一种圆筒式静电纺丝近场直写装置
技术领域
本实用新型涉及静电纺丝技术领域，尤其涉及一种圆筒式静电纺丝近场直写装置。
背景技术
静电纺丝技术是一种制备微米/纳米纤维最简单、方便的方法，首先由 Formhals于1934年提出。随后，利用静电纺丝技术制备聚合物纳米纤维的研究开始广受关注。在该项研究之初，还只是利用静电纺丝技术形成无序的纳米纤维。直到2006年，孙道恒等人提出了近场直写技术，利用短暂的稳定射流实现了单根纤维的精确沉积，为直写微加工领域开拓了新的方法。
3D打印技术是一种通过逐层打印来构建实体的快速成型技术。市面上的常见3D打印设备----熔融沉积模式3D打印机，无需昂贵的激光设备，打印材料价格低廉，总体性价比高。其打印原理是将热熔性材料在喷头处加热后挤出，再通过逐层堆叠的方式实现物体的构造。但由于受到喷头直径的限制，原材料挤出后在形成纤维过程中受到膨胀效应的作用，造成纤维直径通常比喷头直径粗，导致以此纤维堆叠而成的三维实体的精细度较差，不能满足微纳结构的打印要求。因此，基于近场直写技术的3D打印技术就受到了广泛的关注。该技术利用近场直写技术制备连续的微米/纳米纤维，结合有序的纤维堆叠，实现高精度的三维结构，将3D打印技术的应用拓展至更为宽广的领域。
然而目前广泛用于近场直写技术的接收板通常为一个平面式的导电玻璃或者半导体硅片，同时接收板的运动控制需是平面上的XY轴运动，因此这类接收板及运动控制将导致极大的可纺面积限制，无法实现大面积纳米纤维图案的打印。而且，平面接收板普遍存在着，当相邻两纤维需要极小间距排列时，新形成的纤维更倾向于重复沉积在已有纤维上的问题，存在无法精确沉积的缺陷；具体的是由于，已沉积在接收板上的纤维会影响针头与接收板平面的电场分布，引起针头与已沉积纤维间的电场力大于针头与接收板上预期沉积位置间的电场力，从而使得新形成的纤维重复沉积在已有的纤维上。因此，很有必要对现有技术的静电纺丝直写装置进行结构改进，来解决现有技术中所存在的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种圆筒式静电纺丝近场直写装置，接收装置采用圆筒式接收器，增大了可纺面积，且缩减了装置占用空间；此外，利用圆筒式接收器几何外形而产生了针头与接收板上预期沉积位置的空间位置优势，实现极小间距的纤维精确沉积。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种圆筒式静电纺丝近场直写装置，其特征在于，包括近场直写纺丝针头、圆筒式接收器、以及高压电源，其中：圆筒式接收器设置在近场直写纺丝针头的下方，近场直写纺丝针头向圆筒式接收器的圆周面打印纳米纤维图案；高压电源的正极连接近场直写纺丝针头，高压电源的负极连接圆筒式接收器。
进一步的，圆筒式接收器包括筒体外壳、绝缘支架、连接转轴、以及驱动电机，其中：筒体外壳与高压电源的负极连接；绝缘支架为十字形支架，绝缘支架布置在筒体外壳内部且绝缘支架的十字交叉点位于筒体外壳轴线上，绝缘支架的端部均与筒体外壳连接支撑所述筒体外壳，绝缘支架的十字交叉处沿绝缘支架轴向设置有通孔；连接转轴沿通孔贯穿绝缘支架，且连接转轴通过绝缘支架带动筒体外壳旋转；驱动电机通过驱动连接转轴带动筒体外壳转动。
进一步的，连接转轴第一端通过轴套连接驱动电机输出端，并且轴套为绝缘轴套。
进一步的，连接转轴第二端与高压电源负极电连接；筒体外壳与连接转轴电连接。
进一步的，筒体外壳靠近连接转轴第二端的端部设置有电接收基底固定夹件，筒体外壳通过电接收基底固定夹件与连接转轴电连接。
进一步的，轴套与连接转轴和驱动电机输出端均螺纹连接。
进一步的，近场直写纺丝针头安装在纺丝针头固定架上，圆筒式接收器通过固定架平台安装在导轨平台上且随导轨平台水平运动，导轨平台安装在气动水平平台上，其中：固定架平台、导轨平台、以及气动水平平台由上到下依次水平安装；纺丝针头固定架包括水平支架与竖直支架，竖直支架的顶端水平连接水平支架且水平支架位于固定架平台的上方，竖直支架的底端与气动水平平台连接；近场直写纺丝针头安装在水平支架的下侧面且正对圆筒式接收器。
