多射流静电纺丝喷印装置技术领域
本发明涉及一种静电纺丝喷印装置，特别是一种具有多射流独立可控喷射、聚焦电场和约束气流引导沉积的静电纺丝喷印装置。
背景技术
静电纺丝技术主要是利用高压电场使液体产生流变现象进一步形成射流沉积并至介质表面形成特定图案。静电纺丝过程主要需要的基本装置有毛细喷嘴、高压电源、供液装置和接地收集板，喷射过程中毛细喷嘴处的液体首先会形成泰勒锥，而射流是从泰勒锥顶点喷射形成，所以形成的射流会远远小于毛细喷嘴的内径，相比于传统的喷印技术如压电式、热气泡式和静电式喷印技术，静电纺丝喷印技术具有喷印的分辨率高、连续性好等的特点，凭其优越的特性可以广泛应用到组织工程生物骨架、微电子传感器、新型纳米材料和自清洁表面等领域。
静电纺丝生产纳米纤维的方式可以分为近场静电纺丝和远场静电纺丝，通过远场静电纺丝可以实现批量制造纺布形式的纳米纤维，而通过近场静电纺丝结合沉积平台的相对运动可以实现基本的图案化喷印。传统的静电纺丝主要采用单喷嘴进行纳米纤维的制造，针对远场静电纺丝技术其产量非常小，限制了远场静电纺丝技术的工业化，目前有很多已申请的专利中都有阐述形成多射流的方式进行静电纺丝来大幅度提高产量；而针对近场静电纺丝喷印，单喷嘴喷印能方便控制图案直写，更能进行微纳的三维打印，但是其也有产量低的缺点，也无法高效进行不同图案的喷印。
为解决上述问题，本发明公开了一种具有多喷嘴多射流的静电纺丝喷印装置，引入多喷嘴阵列喷射多射流，引入控制电路独立控制喷嘴电压的独立施加，从而实现射流独立可控喷射，通过选择不同喷嘴进行喷射的方式提高喷印方式的灵活性，引入针尖地极阵列形成多点聚焦电场与引入辅助气流形成环绕喷嘴的独立约束气流相结合实现引导射流的精确沉积。通过多射流进行喷印大幅度提高喷印的产量，通过多喷嘴喷射沉积的灵活控制性结合沉积平台的相对运动实现不同图案的高效喷印，通过针尖电极形成多点聚焦的电场使多射流能分别运动沉积至相应的电场聚焦点，结合独立约束气流分别对各个射流运动过程的约束作用减小空间中的其他因素对射流运动的干扰，实现射流精确沉积至相应的位置，大幅度提高喷印的精确性，并且约束气流能进一步拉伸细化射流、减小射流间的相互干扰，从而进一步提高喷印的分辨率和精确性。
发明内容
本发明旨在提供一种具有多射流独立可控喷射精确定位沉积的静电纺丝喷印装置，提高静电纺丝喷印的产量，实现不同图案的高效喷印，同时能保证图案喷印的高分辨率和高精确性。
本发明设有供液装置、液体导管、喷射装置、收集板、针尖地极、气体导管、电控减压阀、气泵、X-Y运动平台、高压电源、控制电路以及计算机组件，其中喷射装置由零件组成，按照自上向下的安装顺序为进液板、分流板、缓冲板、托架、电极板、喷嘴和气罩，进液板、分流板、缓冲板、托架、电极板和气罩均由绝缘材料制成，喷嘴采用金属材料。
本发明提供的供液装置、液体导管与进液板相连接，使溶液由供液装置以一定的流量输出，由进液板上通孔输入，分流板和缓冲板的作用是建立溶液缓冲腔并使溶液均匀的分流至各个喷嘴；喷嘴共有8个（示意图中画出了8个，但根据专利申请的思想，也可以再进行扩展），呈2排阵列分布（示意图中画出了2排，但根据专利申请的思想，也可以再进行扩展），喷嘴内径为10~200µm，喷嘴间距为600~2000µm，喷嘴内径越小所形成的纳米纤维越细，喷嘴间距越小喷印的纳米纤维间距越小，这样均能提高分辨率。喷嘴阵列的凸出部分穿过托架和电极板上的通孔阵列并与孔形成配合连接，其中电极板上具有电路线路，分别独立连接至各个喷嘴，各个喷嘴间的供电线路互相隔离；控制电路上设有开关电路，供电线路末端设计有引出管脚作为接口通过控制电路上的开关电路与高压电源正极连接，从而实现各个喷嘴的独立供电。