一种基于变速控制的多针静电纺丝设备

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，尤其涉及一种基于变速控制的多针静电纺丝设备。

背景技术

纳米纤维是纳米材料的一种，具有较高的比表面积，在尺度效应、表面效应、力学性能等方面，其比常规纤维具有更高的应用价值，可广泛应用于能源、环保、生物医药、电子信息等领域。

多针静电纺丝是现阶段使用较多的规模化生产方案，一般采用匀速控制方案。在喷射装置上配置多个针头，针头之间可以是等间距或不等间距。通过针头持续供应纺丝用带电浆料，同时在针头上施加一定电压，浆料在针头与接收装置之间的电场中运动、成丝，最后沉积在接收装置上。由于边缘针头的电场大小及方向具有不均匀性，可能导致纺丝沉积中心点向外偏离针头在接收装置上的垂直投影点，且纺丝厚度不可避免地存在较强的不均匀性，一般采用喷射装置与接收装置之间作相对往复匀速运动的方式来改善厚度不均匀性，但边缘处仍存在较强的不均匀性。实际生产中往往对电纺纤维膜进行切边处理，以确保产品膜的厚度/克重一致，这一方面减小了纤维膜有效幅宽，降低了产线产能，另一方面不可避免地造成了原料损耗，尤其是当原料成本较高时，切边处理降低了工艺的经济性。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于变速控制的多针静电纺丝设备，用以解决现有技术纺丝边缘厚度不均匀性较大和材料浪费的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种基于变速控制的多针静电纺丝设备，包括静电发生器、针头呈阵列排布的喷射装置、储存有带电浆料的储液装置、接收装置，以及控制器；其中，

高压静电发生器的输出端与喷射装置的电极连接；储液装置的输出端与喷射装置的供液口连接；接收装置接地；

控制器，用于建立喷射装置的各针头进行横向往复运动获得的纺丝厚度分布模型；以及，将纺丝边缘厚度不均匀性最小作为上述分布模型的优化目标，求解得出各针头溶液推进速度的最优组合，进而实时控制下一时刻各针头进行变速滑动纺丝，得到均匀厚度的纤维膜。

上述技术方案的有益效果如下：基于变速控制实现静电纺丝纤维膜的均匀膜厚。通过对多针纺丝叠加厚度的线性组合，即纺丝厚度分布模型进行优化求解，可获得各针头溶液推进速度的最优组合，进而变速控制改善纺丝纤维边缘膜厚的均匀性，提升产能和经济性。另外，当针头堵塞时，仍然可获得均匀膜厚的静电纺丝。

基于上述设备的进一步改进，所述所述喷射装置进一步包括喷丝阵列结构、滑动杆、固定杆；其中，

所述喷丝阵列结构的各针头相互平行，均处于倾斜状态或均处于竖直状态；并且，各针头的喷射端部均处于同一平面，该平面与接收装置所在平面平行；

所述喷丝阵列结构固定安装于所述滑动杆上；所述滑动杆套设于所述固定杆的外部，其控制端与控制器的输出端连接。

进一步，所述控制器进一步包括依次连接的：

数据采集单元，用于采集当前时刻喷射装置的喷射端中心坐标、溶液推进速度，发送至数据处理与控制单元；

数据处理与控制单元，用于建立喷射装置的各针头进行横向往复运动获得的纺丝厚度分布模型；以及，将纺丝边缘厚度不均匀性最小作为上述分布模型的优化目标，根据当前时刻喷射装置的喷射端中心坐标、溶液推进速度优化求解获得各针头溶液推进速度的最优组合，进而根据该最优组合实时调整下一时刻各针头进行变速滑动纺丝，得到均匀厚度的纤维膜。

