CN202725378U

CN202725378U - 一种电纺直写喷印控制装置

Info

Publication number: CN202725378U
Application number: CN 201220434953
Authority: CN
Inventors: 郑高峰; 王鸿雁; 刘静静; 王翔; 刘海燕; 孙道恒
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2022-08-29

Abstract

一种电纺直写喷印控制装置，涉及一种电液耦合喷印装置。设有高压电源、控制器、绝缘套管、梯度电压电极、聚焦环、尖状电极、收集板、梯度电压控制器、针芯、喷头、供液装置、密封环和高压电极；收集板控制输出端接控制器输入端，控制器输出端接收集板控制输入端；尖状电极安装于收集板下方，尖状电极位于聚焦环的中心，并与收集板保持触接；供液装置与喷头连通；高压电极经密封环安装于喷头上端，并伸入喷头内与针芯导通；高压电极和针芯位于喷头中，喷头出口面对绝缘套管上端；梯度电压电极设于绝缘套管上，梯度电压电极的各电极分别与梯度电压控制器连接，梯度电压电极的各电极电压由上至下依次逐减，构成由喷头指向收集板的空间电场。

Description

一种电纺直写喷印控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种电液耦合喷印装置，尤其是涉及一种可以在绝缘基底上去进行微纳结构精确定位的电纺直写喷印控制装置。

背景技术

电液耦合喷印技术作为一种新兴的微纳米制造技术以其工艺简单、操纵方便、原料来源广泛等众多优点，日益受到了工业界和学术界的关注。与传统IC硅微制造技术相比，电液耦合喷印技术设备简单、制造成本低，常温、常压、非洁净环境下可在多种基底上实现微纳结构的快速、高精度制造，更能满足柔性电子器件的大批量连续生产要求，并可实现有机电子与生物器件的集成。电液耦合喷印技术以其独特的优点，已经在众多领域显示出了巨大的发展潜力和市场前景（[1]Wang Ke,Stark John.Applied Physics A:Materials Science & Processing,2010，99：763-766）。相对采用内压力的传统喷印技术，电液耦合喷印是外加高压电场拉伸黏弹性溶液产生射流进行喷印，在减小喷印结构线宽、高粘度溶液喷印、降低设备成本等方面都具有明显优势。目前，有望应用于柔性电子微结构制造的电液耦合喷印方式主要是纺丝射流喷印(制造连续纳米纤维/微米薄膜)、以及按需可控喷印(离散液滴的可控按需喷印，也可能诱使液滴叠加沉积形成连续微纳结构)。

电液耦合喷印过程受到电场力、电荷排斥力黏弹生应力等多方面因素的影响，喷印射流存在无序、螺旋鞭动过程，影响了喷印微纳结构的精确定位沉积和形貌控制，这也极大限制了电液耦合喷印在电子生产行业中的应用发展。通过构造电极、收集板高速运动的方法可在一定程度上抑制了射流的螺旋不稳定运动，获得有序微纳结构，但无法实现喷印微纳结构的精密定位控制。

近场静电纺丝技术的提出为喷印微纳结构的有序制造和精确定位制造开辟了一种的技术途径。Sun D.H.等（[2]Sun D.H.,Chang C.,LiS.,et al.Nano.Lett.,2006，6：839-842）提出了近场静电纺丝技术，通过采用实心探针喷头、降低喷头至收集板距离等方法实现了单根纳米纤维的可控沉积。Chang C等（[3]Chang C.,Limkrailassiri K.,Lin L.W.Appl.Phys.Lett.,2008，93：123111）改进了近场静电纺丝技术，利用探针针尖刺破喷头处液滴的方法实现了有序纳米纤维的长时间连续制备。Roger等（[4]Park Jang-Ung,Hardy Matt,Kang Seong Jun,et al.NatMater,2007，6：782-789）采用脉冲电源进行离散微纳液滴的喷印，基本实现了液滴喷射频率、液滴尺寸的控制，受空间电场、溶液溶剂挥发等因素的影响微纳结构喷印精度有待进一步提高；在空心喷头内加装导体针尖是目前常采用的一种喷头结构（[5]Lee S.,Byun D.,Jun D.,etal.Sensors and Actuators a-Physical,2008，141：506-514），导体针尖的加装降低了喷射启动电压、减小液滴尺寸，通过调节施加电压的频率、幅值可控制喷射液滴的喷射频率和尺寸，但这种控制方式仍难以完成喷射过程的自由启停控制及实现真正意义上的按需、定点喷印。

