微纳波纹结构制造装置与方法

摘要

本发明公开了微纳波纹结构制造装置与方法，该装置包括控制系统，热源，接收基材，热电体，挤出板，储液装置；微纳波纹结构制造方法，步骤为：1）将流动态聚合物材料置于储液装置；2）在热源辐射下，热电体产生感生电场；3）流动态聚合物材料流变拉伸，形成泰勒锥；4）流动态聚合物材料在接收基材上形成微纳波纹结构。本发明采用热感生电场，产生泰勒锥尖所需要的电压阀值更低，且适于多路输出直写，可以避免相互之间的干涉，相比近场电纺，本发明的方法更稳定，射流不稳定现象大大降低，通过控制射流速度、挤出板与接收基材之间的相对运动速度与距离，可以形成多种波纹图案。

权利要求

1.微纳波纹结构制造装置，其特征在于：

包括控制系统，热源，接收基材，热电体，挤出板，储液装置；

其中，控制系统分别与热源、接收基材、挤出板、储液装置相连；

热源用于向热电体提供热辐射以产生感生电场；

储液装置与挤出板相连，其用于向挤出板提供流动态聚合物材料；

挤出板用于向接收基材输出流动态聚合物材料。

2.根据权利要求1所述的微纳波纹结构制造装置，其特征在于：所述的挤出板上设有多个挤出口。

3.根据权利要求2所述的微纳波纹结构制造装置，其特征在于：所述的储液装置通过多个管路与挤出板相连通。

4.根据权利要求1所述的微纳波纹结构制造装置，其特征在于：所述的热电体为铁电体。

5.根据权利要求4所述的微纳波纹结构制造装置，其特征在于：所述的铁电体为BaTiO3、SrTiO3、LiNbO3中的一种。

6.一种微纳波纹结构制造方法，其特征在于：步骤为：

1）将流动态聚合物材料置于权利要求1-4中任意一项所述的装置的储液装置中；

2）控制系统控制热源工作以进行热辐射，在热源辐射下，热电体产生感生电场；

3）在控制系统控制下，储液装置向挤出板提供流动态聚合物材料，流动态聚合物材料在感生电场的作用以及控制系统的控制下，流变拉伸，形成泰勒锥，泰勒锥尖端与接收基材接触；

4）控制挤出板与接收基材在Z轴方向上保持设定的距离，在XY平面内保持设定的相对运动速度，流动态聚合物材料在接收基材上形成微纳波纹结构。

7.根据权利要求6所述的一种微纳波纹结构制造方法，其特征在于：步骤1）中，所述的流动态聚合物材料为下列熔融态的聚合物材料中的至少一种：PCL、PLA、PMMA、ABS、PAM、ACR、PU、PA、PET、PBT、POE、EVA、CPE、EP、PP、PE；或者为下列聚合物材料中的至少一种溶于溶剂中所得的流动态聚合物材料：PEO、PLGA、PVDF。

8.根据权利要求6所述的一种微纳波纹结构制造方法，其特征在于：步骤2）-3）中，控制系统控制热源的辐射强度，从而控制感生电场的强度，进而控制流动态聚合物材料的流变拉伸速度。

9.根据权利要求6所述的一种微纳波纹结构制造方法，其特征在于：步骤3）中，通过储液装置与挤出板之间的多个管道，控制系统控制输液装置选择性的向挤出板输出流动态聚合物材料。

10.根据权利要求6所述的一种微纳波纹结构制造方法，其特征在于：步骤4）中，具体采用数控X、Y、Z轴精密移动平台控制挤出板与接收基材在Z轴方向的距离，以及挤出板与接收基材在XY平面内的相对运动速度。

说明书

微纳波纹结构制造装置与方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微纳波纹结构制造装置与方法。

背景技术

[0002] 波纹结构由于其独特的力学性能及其在柔性可拉伸电子、纳米光电器件的潜在用途，近年来引起了人们的广泛研究。尤其是在柔性电子制造领域，如电子皮肤、柔性可拉伸显示屏等，多采用波纹结构作为电子元件互联结构，从而具有极高的抗拉伸、抗弯曲性能。

