[发明专利]一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统

说明书

本发明涉及静电纺丝技术领域，具体公开了一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，包括静电纺丝装置、纤维轨迹检测装置以及控制装置，静电纺丝装置包括为喷头输送溶液的供液泵，喷射溶液的喷头，接收溶液并固化形成纤维的透明接收板以及高压电源；纤维检测装置包括摄像头、压电透镜、光敏电阻；控制装置与摄像头、光敏电阻、压电透镜以及喷头均电连接。本发明的近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，通过纤维轨迹检测装置对纤维的图像信息、形态信息以及位置信息进行测量，控制装置对测量信息进行分析、耦合运算以及对比，采用闭环控制的方法使纤维形态更加均匀可控，对电纺直写技术的工业化应用有着更好的推动作用。

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，尤其涉及一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统。

背景技术

静电纺丝技术是聚合物液体(溶液或熔体)在高压电场作用下生成微纳米纤维的一种方法，近年来吸引了越来越多研发人员的关注。不同于传统化纤纺丝系统，静电纺丝过程是利用电场力而不是机械力对聚合物射流进行牵伸。在极高的场强中，电场力与库仑力相结合对聚合物射流实现了高倍拉伸和点对点传送，射流直径逐渐减小从而形成纳米尺度的纤维。在传统静电纺丝的基础上，通过控制纺丝射流稳定在初始稳定阶段，近场直写静电纺丝技术逐渐发展起来。此技术原理是通过降低纺丝距离(几个厘米甚至几个毫米的尺度范围)和纺丝电压(约1～4kV)，控制纺丝射流处于初始稳定运动状态，实现对纺丝射流精确控制及固化后纤维的精准沉积；同时将收集板安装在二维运动平台上，通过控制二维运动平台的运动路径，实现电纺纤维在二维平面内的定点沉积或按预定轨迹沉积，最终获得理想的3D图形结构。

目前静电纺丝技术已经发展较为成熟，但是纺丝质量一直难以达到预想的效果。近年来，研发人员针对静电纺丝喷头和收集装置进行了开发和改善，使用带有动态机械装置的有序静电纺丝技术来解决静电纺丝过程中纳米纤维的有序排列问题，包括滚筒式纤维收集器、圆盘式纤维收集器、分离电极的纤维收集器、磁力静电纺丝等，但是这些方法所涉及的实验平台和技术难以调控纤维尺寸分布和取向度，即便可以通过调整工艺参数达到理想的纤维尺度分布和取向度，静电纺丝膜的横向基本上不具备机械强力，且难以精准控制纤维沉积位点和层数，不能精确纺出要求的3D结构，只能得到沿某一方向具有一定取向度的电纺膜或纤维束。相比较于传统的静电纺丝，近场直写静电纺丝对电压大小、喷头高度、供液速度以及路径控制有更高的要求，要想达到预期效果需要对各个环节进行精密控制，目前对于纺丝纤维的检测多采用视觉检测系统配合电镜观察来实现，静电纺丝过程多是开环的系统，这样无法对纺丝结果进行实时检测也无法对路径和供液速度进行实时控制。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本发明提供一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统。

一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，包括静电纺丝装置、纤维轨迹检测装置以及控制装置，其中：

静电纺丝装置包括为喷头输送溶液的供液泵，喷射溶液的喷头，接收溶液并固化形成纤维的透明接收板，以及正极与喷头电连接、负极与透明接收板电连接的高压电源；

纤维检测装置包括采集纤维图像信息的摄像头、采集纤维形态信息的压电透镜、采集纤维位置信息的光敏电阻；摄像头位于透明接收板上方；压电透镜位于透明接收板下方且与透明接收板紧贴；光敏电阻位于压电透镜下方；

控制装置与摄像头、光敏电阻、压电透镜以及喷头均电连接，控制装置根据纤维的图像信息、形态信息以及位置信息控制喷头的溶液喷射量。

进一步的，静电纺丝装置还包括移动底座与安装在移动底座上的至少一个电机，电机与控制装置电连接，透明接收板安装在移动底座上，电机转动带动移动底座与透明接收板同步移动。

进一步的，控制装置包括控制主机以及与控制主机电连接的显示屏，其中：

控制主机与摄像头、光敏电阻、压电透镜以及电机、喷头电连接。