CN102179326B - 连续工作可控静电喷射装置 - Google Patents

Abstract

连续工作可控静电喷射装置，涉及一种静电喷射装置。提供一种可实现静电喷射启停控制和单股射流长时间稳定喷射的连续工作可控静电喷射装置。设有空心喷头、喷头下上通道、导体探针、绝缘密封套管、电动螺旋调节器、供液装置、开关阀、负压室、高压继电器、静电高压电源、导电继电器、控制器和收集板；空心喷头下端设有喷嘴，上端设有封盖；导体探针设于空心喷头内，导体探针固于绝缘密封套管内，供液装置经喷头上通道与空心喷头相通，喷头下通道与负压室相通，导体探针与高压继电器公共端相连，高压继电器常开端与静电高压电源正极相连，空心喷头外壳与导电继电器公共端相连，收集板设于导体探针下端的正下方。

Description

连续工作可控静电喷射装置

技术领域

本发明涉及一种静电喷射装置，尤其是涉及一种基于电液耦合原理的连续工作可控静电喷射装置。

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)。

电液耦合喷印是利用静电场诱导液体发生流变形成Taylor锥，当电场力足以克服溶液表面张力束缚时便产生射流从Taylor锥尖射出，射流经溶剂挥发、拉伸变形等过程后沉积于收集板上形成微纳结构。电液耦合喷印过程受空间电场分布、溶液波动等多方面不稳定因素的影响，难以实现微纳米结构的精确控制，极大地限制了该技术的快速应用发展。

Sun D.H.等([2]Sun D.H.，Chang C.，Li S.，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；但近场静电纺丝技术采用了醮取离散液滴的方式进行补液，无法实现长时间连续喷射。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；但手工刺破液滴的方法难以保证喷射过程的稳定性，也无法达到对喷射过程进行有效的启停控制，无法在产业化生产中得到更广泛的应用。Roger等([4]ParkJang-Ung，Hardy Matt，Kang Seong Jun，et al.Nat Mater，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.，et al.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，但这种控制方式结构复杂、对电源性能要求高，且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。

目前，实现喷印过程的精确控制和有机微纳结构的可控制备是电液耦合喷印技术产业化应用的关键所在，急需在喷印设备与喷印控制技术上有新的突破与改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现静电喷射启停控制和单股射流长时间稳定喷射的连续工作可控静电喷射装置。

本发明设有空心喷头、喷头下通道、喷头上通道、导体探针、绝缘密封套管、电动螺旋调节器、供液装置、开关阀、负压室、高压继电器、静电高压电源、导电继电器、控制器和收集板；

空心喷头下端设有喷嘴，空心喷头上端设有封盖，导体探针的绝缘密封套管设于空心喷头内，导体探针固于绝缘密封套管内，导体探针下端露出空心喷头的喷嘴，绝缘密封套管固于电动螺旋调节器上，电动螺旋调节器与空心喷头上端的封盖螺接，供液装置经喷头上通道与空心喷头相通，喷头下通道经开关阀与负压室相通，导体探针与高压继电器公共端相连，高压继电器常开端与静电高压电源正极相连，空心喷头外壳与导电继电器公共端相连，静电高压电源负极、高压继电器常闭端、导电继电器常闭端及收集板均与地相接，高压继电器、导电继电器、开关阀和电动螺旋调节器均与控制器控制端电连接，收集板设于导体探针下端的正下方。

所述空心喷头、导体探针、绝缘密封套管和电动螺旋调节器最好为同轴心线。

所述供液装置最好采用精密注射泵装置。

所述开关阀最好采用带调压机构的开关阀。

所述导体探针露出空心喷头喷嘴的长度可为50～500μm；所述空心喷头喷嘴的内径可为100～500μm；所述喷头下通道的内径可为空心喷头喷嘴内径的2～4倍；所述导体探针的直径可为80～180μm，导体探针的针尖直径可为1～20μm；所述负压室的压强可为0.01～1kPa，开关阀开启时空心喷头内的溶液可经开关阀流向负压室；所述空心喷头的喷嘴下端口距收集板的距离可为0.5～10mm可调。

与现有技术比较，本发明具有以下突出的实质性特点和显著的进步：

工作时，首先根据溶液特性利用电动螺旋调节器的旋转调整导体探针伸出(露出)空心喷头喷嘴的长度，将溶液注入精密供液装置；开启静电高压电源、精密供液装置、负压室和开关阀。根据溶液特性调节负压室内压强，确保开关阀开启时溶液能顺利经开关阀流向负压室，从而避免在停止喷射时溶液在喷嘴处过多积累而产生液滴滴下。将空心喷头定位于收集板上方，控制器按预定程序控制高压继电器、导电继电器、开关阀的通断动作，实现对喷射过程的停止与启动的控制。当启动喷射时，控制器发出信号使开关阀关闭、高压继电器和导电继电器常开端导通，开关阀关闭，使空心喷头内溶液液面下降并沿导体探针流至针尖处，溶液在高压电场作用下形成Taylor锥。由于导体探针的引导作用避免了溶液的无序喷射，可实现微纳结构的有序可控沉积。当停止喷射时，控制器发出信号使开关阀打开、高压继电器和导电继电器常闭端导通，开关阀打开，溶液流向负压室而不再流向导体探针针尖，空心喷头内液面上升促使喷射迅速停止。在切断导体探针与静电高压电源连接的同时，导体探针及空心喷头外壳可迅速接地导走多余电荷，从而避免了尾流的产生。绝缘密封套管可防止空心喷头内溶液沿导体探针回流并具有良好的绝缘性能。

