多射流靜電紡絲噴印裝置的制作方法

本發明涉及一種靜電紡絲噴印裝置，特別是一種具有多射流獨立可控噴射、聚焦電場和約束氣流引導沉積的靜電紡絲噴印裝置。

背景技術：

靜電紡絲技術主要是利用高壓電場使液體產生流變現象進一步形成射流沉積并至介質表面形成特定圖案。靜電紡絲過程主要需要的基本裝置有毛細噴嘴、高壓電源、供液裝置和接地收集板，噴射過程中毛細噴嘴處的液體首先會形成泰勒錐，而射流是從泰勒錐頂點噴射形成，所以形成的射流會遠遠小于毛細噴嘴的內徑，相比于傳統的噴印技術如壓電式、熱氣泡式和靜電式噴印技術，靜電紡絲噴印技術具有噴印的分辨率高、連續性好等的特點，憑其優越的特性可以廣泛應用到組織工程生物骨架、微電子傳感器、新型納米材料和自清潔表面等領域。

靜電紡絲生產納米纖維的方式可以分為近場靜電紡絲和遠場靜電紡絲，通過遠場靜電紡絲可以實現批量制造紡布形式的納米纖維，而通過近場靜電紡絲結合沉積平臺的相對運動可以實現基本的圖案化噴印。傳統的靜電紡絲主要采用單噴嘴進行納米纖維的制造，針對遠場靜電紡絲技術其產量非常小，限制了遠場靜電紡絲技術的工業化，目前有很多已申請的專利中都有闡述形成多射流的方式進行靜電紡絲來大幅度提高產量；而針對近場靜電紡絲噴印，單噴嘴噴印能方便控制圖案直寫，更能進行微納的三維打印，但是其也有產量低的缺點，也無法高效進行不同圖案的噴印。

為解決上述問題，本發明公開了一種具有多噴嘴多射流的靜電紡絲噴印裝置，引入多噴嘴陣列噴射多射流，引入控制電路獨立控制噴嘴電壓的獨立施加，從而實現射流獨立可控噴射，通過選擇不同噴嘴進行噴射的方式提高噴印方式的靈活性，引入針尖地極陣列形成多點聚焦電場與引入輔助氣流形成環繞噴嘴的獨立約束氣流相結合實現引導射流的精確沉積。通過多射流進行噴印大幅度提高噴印的產量，通過多噴嘴噴射沉積的靈活控制性結合沉積平臺的相對運動實現不同圖案的高效噴印，通過針尖電極形成多點聚焦的電場使多射流能分別運動沉積至相應的電場聚焦點，結合獨立約束氣流分別對各個射流運動過程的約束作用減小空間中的其他因素對射流運動的干擾，實現射流精確沉積至相應的位置，大幅度提高噴印的精確性，并且約束氣流能進一步拉伸細化射流、減小射流間的相互干擾，從而進一步提高噴印的分辨率和精確性。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種具有多射流獨立可控噴射精確定位沉積的靜電紡絲噴印裝置，提高靜電紡絲噴印的產量，實現不同圖案的高效噴印，同時能保證圖案噴印的高分辨率和高精確性。

本發明設有供液裝置、液體導管、噴射裝置、收集板、針尖地極、氣體導管、電控減壓閥、氣泵、X-Y運動平臺、高壓電源、控制電路以及計算機組件，其中噴射裝置由零件組成，按照自上向下的安裝順序為進液板、分流板、緩沖板、托架、電極板、噴嘴和氣罩，進液板、分流板、緩沖板、托架、電極板和氣罩均由絕緣材料制成，噴嘴采用金屬材料。