[0003] 为了获得蜿蜒波纹结构，现有技术已提出了一些解决方案，如采用预拉伸方法，先将柔性基底进行预拉伸，然后喷印连接结构，在预拉伸释放后，基板恢复自然状态，连接结构由于受到压力，屈曲成蜿蜒状，从而具有较好的抗拉伸性能。然而，该制造方法仍然存在诸多不足，如需要预拉伸工序，流程复杂，且其抗拉伸能力受预拉伸程度影响，因为其是将波纹结构转移到预应变的弹性橡胶基板上，然后释放基板，形成屈曲结构，不可避免的引入残余应力。

[0004] 专利CN102162176A中提出了一种利用静电纺丝来制备微纳波纹结构的方法，其通过将静电纺丝高分子溶液经由喷头进行喷射，并经过电场作用落在柔性基板上，利用射流的非线性不稳定“鞭动”，在空间形成螺旋状，根据射流速度，移动金属收集板，在基板上沉积形成波纹结构。然而，进一步的研究表明，尽管上述现有解决方案能在一定程度上解决波纹结构制备过程中残余应力大的问题，但仍然存在以下的技术问题：由于静电纺丝中的“鞭动”行为本身跟溶液的密度、表面张力、电导率、介电常数等综合因素相关，是电纺丝本身的一种特性，由于影响因素众多、机制复杂，导致多数纤维的“鞭动”行为杂乱无章，沉积的纤维也多为随机的、无规律的无纺布形态；另外，为实现“鞭动”行为，需针对不同溶液体系，对多种工艺参数(如电压、喷射距离、流量等)进行调整，参数控制较为困难，只能在特定的工艺参数下，才能获得稳定可靠的“鞭动”。且由于静电纺丝工艺自身的局限性，目前仍没有成熟的方法，实现静电纺丝的高精度定位沉积与图案化。因此这种制备微纳波纹结构的方法往往效率较低，不能长期、稳定地获得特定波纹结构，实际可操作性差。

[0005] 热感生电场诱导流变成形技术，利用铁电晶体等热电材料，在热源辐射下，产生感生电场，使聚合物在热感生电场的作用下，流变拉伸，形成泰勒锥，泰勒锥尖端与运动的接收基板接触，结合接收基材运动，完成微纳图案的直写。

[0006] 卷绳效应（Liquid rope-coil effect），广泛存在于粘性流体运动过程中。粘性流体非线性运动过程中，因为局部的不均衡受力，导致液柱向某一个方向弯折（buckling），形成的非线性振动。这个振动先是在某一个平面内产生的，但在和个平面垂直的方向看，则只是压缩形变（crushing）。在这个平面上，一旦有新的因素，诱发在这个平面内发生弯折，就会出现另外一个振动。两者所在的平面相互垂直。前后两种振动叠加，形成三维振动。两个振动的振幅、频率也不同，产生出来的综合形态也不同。因此在平面上产生的堆积形变可表现为单纯的折叠（folding），也可表现为花瓣型，也可表现为8字型（figure of eight）。当两个平面内的振幅以及频率趋于一致，堆积则表现为螺旋状，卷绳效应产生。其堆叠的形状，频率和波长，与流体粘度、流量速度、高度、接收板的运动速度等因素有关。（参考文献：1、Habibi M, Hosseini S H, Khatami M H, et al. Liquid supercoiling[J]. Physics of Fluids (1994-present), 2014, 26(2): 024101.）。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供微纳波纹结构制造装置与方法。

[0008] 本发明所采取的技术方案是：

[0009] 微纳波纹结构制造装置，

[0010] 包括控制系统，热源，接收基材，热电体，挤出板，储液装置；

[0011] 其中，控制系统分别与热源、接收基材、挤出板、储液装置相连；

[0012] 热源用于向热电体提供热辐射以产生感生电场；

[0013] 储液装置与挤出板相连，其用于向挤出板提供流动态聚合物材料；

[0014] 挤出板用于向接收基材输出流动态聚合物材料。

[0015] 所述的挤出板上设有多个挤出口。

[0016] 所述的储液装置通过多个管路与挤出板相连通。

[0017] 所述的热电体为铁电体。

[0018] 所述的铁电体为BaTiO3、SrTiO3、LiNbO3中的一种。

[0019] 一种微纳波纹结构制造方法，步骤为：

[0020] 1）将流动态聚合物材料置于所述的装置的储液装置中；

[0021] 2）控制系统控制热源工作以进行热辐射，在热源辐射下，热电体产生感生电场；

[0022] 3）在控制系统控制下，储液装置向挤出板提供流动态聚合物材料，流动态聚合物材料在感生电场的作用以及控制系统的控制下，流变拉伸，形成泰勒锥，泰勒锥尖端与接收基材接触；