进一步，所述数据采集单元进一步包括：

坐标定位子单元，用于获取当前时刻喷射装置的喷射端中心三维坐标，以及接收面上该三维坐标对应的喷射点坐标；

速度定位子单元，用于获取当前时刻各针头的溶液推进速度。

进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：

识别喷射装置的各针头是否堵塞，确定堵塞的针头的序号；

建立喷射装置的所有不堵塞的针头进行横向往复运动获得的纺丝厚度分布模型；

将纤维膜边缘厚度不均匀性最小作为上述分布模型的优化目标，结合当前时刻喷射装置的喷射端中心三维坐标，以及接收面上该三维坐标对应的喷射点坐标、溶液推进速度进行优化求解，获得不堵塞的各针头溶液推进速度的最优组合；

将下一时刻不堵塞的各针状态调整至上述最优组合，重复上述过程，直到纺丝结束，得到均匀厚度的纤维膜。

进一步，所述喷射装置的所有不堵塞的针头进行横向往复运动获得的纺丝厚度分布模型为

式中，

进一步，所述

式中，

进一步，所述优化目标为

Min{[

0≤

式中，

进一步，所述喷射装置采用针式喷丝阵列结构和无针式喷丝阵列结构中的至少一种；其中，

针式喷丝阵列结构采用直径0.5～2mm的毛细管或注射器阵列；

无针式喷丝阵列结构为设有多个喷嘴、喷丝或狭缝的金属平板。

进一步，该设备还包括布设于喷射装置、接收装置之间的侧向且对称设置的辅助电极；其中，

所述辅助电极，用于通过具有电磁屏蔽效应的辅助器件对喷射装置到接收装置之间的电场进行约束。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、针对静电纺丝纤维膜边缘厚度均匀性低的问题，改变常规的喷射装置匀速往复滑动方法+匀速注射纺丝浆料，采用变速控制方法，可以是变速往复滑动+匀速注射纺丝浆料或匀速往复滑动+变速注射纺丝浆料，也可以是两者的组合，获得厚度均匀的纺丝纤维膜，其有效幅宽比常规匀速往复滑动更大。实现了静电纺丝膜厚度均匀可控，使纺丝纤维膜厚度均匀的有效宽度最大化，并减少因纤维膜边缘厚度不均匀引起的生产损耗；

2、当多针静电纺丝过程中发生针头堵塞情况时，通过调整变速控制参数，仍可实现较宽幅度的厚度均匀的纤维膜制备，其对纤维膜有效幅宽及原料损耗的改善效果仍然优于匀速往复运动和无往复运动，确保继续生产。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例1基于变速控制的多针静电纺丝设备组成示意图；

图2示出了实施例1等速纺丝的多针纺丝叠加厚度分布归一化结果示意图；

图3示出了实施例1电纺丝往复滑动的纤维膜厚对比一示意图；

图4示出了实施例1电纺丝往复滑动的纤维膜厚对比二示意图；

图5示出了实施例1针头堵塞情况下电纺丝往复滑动的纤维膜厚对比示意图；

图6示出了实施例2喷射装置的纺丝示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

实施例1

本发明的一个实施例，公开了一种基于变速控制的多针静电纺丝设备，如图1所示，包括静电发生器、针头呈阵列排布的喷射装置、储存有带电浆料的储液装置、接收装置，以及控制器。其中，高压静电发生器的输出端与喷射装置的电极连接；储液装置的输出端与喷射装置的供液口连接；接收装置接地。

控制器，用于建立喷射装置的各针头进行横向往复运动获得的纺丝厚度分布模型；以及，将纺丝边缘厚度不均匀性最小作为上述分布模型的优化目标，求解得出各针头溶液推进速度的最优组合，进而实时控制下一时刻各针头进行变速滑动纺丝，得到均匀厚度的纤维膜。

为了更好地阐述上述设备的效果，进行了如下试验。

试验一：单针静电纺丝可在平面接收装置上形成一个圆形纤维膜，沿直径方向测量其厚度，可发现厚度变化呈中间厚、两边薄的对称分布趋势。这里假设一维方向的厚度分布近似为Gauss函数，多针静电纺丝虽不是单针静电纺丝的简单叠加，针间电磁干扰导致各针纺丝厚度分布存在一定差异，但多针纺丝叠加厚度分布仍可表示为各针纺丝厚度分布的线性组合，如图2所示。可以看到，多针纺丝叠加厚度在中间段均匀性较好，但在两个边缘处厚度存在较大的波动，并迅速减少。

