用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统及方法，通过调整静电纺丝装置中附有绝缘膜的导电接收板、金属针头、连接接地导线的导电板之间的距离以及通过接收板的来回移动，固定在整个静电纺丝装置一端的静电笔消除已沉积纤维表面的残留电荷从而打印出垂直于电场方向致密平面的静电纺丝方法。由于真正意义的3D打印是在原有的致密平面上重复堆积得到的，因此本发明专利技术实现的打印出垂直于电场方向致密平面的静电纺丝方法对于实现真正意义的3D打印奠定了基础。本发明专利技术具有制备方法简单，易于获得打印出垂直于电场方向静电纺丝纤维致密平面、且成本低、通用性强，可适用于各种环境友好型聚合物。

Electrostatic spinning system and method for printing dense plane perpendicular to electric field direction

The invention relates to an electrostatic spinning system and method for printing a compact plane perpendicular to the electric field. By adjusting the distance between a conductive receiving plate, a metal needle, a conductive plate connected to the grounding wire in an electrostatic spinning device, and a return movement through the receiving plate, it is fixed to the entire electrostatic spinning assembly. An electrostatic pen at one end eliminates the residual charge on the surface of the deposited fiber and prints the electrospinning method perpendicular to the dense plane of the electric field. Because the true meaning of 3D printing is accumulated on the original compact plane, the method of printing out the electrostatic spinning of the compact plane perpendicular to the electric field lays the foundation for the realization of the true meaning of 3D printing. The invention has the advantages of simple preparation method, easy to print out the compact plane of electrostatic spinning fiber perpendicular to the electric field, low cost and strong generality, and can be applied to various environment-friendly polymers.

【技术实现步骤摘要】
用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统及方法
本专利技术属于打印静电纺丝装置及方法，涉及一种用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统及方法。
技术介绍
静电纺丝技术制备纤维是最早于1934年由Formhal专利技术的一种通过高压静电使人造蚕丝胶体溶液带电来制备蚕丝蛋白的专利中提出的。随后，人们发现静电纺丝技术已经成为一种切实可行的获得超细纤维的方法，采用静电纺丝法生产的纤维具有较高的比表面积、加工工艺简单、原料来源广泛等优点。静电纺丝技术的基本原理是：聚合物液滴(熔融状态或者溶液状态)在高压电场作用下，针头处的液滴由球形被拉伸成圆锥形(即形成泰勒锥)，随后在圆锥尖端延展并最终沉积至接收板上形成纤维。通常，通过调节静电纺丝参数可制备出纳米尺度的纤维，且纤维直径尺寸一般在1-100nm之间。静电纺丝技术生产的纳米纤维由于聚合物原料自身优良的生物相容性和可降解性广泛应用于药物缓释、伤口敷料、化妆品、再生医学、仿生材料、生物传感器、生物支架、高效过滤膜、电池隔膜等领域。