本发明通过负压室控制空心喷头内部液面的高度，配合静电高压的通断可以很好地控制静电喷射的启动与停止；利用精密注射泵进行供液，并以导体探针作为引导实现单股射流的连续喷射，可实现静电喷射装置的长时间稳定工作。本发明可适用于流水线作业。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例设有空心喷头4、喷头下通道9、喷头上通道12、导体探针10、绝缘密封套管13、电动螺旋调节器14、精密注射泵装置11、开关阀8(带调压机构)、负压室7、高压继电器2、静电高压电源3、导电继电器5、控制器1和收集板6。

空心喷头4下端设有喷嘴，空心喷头4上端设有封盖。导体探针10的绝缘密封套管13设于空心喷头4内，导体探针10固于绝缘密封套管13内，导体探针10下端露出空心喷头4的喷嘴。绝缘密封套管13固于电动螺旋调节器14上，电动螺旋调节器14与空心喷头4上端的封盖螺接。精密注射泵装置11经喷头上通道12与空心喷头4相通，喷头下通道9经开关阀8与负压室7相通。导体探针10与高压继电器2公共端相连，高压继电器2常开端与静电高压电源3正极相连，空心喷头4外壳与导电继电器5公共端相连，静电高压电源3负极、高压继电器2常闭端、导电继电器5常闭端及收集板6均与地相接。高压继电器2、导电继电器5、开关阀8和电动螺旋调节器14均与控制器1控制端电连接。收集板6设于导体探针10下端的正下方。

所述空心喷头4、导体探针10、绝缘密封套管13和电动螺旋调节器14为同轴心线。

所述导体探针10露出空心喷头4喷嘴的长度为50～500μm；所述空心喷头4喷嘴的内径为100～500μm；所述喷头下通道9的内径是空心喷头4喷嘴内径的2～4倍；所述导体探针10的直径为80～180μm，导体探针10的针尖直径为1～20μm；所述负压室7的压强为0.01～1kPa，开关阀8开启时空心喷头4内的溶液可经开关阀8流向负压室7；所述空心喷头4的喷嘴下端口距收集板6的距离为0.5～10mm。通过电动螺旋调节器14的旋转可调整导体探针10伸出(露出)空心喷头4喷嘴的长度，

根据溶液特性利用电动螺旋调节器14调整导体探针10伸出空心喷头4喷嘴部分的长度；将溶液注入精密注射泵装置11；开启静电高压电源3、精密注射泵装置11、负压室7和开关阀8。根据溶液特性调节负压室7的压强，确保开关阀8开启时溶液能顺利经开关阀8流向负压室7；从而避免了停止喷射时溶液在空心喷头4喷嘴处过多积累而产生液滴滴下。将空心喷头4定位于收集板6上方，控制器1按预定程序控制高压继电器2、导电继电器5、开关阀8的通断动作，实现喷射过程的停止与启动控制。启动喷射时，控制器发出信号使开关阀8关闭、高压继电器2和导电继电器5常开端导通。开关阀8关闭，使空心喷头4内溶液液面下降并沿导体探针10流至针尖处。受导体探针10的引导作用，单股射流从导体探针10针尖射出。停止喷射时，控制器1发出信号使使开关阀8打开、高压继电器2和导电继电器5常闭端导通。开关阀8打开溶液流向负压室7而不再流向导体探针10针尖，空心喷头4内液面上升促使喷射迅速停止。在切断导体探针10与静电高压电源3连接的同时，使导体探针10及空心喷头4外壳迅速接地导走多余的电荷，从而避免了尾流的产生。

Claims (8)

1.连续工作可控静电喷射装置，其特征在于，该连续工作可控静电喷射装置设有空心喷头、喷头下通道、喷头上通道、导体探针、绝缘密封套管、电动螺旋调节器、供液装置、开关阀、负压室、高压继电器、静电高压电源、导电继电器、控制器和收集板；

空心喷头下端设有喷嘴，空心喷头上端设有封盖，导体探针的绝缘密封套管设于空心喷头内，导体探针固于绝缘密封套管内，导体探针下端露出空心喷头的喷嘴，绝缘密封套管固于电动螺旋调节器上，电动螺旋调节器与空心喷头上端的封盖螺接，供液装置经喷头上通道与空心喷头相通，喷头下通道经开关阀与负压室相通，导体探针与高压继电器公共端相连，高压继电器常开端与静电高压电源正极相连，空心喷头外壳与导电继电器公共端相连，静电高压电源负极、高压继电器常闭端、导电继电器常闭端及收集板均与地相接，高压继电器、导电继电器、开关阀和电动螺旋调节器均与控制器控制端电连接，收集板设于导体探针下端的正下方；

所述供液装置为精密注射泵。

2.如权利要求1所述的连续工作可控静电喷射装置，其特征在于所述空心喷头、导体探针、绝缘密封套管和电动螺旋调节器为同轴心线。

3.如权利要求1所述的连续工作可控静电喷射装置，其特征在于所述开关阀采用带调压机构的开关阀。

4.如权利要求1所述的连续工作可控静电喷射装置，其特征在于所述导体探针露出空心喷头喷嘴的长度为50～500μm；所述空心喷头喷嘴的内径为100～500μm。

5.如权利要求1所述的连续工作可控静电喷射装置，其特征在于所述喷头下通道的内径为空心喷头喷嘴内径的2～4倍。

6.如权利要求1所述的连续工作可控静电喷射装置，其特征在于所述导体探针的直径为80～180μm，导体探针的针尖直径为1～20μm。

7.如权利要求1所述的连续工作可控静电喷射装置，其特征在于所述负压室的压强为0.01～1kPa。

8.如权利要求1所述的连续工作可控静电喷射装置，其特征在于所述空心喷头的喷嘴下端口距收集板的距离为0.5～10mm。