试验二：为改善图2中的膜厚不均匀性，使喷射装置相对于接收装置在横向上作左右往复运动。图3是匀速往复运动与变速往复运动的纺丝最终厚度分布对比，可看出，往复运动可以改善纺丝最终厚度的均匀性，减弱了纤维膜两端的厚度波动；与匀速滑动相比，变速滑动在边缘处厚度收敛于零的速度更快。根据纺丝均匀度子图，假设生产中以厚度相对误差不超过±5%为控制要求，不作往复滑动的纺丝有效区间为[13.02,19.46],有效幅宽为6.44，作匀速往复滑动的纺丝有效区间为[12.79，19.69],有效幅宽为6.90，作变速往复滑动的纺丝有效区间为[12.37，20.00],有效幅宽为7.63，即匀速往复滑动可使有效幅宽增加7.18%，变速往复滑动可使有效幅宽增加18.45%；如果将厚度相对误差超出±5%的纤维膜所用的原料视作损耗，则不作往复滑动的纺丝损耗占全部用量的26.83%，作匀速往复滑动的纺丝损耗占全部用量的21.10%，作变速往复滑动的纺丝损耗占全部用量的12.42%，即匀速往复滑动可使损耗降低21.36%，变速往复滑动可使损耗降低53.71%。

值得说明的是，上述有效幅宽增幅及损耗降幅，其值与实际生产工艺参数有关，这里仅展示三者的相对关系，即变速往复运动的改善效果优于匀速往复运动和无往复运动。

试验3：图4是另一组往复运动纺丝结果对比，与图3相比，不作往复滑动的纺丝厚度分布波动更大，基本不满足相对误差在±5%以内的条件，即不存在连续均匀的有效区间。通过往复运动可以改善纺丝最终厚度的均匀性，作匀速往复滑动的纺丝有效区间为[13.45，19.04]，有效幅宽为5.59，作变速往复滑动的纺丝有效区间为[13.15，19.35]，有效幅宽为6.20，即变速往复运动的纺丝有效幅宽比匀速往复运动宽10.91%；作匀速往复滑动的纺丝损耗占全部用量的34.35%，作变速往复滑动的纺丝损耗占全部用量的26.96%，即变速往复运动的纺丝损耗比匀速往复运动降低21.51%。可见，变速往复运动对纤维膜均匀厚度有效幅宽及原料损耗的改善效果优于匀速往复运动和无往复运动。

试验4：针头堵塞时，一般处理方式是关停设备、清洗堵塞针头后再继续生产。图5是针头堵塞的情况，在位置16附近有明显的下陷特征，可以看到，当针头出现堵塞时，无滑动纺丝的有效区间变为[13.43，19.05]，有效幅宽由6.44降为5.63，匀速往复运动纺丝的有效区间变为[12.99，19.50]，有效幅宽由6.90降为6.51，如采用变速往复运动纺丝，则有效区间变为[12.45，19.64]，有效幅宽由7.63降为7.19；纺丝损耗方面，不作往复滑动的损耗率由26.83%增加为31.63%，作匀速往复滑动的损耗率由21.10%变为20.80%，作变速往复滑动的损耗率由12.42%变为12.43%。因此，在针头堵塞情况下，变速控制方法仍可实现较宽幅度的厚度均匀的纤维膜制备，对纤维膜均匀厚度有效幅宽及原料损耗的改善效果仍然优于匀速往复运动和无往复运动。

与现有技术相比，本实施例提供的装置基于变速控制实现静电纺丝纤维膜的均匀膜厚。通过对多针纺丝叠加厚度的线性组合，即纺丝厚度分布模型进行优化求解，可获得各针头溶液推进速度的最优组合，进而变速控制改善纺丝纤维边缘膜厚的均匀性，提升产能和经济性。另外，当针头堵塞时，仍然可获得均匀膜厚的静电纺丝。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，所述喷射装置进一步包括喷丝阵列结构、滑动杆、固定杆。其中，所述喷丝阵列结构的各针头相互平行，均处于倾斜状态或均处于竖直状态；并且，各针头的喷射端部均处于同一平面，该平面与接收装置所在平面平行；所述喷丝阵列结构固定安装于所述滑动杆上；所述滑动杆套设于所述固定杆的外部，其控制端与控制器的输出端连接。