本發明提供的供液裝置、液體導管與進液板相連接，使溶液由供液裝置以一定的流量輸出，由進液板上通孔輸入，分流板和緩沖板的作用是建立溶液緩沖腔并使溶液均勻的分流至各個噴嘴；噴嘴共有8個（示意圖中畫出了8個，但根據專利申請的思想，也可以再進行擴展），呈2排陣列分布（示意圖中畫出了2排，但根據專利申請的思想，也可以再進行擴展），噴嘴內徑為10~200μm，噴嘴間距為600~2000μm，噴嘴內徑越小所形成的納米纖維越細，噴嘴間距越小噴印的納米纖維間距越小，這樣均能提高分辨率。噴嘴陣列的凸出部分穿過托架和電極板上的通孔陣列并與孔形成配合連接，其中電極板上具有電路線路，分別獨立連接至各個噴嘴，各個噴嘴間的供電線路互相隔離；控制電路上設有開關電路，供電線路末端設計有引出管腳作為接口通過控制電路上的開關電路與高壓電源正極連接，從而實現各個噴嘴的獨立供電。噴嘴陣列穿過氣罩上的通孔陣列，與其孔壁間形成夾縫，夾縫大小為0.5~2mm，噴嘴凸出氣罩底面長度為1~5mm，氣罩通孔長度為夾縫大小的3~6倍，通孔由過渡弧形段和直線段組成，弧形段曲率介于氣罩通孔長度的三分之一到二分之一，通過弧形段的引導作用和直線段的整流作用可以使氣流在噴嘴出口處形成環繞射流的約束氣流。氣罩通過氣體導管與電控調壓閥、氣泵連接，氣泵輸出氣流經過電控減壓閥的控制，使氣流以一定的流速和壓強輸入氣罩，在氣罩的作用下獨立作用于各個噴嘴，形成環繞各個噴嘴的約束氣流，減小空間中的其他因素對射流的干擾，約束射流沉積至介質表面，同時約束氣流能進一步細化射流，減小射流之間的靜電排斥作用。高壓電源正極與控制電路連接，通過控制電路設計的開關電路與電極板輸入管腳連接從而與各個噴嘴相連接，在控制電路的開關控制下選擇性的提供給部分噴嘴射流噴射所需高壓，高壓電源負極接地；針尖地極陣列位于噴嘴陣列正下方，與噴嘴陣列相對應，針尖地極可靠接地，在噴嘴施加高壓的條件下將形成多點聚焦電場，在電場聚焦作用下射流能固定的沉積于針尖地極上方，能避免傳統經典紡絲平板收集射流沉積位置的不確定性；收集板位于兩者之間，并且收集板固定于X-Y運動平臺上，能相對噴射裝置運動，沉積靜電紡絲納米纖維并構成不同的圖案。計算機組件與控制電路連接，控制電路分別與電極板、電控減壓閥、供液裝置、X-Y運動平臺相連接，分別控制高壓電源電壓輸出至與電極板各個管腳的開關從而獨立控制各個噴嘴的供電、電控減壓閥的流速和壓強的輸出從而控制氣罩輸出處的約束氣流流速和壓強、供液裝置的供液速度與所射流噴印流量相對應、X-Y移動平臺的運動速度和方向與噴射裝置相對運動從而實現沉積不同圖案。

本發明所提供的計算機組件作為上位機，控制電路的主控芯片作為下位機，直接通過上位機軟件輸出指令至下位機，使系統進行工作或是通過計算機組件輸寫程序輸入控制電路的控制芯片使系統工作；系統工作時，燒錄預先編寫的程序至控制芯片，在控制電路的統一操控下，產生信號從而打開高壓電源與電極板之間的部分開關，在電極板上的特定管腳輸入高壓，從而供電至與該管腳相連的噴嘴，使其分別能與其相對應的針尖地極之間形成聚焦電場觸發射流噴射同時聚焦射流的沉積位置，調節供液裝置供給的紡絲溶液流量與噴射的流量對應，控制X-Y運動平臺與噴射裝置進行特定軌跡的相對運動，輸出信號至電控減壓閥使其控制氣泵輸出一定流速和壓強的氣流至氣罩，并在氣罩通孔弧形段和直線段的引導聚焦與整流作用下形成環繞射流的約束氣流，在約束氣流的約束作用以及聚焦電場的聚焦作用下射流將精確的運動至收集板特定位置，并且結合X-Y運動平臺的同步運動軌跡進行連續沉積形成特定圖案，在連續工作時，變化的選擇不同的噴嘴進行噴射沉積，由于多噴嘴噴射的靈活變化以及X-Y運動平臺的軌跡結合，能夠高效進行圖案化噴印。根據本發明的工作原理，噴嘴陣列可拓展至陣列，電極板可采用多層柔性電路制造，可實現大批量的射流進行噴印。

本發明通過引入多噴嘴陣列噴射多射流來提高靜電紡絲噴印的產量；通過引入控制電路獨立控制噴嘴電壓的施加從而實現射流獨立可控噴射，選擇不同噴嘴進行噴射的方式提高噴印方式的靈活性，多噴嘴噴射沉積的靈活控制性結合沉積平臺的相對運動實現不同圖案的高效噴印；通過引入針尖地極陣列形成多點聚焦電場與引入輔助氣流形成環繞噴嘴的獨立約束氣流，針尖電極形成多點聚焦的電場使多射流能分別運動沉積至相應的電場聚焦點，結合獨立約束氣流分別對各個射流運動過程的約束作用減小空間中的其他因素對射流運動的干擾，實現射流精確沉積至相應的位置，大幅度提高噴印的精確性，并且約束氣流能進一步拉伸細化射流、減小射流間的相互干擾，從而進一步提高噴印的分辨率和精確性。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明的裝置示意圖。

