基于韦森堡效应的电纺直写射流约束与定位沉积实验研究

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电纺直写技术以其独特的原理性优势被认为是最具发展前景的微纳制造技术之一,提高射流的稳定性和有机微纳结构的沉积精度是将电纺直写技术应用到各领域的关键技术。本文利用溶液在微管道内的韦森堡效应实现对喷头供液,并围绕该供液方式对电纺直写泰勒锥、射流的稳定性和沉积行为展开研究,促进电纺直写的发展。  本文设计一种基于韦森堡效应的旋转针芯喷头,分析旋转针芯喷头的供液原理,并利用工业相机观测旋转供液方式的速度稳定性,考察针芯转动速度、液柱高度等工艺参数,以及微管道长度、针芯伸出长度、针芯柱径等结构参数对供液速度、液体锥形状的影响规律。通过调控参数,实现溶液的输送速度在100μl/hr范围内的调控。  利用仿真软件分析旋转针芯喷头内溶液的剪切变稀现象,得出旋转针芯喷头内的溶液剪切变稀程度比空心喷头大,其中周向流动引起的剪切变稀可降低至原粘度的5%以下;旋转针芯喷头输送溶液时产生周向、轴向、径向的剪切应力,克服了巴勒斯效应,避免喷头出口处液滴直径的增大;利用ANSYS软件仿真、分析喷头与收集板之间的电场,探究针芯对电场的优化作用。基于以上优势,韦森堡效应对射流的形成、喷射具有显著的影响,其启动电压和维持电压最低可降至空心喷头的55%;射流在具有凸起结构的基片上喷射时,射流抗干扰程度较空心针头大,说明旋转针芯喷头可以约束泰勒锥和射流,从而增强纺丝射流的稳定性。  研究基于韦森堡效应的电纺直写的沉积行为,对比分析旋转供液方式的电纺直写沉积纤维的优势,发现旋转针芯喷头直写的射流可以克服空心喷头电纺过程中易产生的射流分叉、纤维沉积精度不高等问题,沉积纤维可利用率可以达到90%以上;探索交流电压作用下旋转针芯喷头喷射出的液滴结构优势,改变针芯转速、脉冲频率可以有效改变液滴喷印的直径和频率,当电压幅值在2.2kV~2.7kV范围内变化时液滴喷印的直径和频率变化不大。  本文提出将旋转供液方式应用到电纺直写,论证、分析旋转供液在电纺直写技术中的优势,通过实验观察电纺直写泰勒锥、射流的稳定性,并观测沉积结构,为后续研究提供了数据支持。
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