纳米纤维3D打印是增材技术制造的发展前沿，但已有的静电纺丝技术，只能实现平行于电场方向的二维平面或曲面的打印，还不能完全实现真正意义的3D打印。现有的静电纺丝技术由于所需聚合物的半导体性质，在静电纺丝过程中，正在飞向接收板的静电纺丝纤维与已沉积在接收板上的纤维之间存在相互作用(或吸引或排斥)，难以制备平行于接收板的致密平面，导致实现真正意义的3D打印存在挑战。但是，这种平面或曲面的打印，仅仅是实现了纤维在2D方向的堆积，并非实现真正意义的3D物体。真正意义的3D打印，应该是逐层堆积，即实现垂直于电场方向的致密平面的打印，并以此为基础，逐层堆积出3D物体。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统及方法，通过调整静电纺丝装置中金属针头、附有绝缘膜的导电接收板、以及连接接地导线的导电板之间的位置关系，以及在随后的静电纺丝过程中，利用引入的静电笔消除沉积在绝缘膜表面的残余电荷来实现打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝纤维。静电纺丝过程中射流主要有三个状态：形成泰勒锥阶段、直线稳定阶段、不稳定阶段三个部分。技术方案一种用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统，包括推注泵1、控温仪2、注射器3、金属针头6和导电板10；其特征在于：还包括高压电源5、表面附有绝缘膜的导电接收板7和XYZ运动控制器9；表面附有绝缘膜的导电接收板7置于金属针头6与导电板10之间，表面附有绝缘膜的导电接收板7上设有XYZ运动控制器9，高压电源5的正极与金属针头6相连接，负极通过地线与导电板10相连接；所述表面附有绝缘膜的导电接收板7与导电板10为平行设置。在表面附有绝缘膜的导电接收板7的一端设有消除静电的静电笔8。所述金属针头与导电板之间的距离为15～20cm，金属针头与接收板之间的距离为0.5～1cm。所述导电接收板和导电板采用铝板、铜板或半导体硅片；所述铝板的K＝35.34Ω·m；所述铜板的K＝58.14Ω·m。所述导电接收板表面的绝缘膜采用有机薄膜：定向聚丙烯、聚酰亚胺或聚四氟乙烯。所述导电接收板表面的绝缘膜采用无机薄膜：氧化硅、氮化硅、氧化铝或氮化铝。一种利用所述任一项用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统进行静电纺丝的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将预先处理好的熔融/溶液状态的聚合物原料装入注射器3中，根据设计需求选择金属针头，利用XYZ运动控制器9调整附有绝缘膜的导电接收板7与导电板10之间的距离，使得在整个静电纺丝过程中，金属针头和附有绝缘膜的导电接收板之间的距离始终保持0.5～1cm，金属针头和连接接地导线的导电板之间的距离保持20cm，且在整个静电纺丝过程中，保持附有绝缘膜的导电接收板和连接接地导线的导电板之间平行；步骤2：通过高压电源在金属针头和导电板形成高压电场，通过推注泵对液体的挤压，在金属针头处形成液滴，液滴在高压电场作用下被拉伸，沉积在导电接收板绝缘膜的表面；整个过程中XYZ运动控制器上按照设计的运行程序，控制附有绝缘膜的接收板7的运动完成一次静电纺丝过程，XYZ运动控制器回到起点，依次循环直至完成整个3D物体的静电纺丝过程；所述高压的电压小于20千伏；所述附有绝缘膜的接收板7的温度低于打印的静电纺丝原料的熔点；使沉积到接收板上的纳米纤维迅速固化，并且可以与已形成的纳米纤维紧密结合而不至于破坏上层纤维。在整个静电纺丝过程中，控制静电纺丝环境的温度为室温(20-25℃)，相对湿度保持在25％-35％之间；所述金属针头与附有绝缘膜的导电接收板的相对运动速度为0.5-5mm/min；所述推注泵的推注速率为0.5-3mL/h。在整个静电纺丝过程中，将高压电源的正极与金属针头相连接，将高压电源的负极与导电板相连接，高压的电压小于20千伏；使其在金属针头和导电板之间形成高压电场。通过推注泵对液体的挤压，在金属针头处形成液滴，液滴在高压电场作用下被拉伸，沉积在导电接收板绝缘膜的表面。已沉积的静电纺丝纤维和导电接收板被绝缘层隔开，有利于静电纺丝纤维的精准而有序的沉积。将静电笔固定于整个静电纺丝装置的一端，随着接收板的来回移动，沉积在附有绝缘膜的导电接收板表面纤维的残余电荷被静电笔吸附消除，使得已沉积的静电纺丝纤维不影响金属针头和导电板之间的电场，从而使静电纺丝纤维可以均匀地紧密地排列在绝缘层表面且有利于下一次循环中静电纺丝纤维的附着。所述聚合物包括聚己内酯PCL、聚丙烯腈PAN、聚苯乙烯PS、聚乙烯醇PVA、聚乳酸PLA、聚氨酯PU、聚乙烯PE或聚丙烯PP。