本發(fā)明涉及微納制造與增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大高度微納結(jié)構(gòu)的三維熔融靜電打印方法。

背景技術(shù)：

熔融靜電打印是一種高精度的微納米纖維制造技術(shù)，該技術(shù)利用聚合物熔體在強(qiáng)電場(chǎng)下形成微納米纖維進(jìn)行靜電直寫(xiě)，結(jié)合傳統(tǒng)增材制造的原理與方法，通過(guò)層層堆積實(shí)現(xiàn)各種三維微納結(jié)構(gòu)。該技術(shù)不僅具有纖維直徑小、纖維均一性好、能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米、納米尺度等優(yōu)勢(shì)，而且可用于熔融靜電打印材料很多,包括從絕緣聚合物到導(dǎo)電聚合物,從無(wú)機(jī)高分子材料到生物材料，因此該技術(shù)在微納米器件、組織工程等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

但是由于打印工藝的限制，該技術(shù)在制作大高度三維微納結(jié)構(gòu)方面仍存在一些問(wèn)題：由于該技術(shù)是利用高壓靜電驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)纖維的沉積，隨著三維微納結(jié)構(gòu)高度的不斷增加，電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之改變，原有的打印工藝改變，使得可制作的三維微納結(jié)構(gòu)高度有限，最大高度一般不超過(guò)2mm，不能用于構(gòu)建較大高度的三維微納結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種大高度微納結(jié)構(gòu)的三維熔融靜電打印方法，能夠穩(wěn)定、連續(xù)的打印出具有大高度的三維微納結(jié)構(gòu)，可廣泛應(yīng)用于微納米器件、組織工程等領(lǐng)域。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種大高度微納結(jié)構(gòu)的三維熔融靜電打印方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)想要打印的復(fù)雜圖案或三維模型在計(jì)算機(jī)上編制出控制移動(dòng)平臺(tái)的程序；

2)配置含導(dǎo)電介質(zhì)溶液，含導(dǎo)電介質(zhì)溶液質(zhì)量濃度介于1～20％之間；

3)選取熔融靜電打印材料，熔融靜電打印材料包括聚己內(nèi)酯、聚乳酸、聚丙烯、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、乙烯/聚乙烯醇共聚物、尼龍系列聚合物的具有極性基團(tuán)的高聚物，根據(jù)材料的熔點(diǎn)不同，確定電加熱圈或水油浴循環(huán)的加熱溫度，電加熱圈溫度范圍在40～500℃之間，油浴循環(huán)溫度范圍在40～200℃之間，水浴循環(huán)溫度范圍在40～100℃之間；

4)將步驟2)配制的含導(dǎo)電介質(zhì)溶液和步驟3)選取的熔融靜電打印材料分別裝入含多個(gè)噴頭的熔融靜電打印裝置的注射器中,其中溶液打印噴頭用于將步驟2)中配置的含導(dǎo)電介質(zhì)溶液以擠出的方式打印，熔融打印噴頭用于將步驟3)選取的熔融靜電打印材料以熔融靜電打印的方式打印；

5)根據(jù)所需要纖維的線寬，線寬尺寸在1～100μm之間，從而確定移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)速度：1～300mm/s、熔融打印噴頭的型號(hào)：100～1000μm,以及高精密注射泵流量：5～1000ul/h，熔融靜電打印噴頭接正電壓，移動(dòng)平臺(tái)上的接收平臺(tái)接地，調(diào)整熔融打印噴頭與接收平臺(tái)之間的距離：0.5～10mm之間，打開(kāi)高壓電源，調(diào)整電壓至需要幅值：0.1～20kv；

6)將控制移動(dòng)平臺(tái)的程序輸入主機(jī)，程序通過(guò)控制模塊控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和熔融靜電打印噴頭實(shí)現(xiàn)層層堆積得到0.1～2mm的三維微納結(jié)構(gòu)；

7)待完成單次打印的三維微納結(jié)構(gòu)后，程序自動(dòng)將熔融靜電打印噴頭切換到溶液打印噴頭，溶液打印噴頭將步驟2)中的含導(dǎo)電介質(zhì)溶液以擠出的方式填充進(jìn)步驟6)中所得的三維微納結(jié)構(gòu)中，溶液填充高度稍微低于三維微納結(jié)構(gòu)的高度，利用溫度交聯(lián)或者化學(xué)交聯(lián)的方法使含導(dǎo)電介質(zhì)溶液成膠，含有導(dǎo)電離子的鹽溶液則不用進(jìn)行交聯(lián)處理，形成新的接收平臺(tái)，程序自動(dòng)將熔融打印噴頭與接收平臺(tái)之間的距離調(diào)高一個(gè)膠體的厚度：0.1～2mm；

8)根據(jù)控制移動(dòng)平臺(tái)的程序，自動(dòng)重復(fù)步驟6)和步驟7)，直到三維微納結(jié)構(gòu)的高度達(dá)到所需高度，得到三維微納結(jié)構(gòu)與電介質(zhì)溶以及水凝膠的復(fù)合結(jié)構(gòu)；

9)通過(guò)清洗、改變溫度或化學(xué)反應(yīng)方式去除步驟8得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電介質(zhì)溶液或水凝膠，得到大高度微納結(jié)構(gòu)，還能夠獲得大高度微納結(jié)構(gòu)與水凝膠的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

所述的步驟2)中含導(dǎo)電介質(zhì)溶液包括各種含有導(dǎo)電離子的鹽溶液，鹽溶液包括氯化鈉溶液、氯化鈣溶液，或具有一定導(dǎo)電性能的凝膠-粒子混合溶液。