优选地，所述控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。

数据采集单元，用于采集当前时刻喷射装置的喷射端中心坐标、溶液推进速度，发送至数据处理与控制单元。

数据处理与控制单元，用于建立喷射装置的各针头进行横向往复运动获得的纺丝厚度分布模型；以及，将纺丝边缘厚度不均匀性最小作为上述分布模型的优化目标，根据当前时刻喷射装置的喷射端中心坐标、溶液推进速度优化求解获得各针头溶液推进速度的最优组合，进而根据该最优组合实时调整下一时刻各针头进行变速滑动纺丝，得到均匀厚度的纤维膜。

优选地，所述数据采集单元进一步包括坐标定位子单元、速度定位子单元。

坐标定位子单元，用于获取当前时刻喷射装置的喷射端中心三维坐标，以及接收面上该三维坐标对应的喷射点坐标。

速度定位子单元，用于获取当前时刻各针头的溶液推进速度。

优选地，所述数据处理与控制单元执行如下程序：

S1.识别喷射装置的各针头是否堵塞，确定堵塞的针头的序号；

S2.建立喷射装置的所有不堵塞的针头进行横向往复运动获得的纺丝厚度分布模型；

S3.将纤维膜边缘厚度不均匀性最小作为上述分布模型的优化目标，结合当前时刻喷射装置的喷射端中心三维坐标，以及接收面上该三维坐标对应的喷射点坐标、溶液推进速度进行优化求解，获得不堵塞的各针头溶液推进速度的最优组合；

S4.将下一时刻不堵塞的各针状态调整至上述最优组合，重复上述过程，直到纺丝结束，得到均匀厚度的纤维膜。

图6是多针纺丝喷射装置相对固定杆往复滑动的纺丝过程示意，当喷射装置运动到不同点时，在接收装置上留下多针纺丝叠加厚度归一化分布的形状相同、起始位置不同。

优选地，步骤S2中，所述喷射装置的所有不堵塞的针头进行横向往复运动获得的纺丝厚度分布模型为

式中，

一般地，最优解

优选地，所述

式中，

优选地，所述优化目标为

Min{[

0≤

式中，

优选地，所述喷射装置采用针式喷丝阵列结构和无针式喷丝阵列结构中的至少一种。其中，针式喷丝阵列结构采用直径0.5～2mm的毛细管或注射器阵列；无针式喷丝阵列结构为设有多个喷嘴、喷丝或狭缝的金属平板。

优选地，该多针静电纺丝设备还包括布设于喷射装置、接收装置之间的侧向且对称设置的辅助电极。其中，所述辅助电极，用于通过具有电磁屏蔽效应的辅助器件对喷射装置到接收装置之间的电场进行约束。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、针对静电纺丝纤维膜边缘厚度均匀性低的问题，改变常规的喷射装置匀速往复滑动方法+匀速注射纺丝浆料，采用变速控制方法，可以是变速往复滑动+匀速注射纺丝浆料或匀速往复滑动+变速注射纺丝浆料，也可以是两者的组合，获得厚度均匀的纺丝纤维膜，其有效幅宽比常规匀速往复滑动更大。实现了静电纺丝膜厚度均匀可控，使纺丝纤维膜厚度均匀的有效宽度最大化，并减少因纤维膜边缘厚度不均匀引起的生产损耗；

2、当多针静电纺丝过程中发生针头堵塞情况时，通过调整变速控制参数，仍可实现较宽幅度的厚度均匀的纤维膜制备，其对纤维膜有效幅宽及原料损耗的改善效果仍然优于匀速往复运动和无往复运动，确保继续生产。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。