电液耦合喷印过程射流携带有大量电荷，沉积后射流/微纳结构上的电荷将朝收集板转移。若采用绝缘基底作为收集板，射流所携带来的电荷无法及时导走聚焦在收集板表面，并将对后续沉积的射流和纳米纤维产生电荷排斥作用而影响微纳结构绝缘基底的定位控制沉积。R.Kessick（[6]Kessick R.,Fenn J.,Tepper G.The use of AC potentials in electrospraying andelectrospinning processes[J].Polymer,2004,45(9):2981-2984）等采用交流静电纺丝的方法降低了电荷排斥力的影响，在绝缘基底上制备了有序纳米纤维。上述加载交流电压的方法可以较好抑制射流的无序螺旋鞭动、提高射流的稳定性，对于纳米纤维的有序沉积控制将有较好的促进作用；但受多方面影响因素的干扰，仍然无法实现纳米纤维或喷印微纳结构的精确定位控制。

目前，在绝缘基底上

电液耦合喷印微结构的精确定位控制己成为了电液耦合喷印应用研究的难点，也是推动其产业化应用的主要瓶颈，急需在喷印设备与喷印控制技术上有新的突破。本实用新型将针对电液耦合喷印微纳结构在绝缘基底上的精确定位控制开展研究。

发明内容

本实用新型的目的主要在于提供一种可在绝缘基底上实现有序电液耦合喷印微纳米结构精确定位的电纺直写喷印控制装置。

本实用新型设有高压电源、控制器、绝缘套管、梯度电压电极、聚焦环、尖状电极、收集板、梯度电压控制器、针芯、喷头、供液装置、密封环和高压电极；

高压电源正极接高压电极，高压电源负极接地；收集板控制输出端接控制器的控制输入端，控制器的控制输出端接收集板控制输入端；尖状电极安装于收集板下方，尖状电极位于聚焦环的中心，并与收集板保持触接；供液装置与喷头连通；高压电极经密封环安装于喷头上端，并伸入喷头内与针芯导通；高压电极和针芯位于喷头中，喷头出口面对绝缘套管上端；梯度电压电极设于绝缘套管上，梯度电压电极的各电极分别与梯度电压控制器连接，梯度电压电极的各电极电压由上至下依次逐减，构成由喷头指向收集板的空间电场。

所述控制器可采用单片机。

所述喷头出口端面位于绝缘套管上端，最好是喷头出口端面与绝缘套管上端面平齐。

所述梯度电压电极可为至少2个梯度的梯度电压电极，最好为3～8个梯度的梯度电压电极。

所述梯度电压电极设于绝缘套管上，最好是梯度电压电极嵌于绝缘套管内壁。

所述聚焦环最好为圆形聚焦环，直径可为3~5mm；所述尖状电极的尖端直径可为50～200μm；所述绝缘套管的直径可为0.5~3cm，长度可为0.5~5cm；所述针芯最好位于喷头内部中心，可采用导体探针作为针芯，针芯下端最好露出喷头喷嘴，针芯下端露出的长度可为50~500μm，针芯的直径可为80~180μm，所述喷头的喷嘴的内径可为100~500μm；针尖直径1~20μm；绝缘套管下端口距收集板距离可为0.5~10mm并可调。高压电源可采用直流高压电源，其电压在幅值在0~3000V范围可调；高压电源也可采用交流高压电源，其电压峰峰值为0~4000V，频率为0.1~200Hz。梯度电压控制器最好具有多个输出电极，输出电压在0~1000V范围可调。收集板可采用厚度为0.01~0.8mm的绝缘材料，也可采用厚度为0.1~0.5mm的半导体材料。

本实用新型的工作原理如下：

由于绝缘套管上设有梯度电压电极，从而在喷头与收集板之间形成均匀的由喷头指收集板的梯度电场，以引导射流朝收集板加速运动。同时，高压电场将诱使绝缘套管表面产生正电荷聚焦，对射流运动形成排斥约束作用，以保持射流的稳定性抑制射流螺旋不稳定的产生。

由于收集板下方设有聚焦环，聚焦环中间设有尖状电极。纺丝射流沉积于收集板后，所携带的电荷将被聚焦环和尖状电极约束在较小的范围内，避免射流所携带电荷在绝缘收集板上分散分布形成排斥电场影响了后续纺丝射流的喷射沉积。同时，尖状电极可诱使形成空间聚焦电场引导射流朝尖状电极上方收集板所对应的位置运动沉积，利用射流沉积位置的精确控制。通过控制收集板按预定轨迹运动，可引导纺丝射流在收集板上按预定点沉积或制造出预设计图案。