进一步的，固定架平台的第一端竖直安装有第一固定板，固定架平台的第二端竖直安装有第二固定板，其中：第一固定板与第二固定板相对设置；圆筒式接收器水平且可旋转地布置在第一固定板与第二固定板之间。
进一步的，水平支架的下侧面安装有垂直运动导轨，垂直运动导轨上安装有垂直运动执行装置，近场直写纺丝针头通过针头紧箍架箍紧安装在垂直运动执行装置上。
进一步的，第一固定板与第二固定板均为绝缘板，并且第一固定板与第二固定板中的至少一个安装有电源异性极接口，电源异性极接口与高压电源负极电连接，圆筒式接收器与电源异性极接口电连接。
本实用新型的一种圆筒式静电纺丝近场直写装置，具有以下有益效果：
1、本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置，接收装置采用圆筒式接收器，增大了可纺面积，实现了更大面积的纳米纤维图案的打印；另外，本实用新型的圆筒式接收器极大地缩减了可实现大面积纳米纤维图案打印的直写装置占用空间；此外，本实用新型充分利用圆筒式接收器由于其几何外形而产生的针头与接收器上预期沉积位置的空间位置优势，相对于非预期的沉积位置，针头与接收器上预期沉积位置间的电场力比周围更强，从而实现了极小间距的纤维精确沉积。
2、本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置，圆筒式接收器的主体部分为筒体外壳且通过绝缘支架进行支撑，这种空间架体式设计，可显著减轻圆筒式接收器的重量，从而在驱动电机驱动下旋转更灵活、精确。
3、本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置，连接转轴通过绝缘轴套与驱动电机输出端连接，从而保证了圆筒式接收器与驱动电机之间的连接绝缘性。
4、本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置，合理设计近场直写纺丝针头、圆筒式接收器的承载结构，如纺丝针头固定架、固定架平台、导轨平台、以及气动水平平台等，从而实现了近场直写装置结构的紧凑性及各活动部件之间的活动协调性。
5、本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置，只需通过近场直写纺丝针头、圆筒式接收器的单轴移动以及圆筒式接收器的旋转即可实现大面积纺丝，纺丝控制更加简单。
附图说明
为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置的整体结构示意图；
图2为本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置的圆筒式接收器的截面结构示意图；
图3为本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置的圆筒式接收器的布置示意图；
图4为本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置的第二固定板的结构示意图；
图5为本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置的筒体外壳的端部结构示意图；
图6为本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置的近场直写纺丝针头的布置结构示意图；
图7为本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置的连接转轴的结构示意图；
图中：1-近场直写纺丝针头、2-圆筒式接收器、21-筒体外壳、22-绝缘支架、23-连接转轴、24-驱动电机、241-驱动电机输出端、3-轴套、41-电接收基底固定夹件、42-电源异性极接口、43-第一导线、44-第二导线、51-固定架平台、52-导轨平台、53-气动水平平台、61-水平支架、62-竖直支架、71-第一固定板、72-第二固定板、721-转轴孔、81-垂直运动导轨、82-垂直运动执行装置、 83-针头紧箍架；
具体实施方式
下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型的保护范围。