所述熔融/溶液状态的聚合物采用有机溶剂，利用溶液法使得聚合物形成熔融/溶液状态。所述有机溶剂为六氟异丙醇、甲酸、甲醇、四氢呋喃或丙酮。有益效果本专利技术提出的一种用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统及方法，为实现真正意义的3D打印做了铺垫，提出了一种通过调整静电纺丝装置中附有绝缘膜的导电接收板、金属针头、连接接地导线的导电板之间的距离以及通过接收板的来回移动，固定在整个静电纺丝装置一端的静电笔消除已沉积纤维表面的残留电荷从而打印出垂直于电场方向致密平面的静电纺丝方法。由于真正意义的3D打印是在原有的致密平面上重复堆积得到的，因此本专利技术实现的打印出垂直于电场方向致密平面的静电纺丝方法对于实现真正意义的3D打印奠定了基础。本专利技术具有制备方法简单，易于获得打印出垂直于电场方向静电纺丝纤维致密平面、且成本低、通用性强，可适用于各种环境友好型聚合物。本专利技术的主要优势在于通过控制静电纺丝过程，使静电纺丝纤维能够在稳定阶段沉积在附有绝缘膜的导电接收板的表面，随后随着接收板的来回移动，固定在装置一端的静电笔消除已沉积静电纺丝纤维表面残余电荷从而达到静电纺丝纤维能够在垂直于电场的方向精确沉积。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术无需另外增加大型静电纺丝设备，只需调整附有绝缘膜的导电接收板、金属针头、连接接地导线的导电板之间的相对位置，以及通过引入一根静电笔就能为实现真正意义3D打印做出铺垫。本专利技术可以通过设置接收板的运行程序同时结合静电笔作用生产出不同形貌的3D物体前体。本专利技术也可以根据实际需求，设置静电纺丝过程的各个参数(如：接收板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统，包括推注泵(1)、控温仪(2)、注射器(3)、金属针头(6)和导电板(10)；其特征在于：还包括高压电源(5)、表面附有绝缘膜的导电接收板(7)和XYZ运动控制器(9)；表面附有绝缘膜的导电接收板(7)置于金属针头(6)与导电板(10)之间，表面附有绝缘膜的导电接收板(7)上设有XYZ运动控制器(9)，高压电源(5)的正极与金属针头(6)相连接，负极通过地线与导电板(10)相连接；所述表面附有绝缘膜的导电接收板(7)与导电板(10)为平行设置。

【技术特征摘要】
1.一种用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统，包括推注泵(1)、控温仪(2)、注射器(3)、金属针头(6)和导电板(10)；其特征在于：还包括高压电源(5)、表面附有绝缘膜的导电接收板(7)和XYZ运动控制器(9)；表面附有绝缘膜的导电接收板(7)置于金属针头(6)与导电板(10)之间，表面附有绝缘膜的导电接收板(7)上设有XYZ运动控制器(9)，高压电源(5)的正极与金属针头(6)相连接，负极通过地线与导电板(10)相连接；所述表面附有绝缘膜的导电接收板(7)与导电板(10)为平行设置。2.根据权利要求1所述用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统，其特征在于：在表面附有绝缘膜的导电接收板(7)的一端设有消除静电的静电笔(8)。3.根据权利要求1所述用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统，其特征在于：所述金属针头与导电板之间的距离为15～20cm，金属针头与接收板之间的距离为0.5～1cm。4.根据权利要求1所述用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统，其特征在于：所述导电接收板和导电板采用铝板、铜板或半导体硅片；所述铝板的K＝35.34Ω·m；所述铜板的K＝58.14Ω·m。5.根据权利要求1所述用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统，其特征在于：所述导电接收板表面的绝缘膜采用有机薄膜：定向聚丙烯、聚酰亚胺或聚四氟乙烯。6.根据权利要求1所述用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统，其特征在于：所述导电接收板表面的绝缘膜采用无机薄膜：氧化硅、氮化硅、氧化铝或氮化铝。7.一种利用权利要求1～6所述任一项用于打印垂直于电场方向致密平面的静电纺丝系统进行静电纺丝的方法，其特征在于步骤如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹大川，张托弟，何凤利，邓旭东，周雅青，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61