圖2是電極板供電線路示意圖。

圖中1.供液裝置，2.液體導管，3.進液板，4.分流板，5.緩沖板，6.托架，7.電極板，8.噴嘴，9.氣罩，10.收集板，11.針尖地極，12.液體導管，13.電控減壓閥，14.氣泵，15.X-Y運動平臺，16.高壓電源，17.控制電路，18.計算機組件。

具體實施方式

在圖1中，進液板(3)、分流板(4)、緩沖板(5)、托架(6)、電極板(7)、噴嘴(8)和氣罩(9)自上向下依次順序安裝，組成噴射裝置；供液裝置(1)通過液體導管(2)與進液板(3)上通孔連接以一定流速和壓強輸入紡絲溶液；紡絲溶液通過分流板(4)、緩沖板(5)構成的溶液緩沖腔進行緩沖并均勻的分流至各個噴嘴(8)，供液裝置(1)可以通過控制電路控制調整紡絲溶液的流速和壓強以適應射流噴射的需求，產生射流的噴嘴(8)將會有持續不斷的紡絲溶液供給，而未噴射的噴嘴(8)在負壓的作用下會在噴嘴(8)末端形成懸掛的彎月面；電極板(7)上具有供電線路，分別獨立的與各個噴嘴(8)連接，噴嘴(8)陣列共有8個，呈兩排陣列，每個噴嘴(8)的供電線路相互隔離，從而實現噴嘴(8)的獨立供電；高壓電源(16)的正極通過控制電路上的開關電路與電極板(7)上的輸入管腳連接，負極接地；氣罩(9)與電控減壓閥(13)、氣體導管(14)和氣泵連接(15)，氣泵(15)輸出氣流經過電控減壓閥(13)的流速和壓強調控輸出至氣罩(9)，在氣罩(9)自身結構的作用下形成環繞噴嘴(8)的約束氣流；針尖地極(11)陣列位于噴嘴(8)陣列正下方，各個針尖和各個噴嘴分別對應，針尖地極(11)統一接地，收集板(10)位于兩者中間，并固定于X-Y運動平臺(15)上，從而能以預定的軌跡相對噴嘴(8)陣列和針尖地極(11)陣列運動；計算機組件(18)與控制電路(17)連接，可作為上位機直接與控制電路(17)通信發送一系列指令操作系統，也可以通過編寫程序直接燒錄至控制芯片中使整個系統運行；控制電路(17)分別與供液裝置(1)、高壓電源(16)、電控減壓閥(13)和X-Y運動平臺(15)連接，分別控制供液裝置(1)的溶液供給速度、高壓電源(16)對每個噴嘴(8)的輸出開關、電控減壓閥(13)輸出氣流的流速和壓強以及X-Y運動平臺(15)的運動軌跡；系統工作時，燒錄預先編寫的程序至控制芯片，在控制電路(17)的統一操控下，產生信號打開高壓電源(16)與電極板(7)之間的部分開關，使電極板(7)上的特定管腳輸入高壓，從而供電至與該管腳相連的噴嘴(8)，使其分別能與其相對應的針尖地極(11)之間形成聚焦電場觸發射流噴射同時聚焦射流的沉積位置，調節供液裝置(1)供給的紡絲溶液流量與噴射的流量對應，控制X-Y運動平臺(15)與噴射裝置進行特定軌跡的相對運動，輸出信號至電控減壓閥(13)使其控制氣泵(14)輸出一定流速和壓強的氣流至氣罩(9)，并在氣罩(9)通孔弧形段和直線段的引導聚焦與整流作用下形成環繞射流的約束氣流，在約束氣流的約束作用以及聚焦電場的聚焦作用下射流將精確的運動至收集板(10)特定位置，并且結合X-Y運動平臺(15)的同步運動軌跡進行連續沉積形成特定圖案，在連續工作時，變化的選擇不同的噴嘴(8)進行噴射沉積，由于多噴嘴噴射的靈活變化以及X-Y運動平臺(15)的軌跡結合，能夠高效進行圖案化噴印。

圖2中噴嘴(8)陣列電極板(7)上的通孔配合連接，電極板(7)上設計有供電線路，分別于各個噴嘴(8)連接，每個噴嘴(8)的供電線路之間相互隔離，從而能實現噴嘴(8)的獨立供電。