所述的凝膠包括溫度交聯(lián)的明膠和瓊脂糖、化學(xué)交聯(lián)的殼聚糖和海藻酸鈉、光交聯(lián)的聚乙二醇和明膠，或者這些材料的混合溶液。

本發(fā)明的有益效果為：

與現(xiàn)有的熔融靜電打印方法相比，本專利的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)向三維微納結(jié)構(gòu)中填充可流動(dòng)的導(dǎo)電介質(zhì)溶液，使得在打印過(guò)程中導(dǎo)電的接收平臺(tái)動(dòng)態(tài)升高，克服傳統(tǒng)熔融靜電打印工藝中電場(chǎng)隨高度升高而衰減的缺點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)大高度三維微納結(jié)構(gòu)的一體化制造。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例步驟6)得到的三維微納結(jié)構(gòu)。

圖2為實(shí)施例步驟7)得到的三維微納結(jié)構(gòu)。

圖3為實(shí)施例步驟8)得到的三維微納結(jié)構(gòu)與電介質(zhì)溶以及水凝膠的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖4為實(shí)施例步驟9)得到的三維微納結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

一種大高度微納結(jié)構(gòu)的三維熔融靜電打印方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)想要打印的復(fù)雜圖案或三維模型在計(jì)算機(jī)上編制出控制移動(dòng)平臺(tái)的程序；

2)配置含導(dǎo)電介質(zhì)溶液，所選用的含導(dǎo)電介質(zhì)溶液為明膠和瓊脂糖相互混合后的溶液，質(zhì)量濃度為5％和1.5％；

3)選取聚己內(nèi)酯為熔融靜電打印材料，確定電加熱圈的加熱溫度為：70℃；

4)將步驟2)配制的明膠和瓊脂糖混合溶液和步驟3)選取的聚己內(nèi)酯分別裝入含多個(gè)噴頭的熔融靜電打印裝置的注射器中,其中溶液打印噴頭用于將步驟2)中配置的含導(dǎo)電介質(zhì)溶液以擠出的方式打印，熔融打印噴頭用于將步驟3)選取的材料以熔融靜電打印的方式打印；

5)選擇8μm作為纖維的線寬，從而確定移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)速度：30mm/s、熔融打印噴頭的型號(hào)：400μm,以及高精密注射泵流量：100ul/h，熔融靜電打印噴頭接正電壓，移動(dòng)平臺(tái)上的接收平臺(tái)接地，調(diào)整熔融打印噴頭與接收平臺(tái)之間的距離：3mm，打開(kāi)高壓電源，調(diào)整電壓至需要幅值：3kv；

6)將控制移動(dòng)平臺(tái)的程序輸入主機(jī)，程序通過(guò)控制模塊控制移動(dòng)平臺(tái)和熔融靜電打印噴頭實(shí)現(xiàn)層層堆積得到三維微納結(jié)構(gòu)，打印層數(shù)為100層，即單次打印微納結(jié)構(gòu)高度為1mm，如圖1所示；

7)待完成單次打印的三維微納結(jié)構(gòu)后，程序自動(dòng)將熔融靜電打印噴頭切換到溶液打印噴頭，溶液打印噴頭將步驟2)中的明膠和瓊脂糖混合溶液填充進(jìn)步驟6)中所得的三維微納結(jié)構(gòu)，如圖2所示；溶液填充高度稍微低于三維微納結(jié)構(gòu)的高度，以保證后續(xù)打印的三維微納結(jié)構(gòu)和該部分三維微納結(jié)構(gòu)能夠充分粘連，將溫度降低至18℃以下使其成膠，形成新的接收平臺(tái)，將熔融打印噴頭與接收平臺(tái)之間的距離調(diào)高一個(gè)膠體的厚度：1mm；

8)根據(jù)控制移動(dòng)平臺(tái)的程序，自動(dòng)重復(fù)步驟6)和步驟7)，直到三維微納結(jié)構(gòu)的高度達(dá)到所需高度：5mm，得到三維微納結(jié)構(gòu)與電介質(zhì)溶以及水凝膠的復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖3所示；

9)將步驟8)中得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)放入50℃溫水中浸泡2小時(shí)，便可以將明膠和瓊脂糖去除，得到大高度三維微納結(jié)構(gòu)，三維微納結(jié)構(gòu)的高度大約為5mm，如圖4所示。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種大高度微納結(jié)構(gòu)的三維熔融靜電打印方法，先在計(jì)算機(jī)上編制出控制平臺(tái)移動(dòng)的程序，選擇用于填充的含有導(dǎo)電介質(zhì)溶液和熔融靜電打印材料，并將其分別裝入含多個(gè)噴頭的熔融靜電打印裝置的注射器中,然后選擇熔融靜電打印參數(shù)，通過(guò)熔融靜電打印得到設(shè)定厚度的三維微納結(jié)構(gòu)，將含導(dǎo)電介質(zhì)溶液填充進(jìn)三維微納結(jié)構(gòu)，利用溫度交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)的方法使其成膠，使得熔融靜電打印接收平臺(tái)升高，將熔融打印噴頭與接收平臺(tái)之間的距離調(diào)高一個(gè)膠體的厚度，如此反復(fù)，直到三維微納結(jié)構(gòu)的高度達(dá)到所需高度，實(shí)現(xiàn)熔融靜電打印大高度的三維微納結(jié)構(gòu)，本發(fā)明克服傳統(tǒng)熔融靜電打印工藝中電場(chǎng)隨高度升高而衰減的缺點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于微納米器件、組織工程等領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：賀健康;夏正勛;李滌塵;劉亞雄;王玲;連芩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.26
技術(shù)公布日：2017.07.14