如图1所示，本实用新型实施例的一种圆筒式静电纺丝近场直写装置，包括近场直写纺丝针头1、圆筒式接收器2、以及高压电源，其中：圆筒式接收器 2设置在近场直写纺丝针头1的下方，且近场直写纺丝针头1与圆筒式接收器2 轴线垂直，近场直写纺丝针头向圆筒式接收器的圆周面打印纳米纤维图案；高压电源的正极连接近场直写纺丝针头1，高压电源的负极连接圆筒式接收器2。
具体的，近场直写纺丝针头1即为打印喷头，其上可以连接微量注射泵，用以不断向近场直写纺丝针头1提供打印材料，本实用新型的近场直写纺丝针头1可以采用现有技术的纺丝针头，也可以自行设计，本实用新型不做具体限定，均属于本实用新型保护范围。圆筒式接收器2即对应于现有技术的接收板，用于接收近场直写纺丝针头1喷出的打印材料且在特定的位置形成纺丝沉积。圆筒式接收器2位于近场直写纺丝针头1的正上方且水平布置，此外，圆筒式接收器2与近场直写纺丝针头1可发生沿圆筒式接收器2中心轴线方向的相对运动，圆筒式接收器2可绕其中心轴线旋转，从而实现近场直写纺丝针头1在圆筒式接收器2圆周面打印纳米纤维图案。高压电源主要用于与近场直写纺丝针头1和圆筒式接收器2分别电连接，从而在二者之间形成特定的电场。
本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置，接收装置采用圆筒式接收器2，增大了可纺面积，实现了更大面积的纳米纤维图案的打印；另外，本实用新型的圆筒式接收器2极大地缩减了可实现大面积纳米纤维图案打印的直写装置占用空间；此外，本实用新型充分利用圆筒式接收器2由于其几何外形而产生的针头与接收器上预期沉积位置的空间位置优势，相对于非预期的沉积位置，针头与接收器上预期沉积位置间的电场力比周围更强，从而实现了极小间距的纤维精确沉积。
更具体的，在相同场源(U，q)情况下，电场强度都与极间距成反比，因此在本实用新型中，圆筒式接收器2与近场直写纺丝针头1最接近，即极间距最小处，就是当前接收板器预期沉积位置，比较与非预期的沉积位置，针头与接收器上预期沉积位置间的电场力比周围更强，从而实现了极小间距的纤维精确沉积，而这都得益于圆筒式接收器在几何空间上的优点。
在本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置的上述实施例中，对圆筒式接收器2进行了单独的结构设计，如图2、图3所示，圆筒式接收器2包括筒体外壳21、绝缘支架22、连接转轴23、以及驱动电机24，其中：筒体外壳21与高压电源的负极连接；绝缘支架22为十字形支架，绝缘支架22布置在筒体外壳21内部且绝缘支架22的十字交叉点位于筒体外壳21轴线上，绝缘支架22 的端部均与筒体外壳21连接支撑所述筒体外壳21，绝缘支架22的十字交叉处沿绝缘支架22轴向设置有通孔；连接转轴23沿通孔贯穿绝缘支架22，且连接转轴23通过绝缘支架22带动筒体外壳21旋转；驱动电机24通过驱动连接转轴23带动筒体外壳21转动。
具体的，筒体外壳21的外表面即为圆筒式接收器2的纺丝接收面，即在筒体外壳21外表面上形成纳米纤维图案，由于纺丝接收面由传统的平面改进为圆形曲面，从而大大增加了可纺面积，实现了更大面积的纳米纤维图案的打印；此外，圆筒式接收器2与现有平面接收板相比，打印相同面积的纤维图案，其所占用的空间更小。连接转轴23主要用于实现与驱动电机24轴接传动动力，此外用于实现筒体外壳21的旋转支撑，连接转轴23可以通过各种形式的支撑结构旋转支撑，例如图1中示出的相对设置的固定板，对于连接转轴23的支撑结构本实用新型不做具体限定，本领域技术人员可根据实际情况设计。
进一步的，如图7所示，连接转轴23第一端(连接转轴靠近驱动电机的一端为第一端，远离驱动电机的一端为第二端)通过轴套3连接驱动电机输出端 241，并且轴套3为绝缘轴套。具体的，轴套3的两端均设置有内螺纹，连接转轴23第一端及驱动电机输出端241端部均设置有与轴套3内螺纹匹配的外螺纹，轴套3与连接转轴23和驱动电机输出端241均通过螺纹连接，即轴套3可以是两端均加工有内螺纹的长螺母。