与现有技术比较，本实用新型具有如下突出优点：

引入梯度电极，提高了朝向收集板板空间电场的指向性和均匀性，减少射流运动过程的干扰因素，增强了射流运动的稳定性；同时增加了绝缘套筒对带电射流可产生约束作用，抑制射流波动、螺旋运动的产生，有益于控制射流的沉积区域；在收集板下方加载了聚焦环和尖状电极，可在收集板上方诱导形成一个聚集电场引导喷印射流沉积定位于尖状电极上方，实现喷印射流的精确定位沉积；并且聚焦环和尖状电极可以有效地约束收集板上电荷的分布区域，有效地克服了收集板上残余电荷的干扰影响，实现喷印射流在绝缘基底上的精确定位沉积。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型实施例主要设有高压电源1、控制器2（采用单片机）、绝缘套管3、梯度电压电极4、聚焦环5、尖状电极6、收集板7、梯度电压控制器8、针芯9、喷头10、供液装置11、密封环12和高压电极13。

高压电源1正极接高压电极13，高压电源1负极接地。收集板7控制输出端接控制器2的控制输入端，控制器2的控制输出端接收集板7控制输入端，控制器2可朝收集板7发送控制指令，使其按预定轨迹运动。尖状电极6安装于收集板7下方，尖状电极6位于聚焦环5的中心，并与收集板7保持触接。供液装置11与喷头10连通。高压电极13经密封环12安装于喷头10上端，并伸入喷头10内与针芯9连接导通。高压电极13和针芯9位于喷头10中。喷头10出口面对绝缘套管3上端，并与绝缘套管3上端面平齐。梯度电压电极4嵌于绝缘套管3内壁，梯度电压电极4的各电极分别与梯度电压控制器8连接，梯度电压电极4的各电极电压由上至下依次逐减，构成由喷头10指向收集板7的空间电场。

所述聚焦环5为圆形聚焦环，直径为3~5mm；所述尖状电极6的尖端直径50~200μm；所述绝缘套管3的直径为0.5~3cm，长度为0.5~5cm；所述针芯9位于喷头10内部中心，采用导体探针作为针芯9，针芯9下端露出喷头10的喷嘴，针芯9下端露出的长度为50~500μm，针芯9的直径为80~180μm，针尖直径1~20μm。所述喷头10的喷嘴的内径为100~500μm。绝缘套管3下端口距收集板7的距离为0.5~10mm并可调。高压电源1采用直流高压电源，其电压在幅值0~3000V范围可调（高压电源也可采用交流高压电源，其电压峰峰值0~4000V，频率0.1~200Hz）。梯度电压控制器8具有多个输出电极，输出电压在0~1000V范围可调。收集板7采用厚度在0.01～0.8mm范围的绝缘材料，也可采用厚度在0.1~0.5mm范围的半导体材料。

Claims

1.一种电纺直写喷印控制装置，其特征在于设有高压电源、控制器、绝缘套管、梯度电压电极、聚焦环、尖状电极、收集板、梯度电压控制器、针芯、喷头、供液装置、密封环和高压电极；

2.如权利要求1所述的一种电纺直写喷印控制装置，其特征在于所述控制器采用单片机。

3.如权利要求1所述的一种电纺直写喷印控制装置，其特征在于所述喷头出口端面与绝缘套管上端面平齐。

4.如权利要求1所述的一种电纺直写喷印控制装置，其特征在于所述梯度电压电极为3～8个梯度的梯度电压电极。

5.如权利要求1所述的一种电纺直写喷印控制装置，其特征在于所述梯度电压电极嵌于绝缘套管内壁。

6.如权利要求1所述的一种电纺直写喷印控制装置，其特征在于所述聚焦环为圆形聚焦环，直径为3~5mm；所述尖状电极的尖端直径为50~200μm；所述绝缘套管的直径为0.5~3cm，长度为0.5~5cm；所述针芯位于喷头内部中心，采用导体探针作为针芯，针芯下端露出喷头喷嘴，针芯下端露出的长度为50~500μm，针芯的直径为80~180μm，针尖直径为1~20μm；所述喷头的喷嘴的内径为100~500μm；所述绝缘套管下端口距收集板距离为0.5~10mm并可调。

7.如权利要求1所述的一种电纺直写喷印控制装置，其特征在于所述高压电源采用直流高压电源，电源电压为0~3000V。

8.如权利要求1所述的一种电纺直写喷印控制装置，其特征在于高压电源采用交流高压电源，电源电压为0~4000V，频率为0.1~200Hz。

9.如权利要求1所述的一种电纺直写喷印控制装置，其特征在于所述梯度电压控制器具有多个输出电极，输出电压为0~1000V。

10.如权利要求1所述的一种电纺直写喷印控制装置，其特征在于收集板采用厚度为0.01～0.8mm的绝缘材料，或采用厚度为0.1~0.5mm的半导体材料。