一种熔体静电纺丝直写装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种熔体静电纺丝直写装置和方法。装置中加热方式采用了电磁加热圈加热的形式，提高了加热效率，从根本上解决了传统的熔体静电纺丝直写装置中，电热片、电阻加热圈、水浴加热等加热方式通过热传导的形式加热高聚物的热损失大、热效率低下的问题。本发明专利技术提出了一种新的加载电压方法，由于加热装置不接触金属料筒，纺丝针头可直接加载正电压和负电压，与接收板形成高压静电场。打印一定层数后，通过软件设定交替改变纺丝针头和接收板上加载的电压极性，有效地中和打印过程中已沉积纤维中的电荷积累，减小对下落纤维的排斥，从而增加熔体静电纺丝直写的打印层数。这有利于熔体静电纺丝直写装置打印的微纳制品进一步应用。

A Melt Electrospinning Direct Writing Device and Method

【技术实现步骤摘要】
一种熔体静电纺丝直写装置及方法
本专利技术属于静电纺丝领域，具体涉及一种熔体静电纺丝直写装置及方法。
技术介绍
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)。专利技术专利“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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种熔体静电纺丝直写装置，其特征在于：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，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，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，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；在纺丝针头端和接收板端间接电压，使纺丝针头端和接收板端之间形成高压静电场。

【技术特征摘要】
1.一种熔体静电纺丝直写装置，其特征在于：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，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，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，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；在纺丝针头端和接收板端间接电压，使纺丝针头端和接收板端之间形成高压静电场。2.根据权利要求1所述的一种熔体静电纺丝直写装置，其特征在于：每打印1～n层，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。3.根据权利要求1所述的一种熔体静电纺丝直写装置，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李好义，陈琪琪，李相男，焦志伟，丁玉梅，谭晶，马东明，杨卫民，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11