极单元组成，n和m为大于2的整数，n和m的值越大说明电极越多，沉积可控的点越多，阵列电极托台安装在支架靠近下部的位置；阵列电极通过通断转换器与计算机控制系统及高压静电发生器连接；给料装置固定在支架上端的中间部位，毛细管与喷嘴相连并接地，毛细管安装在给料装置的下端，毛细管轴向中心位于接收平台正上方。将需要得到的纤维沉积形状轮廓进行程序编码并存于计算机控制系统中，由计算机控制系统发送给通断转换器来控制阵列电极带电情况，从毛细管末端喷出的带电纺丝介质喷射流沿着直线路径飞向带电阵列电极，由于接收平台的阻挡，喷射流就会堆积在接收平台上，实现纤维的沉积可控。由于在静电场下产生的纺丝介质的喷射流可以达到微米级或纳米级，所以由此方法可制备出极微小的精密制品。

本发明一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，给料装置可以是螺杆式的结构，主要包括料筒、料斗、转动控制装置、螺杆、加热器和温度传感器，纺丝介质从料斗加入到料筒中，转动控制装置带动螺杆转动将纺丝介质均匀地挤入到喷嘴，经喷嘴前端的毛细管流出，毛细管和喷嘴采用锥面配合，喷嘴与料筒采用螺钉连接。在料筒外侧包覆加热器，温度传感器安装在料筒上。给料装置亦可以是柱塞式的结构，主要包括料筒、柱塞、微位移驱动器、加热器和温度传感器，将定量的纺丝介质加入到料筒中，柱塞放置于料筒中作用在纺丝介质上，微位移驱动器带动柱塞使其在料筒内移动，柱塞通过微位移驱动器的控制使纺丝介质经由喷嘴和毛细管流出，在料筒外侧包覆加热器，在料筒上安装温度传感器。