进一步的，如图1所示，近场直写纺丝针头1安装在纺丝针头固定架上，圆筒式接收器2通过固定架平台51安装在导轨平台52上且随导轨平台52水平运动，导轨平台52安装在气动水平平台53上，其中：固定架平台51、导轨平台52、以及气动水平平台53由上到下依次水平安装；纺丝针头固定架包括水平支架61与竖直支架62，竖直支架62的顶端水平连接水平支架61且水平支架61位于固定架平台51的上方，竖直支架62的底端与气动水平平台53连接；近场直写纺丝针头1安装在水平支架61的下侧面且正对圆筒式接收器2，近场直写纺丝针头1与圆筒式接收器2的垂直距离可根据打印材料、所选纺丝针头型号等具体调整，本实用新型不做具体限定。
具体的，固定架平台51为平板式结构，主要用于圆筒式接收器2的承载与安装；固定架平台51安装在导轨平台52上，可沿导轨平台52滑动；导轨平台 52上布置有导轨，用于引导固定架平台51按照指定的轨迹滑动；导轨平台52 安装在气动水平平台53，气动水平平台53即为一个水平安装的平台且通过气动方式可实现竖直方向的升降。水平支架61与竖直支架62主要用于实现近场直写纺丝针头1在圆筒式接收器2上方的悬空支撑。
更进一步的，水平支架61的下侧面安装有垂直运动导轨81，垂直运动导轨 81上安装有垂直运动执行装置82，近场直写纺丝针头1通过针头紧箍架83箍紧安装在垂直运动执行装置82上。具体的，垂直运动导轨81即为垂直布置的导轨，用于引导近场直写纺丝针头1在竖直方向运动。垂直运动执行装置82主要用于提供近场直写纺丝针头1垂直滑动的动力，可选的垂直运动执行装置82 可以是伸缩电机，伸缩电机安装在垂直运动导轨81上，通过其动作伸缩电机主体可沿垂直运动导轨81滑动，近场直写纺丝针头1箍紧在伸缩电机主体上，随伸缩电机一起垂直滑动。
进一步的，如图1、图3所示，固定架平台51的第一端竖直安装有第一固定板71，固定架平台的第二端竖直安装有第二固定板72，其中：第一固定板71 与第二固定板72相对设置；圆筒式接收器2水平且可旋转地布置在第一固定板 71与第二固定板72之间，即圆筒式接收器2的轴线水平且与固定板垂直，圆筒式接收器2可绕其轴线旋转。以图3中所示，固定架平台51的右端为第一端，左端为第二端。
进一步的，如图4、图5所示，第一固定板71与第二固定板72均为绝缘板，并且第一固定板71与第二固定板72中的至少一个安装有电源异性极接口42，电源异性极接口42与高压电源负极通过电连接，圆筒式接收器2与电源异性极接口42电连接。
具体的，连接转轴23第二端所在转轴孔721通过第一导线43与电源异性极接口42电连接，从而实现与高压电源负极电连接；筒体外壳21与连接转轴 23通过第二导线44电连接。筒体外壳21靠近连接转轴23第二端的端部设置有电接收基底固定夹件41，电接收基底固定夹件41作为一个接线端，筒体外壳 21通过电接收基底固定夹件41与连接转轴23电连接，即电接收基底固定夹件 41与连接转轴23第二端通过第二导线44电连接；在筒体外壳21的端部可以设置端盖，从而便于第二导线44的布置，此外也具有一定的防尘效果。
本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置，实现了大面积的纳米纤维图案的打印，且装置占用空间小，此外实现了极小间距的纤维精确沉积。
为了更清楚的理解本实用新型的内容，现对本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置的工作过程进行简单的描述：
本实用新型的圆筒式静电纺丝近场直写装置，首先向近场直写纺丝针头注入纺丝溶液(或称为打印材料)；接通高压电源在纺丝针头与圆筒式接收器之间形成高压电场，纺丝溶液由高压电源在纺丝针头不断喷出射流；在近场直写纺丝针头与圆筒式接收器之间的距离内，打印材料经过拉伸、溶剂挥发或冷却固化等过程，最终在圆筒式接收器预定位置上形成纳米级纤维铺层。当然打印过程中，圆筒式接收器的移动及旋转根据打印图案轮廓由计算机控制。
以上借助具体实施例对本实用新型做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本实用新型的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本实用新型所保护的范围。