[0023] 4）控制挤出板与接收基材在Z轴方向上保持设定的距离，在XY平面内保持设定的相对运动速度，流动态聚合物材料在接收基材上形成微纳波纹结构。

[0024] 步骤1）中，所述的流动态聚合物材料为下列熔融态的聚合物材料中的至少一种：PCL、PLA、PMMA、ABS、PAM、ACR、PU、PA、PET、PBT、POE、EVA、CPE、EP、PP、PE；或者为下列聚合物材料中的至少一种溶于溶剂中所得的流动态聚合物材料：PEO、PLGA、PVDF。

[0025] 步骤2）-3）中，控制系统控制热源的辐射强度，从而控制感生电场的强度，进而控制流动态聚合物材料的流变拉伸速度。

[0026] 步骤3）中，通过储液装置与挤出板之间的多个管道，控制系统控制输液装置选择性的向挤出板输出流动态聚合物材料。

[0027] 步骤4）中，具体采用数控X、Y、Z轴精密移动平台控制挤出板与接收基材在Z轴方向的距离，以及挤出板与接收基材在XY平面内的相对运动速度。

[0028] 本发明的有益效果是：

[0029] 本发明采用热感生电场，产生泰勒锥尖所需要的电压阀值更低，且适于多路输出直写，可以避免相互之间的干涉，相比近场电纺，本发明的方法更稳定，射流不稳定现象大大降低，通过控制射流速度、挤出板与接收基材之间的相对运动速度与距离，可以形成多种波纹图案。

[0030] 具体的：

[0031] 1）本发明采用热感生电场代替高压电场，可以避免直写喷头离基板距离近时容易产生尖端放电现象，且直写过程更安全；

[0032] 2）使用平板代替传统静电纺丝的针头，电场分布情况更集中，产生泰勒锥尖需要的感生电压阀值更小，且能适用于多射流直写，效率更高，而不会出现传统多针头静电纺丝的干涉现象；

[0033] 3）直写过程可避免静电纺丝过程中的“鞭动”的发生，相比近场电纺更稳定，减弱了电纺过程中的射流不稳定性；

[0034] 4）根据射流速度，改变运动平台的速度，改变挤出平台与接收基材的距离，即可获得不同类型、波长和频率的波纹结构，同时可以通过改变挤出平台与接收基材的距离，控制泰勒锥尖端与接收板的接触程度，控制直写波纹图线的尺寸。

附图说明

[0035] 图1是本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

[0036] 如图1所示：

[0037] 微纳波纹结构制造装置，

[0038] 包括控制系统1，热源2，接收基材3，热电体4，挤出板5，储液装置6；

[0039] 其中，控制系统分别与热源、接收基材、挤出板、储液装置相连；

[0040] 热源用于向热电体提供热辐射以产生感生电场；

[0041] 储液装置与挤出板相连，其用于向挤出板提供流动态聚合物材料；

[0042] 挤出板用于向接收基材输出流动态聚合物材料。

[0043] 优选的，所述的挤出板上设有多个挤出口。

[0044] 优选的，所述的储液装置通过多个管路与挤出板相连通。

[0045] 优选的，控制系统可以控制供热源的热辐射强度，进而调节感生电场的强度大小；

[0046] 优选的，热电体与接收基材紧密相连；

[0047] 优选的，未在图中示出的，本发明的微纳结构制造装置还包括数控X、Y、Z轴精密移动平台，可以控制接收基材与挤出板在XY平面内的相对运动速度，以及挤出板与接收基材在Z轴方向的距离。