喷嘴阵列穿过气罩上的通孔阵列，与其孔壁间形成夹缝，夹缝大小为0.5~2mm，喷嘴凸出气罩底面长度为1~5mm，气罩通孔长度为夹缝大小的3~6倍，通孔由过渡弧形段和直线段组成，弧形段曲率介于气罩通孔长度的三分之一到二分之一，通过弧形段的引导作用和直线段的整流作用可以使气流在喷嘴出口处形成环绕射流的约束气流。气罩通过气体导管与电控调压阀、气泵连接，气泵输出气流经过电控减压阀的控制，使气流以一定的流速和压强输入气罩，在气罩的作用下独立作用于各个喷嘴，形成环绕各个喷嘴的约束气流，减小空间中的其他因素对射流的干扰，约束射流沉积至介质表面，同时约束气流能进一步细化射流，减小射流之间的静电排斥作用。高压电源正极与控制电路连接，通过控制电路设计的开关电路与电极板输入管脚连接从而与各个喷嘴相连接，在控制电路的开关控制下选择性的提供给部分喷嘴射流喷射所需高压，高压电源负极接地；针尖地极阵列位于喷嘴阵列正下方，与喷嘴阵列相对应，针尖地极可靠接地，在喷嘴施加高压的条件下将形成多点聚焦电场，在电场聚焦作用下射流能固定的沉积于针尖地极上方，能避免传统经典纺丝平板收集射流沉积位置的不确定性；收集板位于两者之间，并且收集板固定于X-Y运动平台上，能相对喷射装置运动，沉积静电纺丝纳米纤维并构成不同的图案。计算机组件与控制电路连接，控制电路分别与电极板、电控减压阀、供液装置、X-Y运动平台相连接，分别控制高压电源电压输出至与电极板各个管脚的开关从而独立控制各个喷嘴的供电、电控减压阀的流速和压强的输出从而控制气罩输出处的约束气流流速和压强、供液装置的供液速度与所射流喷印流量相对应、X-Y移动平台的运动速度和方向与喷射装置相对运动从而实现沉积不同图案。
本发明所提供的计算机组件作为上位机，控制电路的主控芯片作为下位机，直接通过上位机软件输出指令至下位机，使系统进行工作或是通过计算机组件输写程序输入控制电路的控制芯片使系统工作；系统工作时，烧录预先编写的程序至控制芯片，在控制电路的统一操控下，产生信号从而打开高压电源与电极板之间的部分开关，在电极板上的特定管脚输入高压，从而供电至与该管脚相连的喷嘴，使其分别能与其相对应的针尖地极之间形成聚焦电场触发射流喷射同时聚焦射流的沉积位置，调节供液装置供给的纺丝溶液流量与喷射的流量对应，控制X-Y运动平台与喷射装置进行特定轨迹的相对运动，输出信号至电控减压阀使其控制气泵输出一定流速和压强的气流至气罩，并在气罩通孔弧形段和直线段的引导聚焦与整流作用下形成环绕射流的约束气流，在约束气流的约束作用以及聚焦电场的聚焦作用下射流将精确的运动至收集板特定位置，并且结合X-Y运动平台的同步运动轨迹进行连续沉积形成特定图案，在连续工作时，变化的选择不同的喷嘴进行喷射沉积，由于多喷嘴喷射的灵活变化以及X-Y运动平台的轨迹结合，能够高效进行图案化喷印。根据本发明的工作原理，喷嘴阵列可拓展至阵列，电极板可采用多层柔性电路制造，可实现大批量的射流进行喷印。
本发明通过引入多喷嘴阵列喷射多射流来提高静电纺丝喷印的产量；通过引入控制电路独立控制喷嘴电压的施加从而实现射流独立可控喷射，选择不同喷嘴进行喷射的方式提高喷印方式的灵活性，多喷嘴喷射沉积的灵活控制性结合沉积平台的相对运动实现不同图案的高效喷印；通过引入针尖地极阵列形成多点聚焦电场与引入辅助气流形成环绕喷嘴的独立约束气流，针尖电极形成多点聚焦的电场使多射流能分别运动沉积至相应的电场聚焦点，结合独立约束气流分别对各个射流运动过程的约束作用减小空间中的其他因素对射流运动的干扰，实现射流精确沉积至相应的位置，大幅度提高喷印的精确性，并且约束气流能进一步拉伸细化射流、减小射流间的相互干扰，从而进一步提高喷印的分辨率和精确性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的装置示意图。