[0048] 优选的，所述的热电体为铁电体；进一步优选的，所述的铁电体为BaTiO3、SrTiO3、LiNbO3中的一种。

[0049] 优选的，所述的流动态聚合物材料为下列熔融态的聚合物材料中的至少一种：PCL、PLA、PMMA、ABS、PAM、ACR、PU、PA、PET、PBT、POE、EVA、CPE、EP、PP、PE；或者为下列聚合物材料中的至少一种溶于溶剂中所得的流动态聚合物材料：PEO、PLGA、PVDF。

[0050] 一种微纳波纹结构制造方法，步骤为：

[0051] 1）将流动态聚合物材料置于上述装置的储液装置中；

[0052] 2）控制系统控制热源工作以进行热辐射，在热源辐射下，热电体产生感生电场；

[0053] 3）在控制系统控制下，储液装置向挤出板提供流动态聚合物材料，流动态聚合物材料在感生电场的作用以及控制系统的控制下，流变拉伸，形成泰勒锥，泰勒锥尖端与接收基材接触；

[0054] 4）控制挤出板与接收基材在Z轴方向上保持设定的距离，在XY平面内保持设定的相对运动速度，流动态聚合物材料在接收基材上形成微纳波纹结构。

[0055] 优选的，步骤1）中，所述的流动态聚合物材料为下列熔融态的聚合物材料中的至少一种：PCL、PLA、PMMA、ABS、PAM、ACR、PU、PA、PET、PBT、POE、EVA、CPE、EP、PP、PE；或者为下列聚合物材料中的至少一种溶于溶剂中所得的流动态聚合物材料：PEO、PLGA、PVDF。

[0056] 优选的，步骤2）-3）中，控制系统控制热源的辐射强度，从而控制感生电场的强度，进而控制流动态聚合物材料的流变拉伸速度。

[0057] 优选的，步骤3）中，通过储液装置与挤出板之间的多个管道，控制系统控制输液装置选择性的向挤出板输出流动态聚合物材料。

[0058] 优选的，步骤4）中，具体采用数控X、Y、Z轴精密移动平台控制挤出板与接收基材在Z轴方向的距离，以及挤出板与接收基材在XY平面内的相对运动速度。

[0059] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：

[0060] 实施例1：

[0061] 1）将聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA)置于下方挤出板上；

[0062] 2）在热源辐射下，上方LiNbO3晶体产生感生电场，使PLGA 在热感生电场的作用下，流变拉伸，形成泰勒锥，泰勒锥尖端与接收柔性基材接触；

[0063] 3）由控制系统控制热源辐射强度，控制拉伸流变的速度；

[0064] 4）通过控制Z轴运动，调整挤出板与接收柔性基材的距离为1mm，改变距离可控制直写纤维的直径；

[0065] 5）采用数控X、Y轴精密移动平台控制挤出板，使挤出板相对于接收柔性基材单方向运动，速度为5mm/s，通过控制程序控制热源的启停进而控制直写的启停，可实现微纳摆线波纹结构的制作；改变移动平台速度为6mm/s，可实现微纳倒8字形波纹结构的制作；改变移动平台速度为8mm/s，可实现微纳正弦式波纹结构的制作；当平台速度为13mm/s时，变成直线。

[0066] 本实施例仅提供说明步骤，其中热源强度、挤出板速度、挤出板与接收柔性基材的距离等参数可根据实验情况选择合适的数值。

[0067] 实施例2：

[0068] 1）将聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA)置于下方挤出板上；

[0069] 2）在热源辐射下，上方LiNbO3晶体产生感生电场，使PLGA 在热感生电场的作用下，流变拉伸，形成泰勒锥，泰勒锥尖端与接收柔性基材接触；

[0070] 3）由控制系统控制热源辐射强度，控制拉伸流变的速度；

[0071] 4）通过控制Z轴运动，调整挤出板与接收柔性基材的距离为0.8mm；

[0072] 5）采用数控X、Y轴精密移动平台控制挤出板，使挤出板相对于接收柔性基材单方向运动，速度为4.5mm/s，通过控制程序控制热源的启停进而控制直写的启停，可实现微纳摆线波纹结构的制作；改变移动平台速度为5mm/s，可实现微纳倒8字形波纹结构的制作；改变移动平台速度为6.5mm/s，可实现微纳正弦式波纹结构的制作；当平台速度为12mm/s时，变成直线。