图2是电极板供电线路示意图。
图中1.供液装置，2.液体导管，3.进液板，4.分流板，5.缓冲板，6.托架，7.电极板，8.喷嘴，9.气罩，10.收集板，11.针尖地极，12.液体导管，13.电控减压阀，14.气泵，15.X-Y运动平台，16.高压电源，17.控制电路，18.计算机组件。
具体实施方式
在图1中，进液板(3)、分流板(4)、缓冲板(5)、托架(6)、电极板(7)、喷嘴(8)和气罩(9)自上向下依次顺序安装，组成喷射装置；供液装置(1)通过液体导管(2)与进液板(3)上通孔连接以一定流速和压强输入纺丝溶液；纺丝溶液通过分流板(4)、缓冲板(5)构成的溶液缓冲腔进行缓冲并均匀的分流至各个喷嘴(8)，供液装置(1)可以通过控制电路控制调整纺丝溶液的流速和压强以适应射流喷射的需求，产生射流的喷嘴(8)将会有持续不断的纺丝溶液供给，而未喷射的喷嘴(8)在负压的作用下会在喷嘴(8)末端形成悬挂的弯月面；电极板(7)上具有供电线路，分别独立的与各个喷嘴(8)连接，喷嘴(8)阵列共有8个，呈两排阵列，每个喷嘴(8)的供电线路相互隔离，从而实现喷嘴(8)的独立供电；高压电源(16)的正极通过控制电路上的开关电路与电极板(7)上的输入管脚连接，负极接地；气罩(9)与电控减压阀(13)、气体导管(14)和气泵连接(15)，气泵(15)输出气流经过电控减压阀(13)的流速和压强调控输出至气罩(9)，在气罩(9)自身结构的作用下形成环绕喷嘴(8)的约束气流；针尖地极(11)阵列位于喷嘴(8)阵列正下方，各个针尖和各个喷嘴分别对应，针尖地极(11)统一接地，收集板(10)位于两者中间，并固定于X-Y运动平台(15)上，从而能以预定的轨迹相对喷嘴(8)阵列和针尖地极(11)阵列运动；计算机组件(18)与控制电路(17)连接，可作为上位机直接与控制电路(17)通信发送一系列指令操作系统，也可以通过编写程序直接烧录至控制芯片中使整个系统运行；控制电路(17)分别与供液装置(1)、高压电源(16)、电控减压阀(13)和X-Y运动平台(15)连接，分别控制供液装置(1)的溶液供给速度、高压电源(16)对每个喷嘴(8)的输出开关、电控减压阀(13)输出气流的流速和压强以及X-Y运动平台(15)的运动轨迹；系统工作时，烧录预先编写的程序至控制芯片，在控制电路(17)的统一操控下，产生信号打开高压电源(16)与电极板(7)之间的部分开关，使电极板(7)上的特定管脚输入高压，从而供电至与该管脚相连的喷嘴(8)，使其分别能与其相对应的针尖地极(11)之间形成聚焦电场触发射流喷射同时聚焦射流的沉积位置，调节供液装置(1)供给的纺丝溶液流量与喷射的流量对应，控制X-Y运动平台(15)与喷射装置进行特定轨迹的相对运动，输出信号至电控减压阀(13)使其控制气泵(14)输出一定流速和压强的气流至气罩(9)，并在气罩(9)通孔弧形段和直线段的引导聚焦与整流作用下形成环绕射流的约束气流，在约束气流的约束作用以及聚焦电场的聚焦作用下射流将精确的运动至收集板(10)特定位置，并且结合X-Y运动平台(15)的同步运动轨迹进行连续沉积形成特定图案，在连续工作时，变化的选择不同的喷嘴(8)进行喷射沉积，由于多喷嘴喷射的灵活变化以及X-Y运动平台(15)的轨迹结合，能够高效进行图案化喷印。
图2中喷嘴(8)阵列电极板(7)上的通孔配合连接，电极板(7)上设计有供电线路，分别于各个喷嘴(8)连接，每个喷嘴(8)的供电线路之间相互隔离，从而能实现喷嘴(8)的独立供电。