纺丝布料透气性在线监测系统及应用其的静电纺丝设备

技术领域

本发明涉及高端装备制造产业中的智能加工装备，新材料产业中的新型化学纤维及功能纺织材料等领域，尤其涉及一种纺丝布料透气性在线监测系统及应用其的静电纺丝设备。

背景技术

近年来，随着纳米技术快速发展的同时，静电纺丝技术得到了广泛的关注。进入21世纪以来，纳米纤维的应用被进一步拓宽，包括生物、医药、纺织服装等高新技术领域，研究者已经从早期单纯的纤维制备和表征，转向对静电纺丝形成过程和机理的理解。相较之其他获得纤维的方式，静电纺丝技术的优势在于原料选择范围广、设备简单及时间可控性强。故成为研究人员的探究对象，掀起了静电纺丝理论和实验热潮。

然而，通过静电纺丝技术制备的纳米纤维膜要实现产业化、规模化及广泛应用还需对其在线质量进行进一步监测。纳米纤维膜的透气性是决定其质量的关键指标之一。目前国内对于纳米纤维膜较为成熟的在线透气性监测系统还处于较为空白阶段，也没有国家相关标准可依，常规的头尾截取监测法数据并不具有代表性，因此急需开发一款可以实时在线质量监测的系统。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明期望能够至少部分解决上述技术问题中的其中之一。

(二)技术方案

本发明第一个方面中，提供了一种纺丝布料透气性在线监测系统。该纺丝布料透气性在线监测系统包括：

滚筒，设置于纺丝布料上方，其轴线与纺丝布料传送的方向垂直，其内部中空，其表面设置有N排喷气孔，N≥1，每排喷气孔包括：沿与滚筒轴线平行的方向排列的M个喷气孔，M≥2；

喷气装置，其出气口连接至滚筒的中空内部；

压力感测系统，包括：设置于纺丝布料下方的S个气压感测单元，S≥1；

控制系统，信号连接至S个气压感测单元，其利用S个气压感测单元感应获得的气压值判断纺丝布料的透气性。

在本发明的一些实施例中，喷气装置向滚筒的中空内部喷入脉冲气流；控制系统利用S个气压感测单元的脉冲电信号判断纺丝布料的透气性。

在本发明的一些实施例中，喷气装置在喷气孔对准纺丝布料时向滚筒的中空内部喷出脉冲气流。

在本发明的一些实施例中，喷气装置为脉冲气流发生器，其出气口通过管道连接至滚筒的中空内部。

在本发明的一些实施例中，喷气装置包括：进气马达；调压阀，其进气口通过管道连接至进气马达的出气口；喷气阀，其进气口通过管道连接至调压阀的出气口，其出气口通过管道连接至滚筒的中空内部；气流控制系统，其信号输入端连接至控制系统，其信号输出端连接至喷气阀的控制端，其控制喷气阀的开度和开关频率。

在本发明的一些实施例中，滚筒表面设置有1排喷气孔，该1排喷气孔包括20～40个喷气孔；喷气装置的喷气频率与滚筒的旋转频率一致。

在本发明的一些实施例中，脉冲气流的气体流量介于10-50dm

在本发明的一些实施例中，脉冲气流的开关频率介于5～10次/秒之间。

在本发明的一些实施例中，控制系统内部预存透气率与电流的关系曲线，其执行以下控制程序：

步骤A，接收用户设定的透气率合格值；

步骤B，依据透气率和电流的关系曲线，确定电流合格范围；

步骤C，当S个气压感测单元的脉冲电信号在电流合格范围内时，判断纺丝布料透气率合格；否则，判断纺丝布料不合格。

在本发明的一些实施例中，压力感测系统包括：20～40个气压感测单元，该20～40个感测单元沿与滚筒轴线平行的方向排列；信号采集器，其传感信号采集口信号连接至20～40个气压感测单元，其信号输出口连接至控制系统。

在本发明的一些实施例中，气压感测单元设置于滚筒轴线的正下方。

在本发明的一些实施例中，气压感测单元为薄膜式感测单元。

在本发明的一些实施例中，气压感测单元为压阻式感测单元，每个压阻式感测单元的面积范围在5-20cm

本发明第二个方面中，提供了一种静电纺丝设备。该静电纺丝设备，包括：

纺丝箱，其上游侧设置进料口，其下游侧设置出料口；

如上的纺丝布料透气性在线监测系统；

其中，滚筒设置于出料口的上方，压力感测系统设置于出料口的下方，纺丝布料从两者之间穿过。

在本发明的一些实施例中，还包括：传送架，设置于纺丝箱内，进料口和出料口之间；静电纺丝装置，设置于纺丝箱内，传送架的上方；基材开卷机和布料收卷机，分别设置于进料口和出料口的外侧；其中，滚筒的第一端通过驱动轴连接至纺丝箱；喷气装置的出气口通过管道连接至滚筒的第二端，管道与滚筒第二端之间设置有轴承；其中，纺丝基材自基材开卷机引出，自进料口进入纺丝箱内，经由传送架和出料口导出，由布料收卷机收卷，期间静电纺丝装置喷出的纳米纤维沉积至纺丝基材上，形成纺丝布料。

(三)有益效果

从上述技术方案可知，本发明相对于现有技术至少具有以下有益效果之一：

(1)通过在线监测透过被测纺丝布料的气压产生的感应电流，可以精准快速的对其透气性能进行监测，且可对纺丝布料质量标准进行实时、连续性评估，提升了透气性能测试的智能化水平，提高了生产效率。

(2)相较于压紧式密闭系统喷气装置，采用滚筒喷气装置，可保证纳米纤维完整性和气流零损失；同时与整片面积进行喷气监测相比，采用多孔式喷气监测，精度更高，另外还可根据需求调整喷气孔数量或设置进气的压力参数和气体流量等，设备制造简单、操作便捷和稳定性高。

(3)本发明通过信号处理单元分析处理透气性数据后得到的电流-时间曲线图可在线直观鉴定纺丝膜的品质，降低了人工监测的时间和成本，可满足纳米纤维布料的大规模的工业化生产。

(4)相比于均匀气流监测，本实施例采用脉冲气流监测具有以下优势：①监测更为精确，均匀气流监测获得是平稳气流，较难分辨信号的有无，同时无法通过归一化等处理方式实现有用信号的放大；脉冲气流监测易于分辨信号的有无，避免了均匀气流监测造成疵点对重叠面料透气性能的影响，也为后续信号处理，如归一化等提供了方便。②监测效果好，脉冲气流喷气频率可根据纺丝布料传送速度进行调节，避免了当纺丝布料传送速度较低时，过度喷气对纺丝布料造成变形或破损等问题。③高效节能，脉冲气流监测耗气量低，能够节省大量的能源，避免均匀气流监测对能源的消耗及对喷气装置的磨损，降低了运行成本。

附图说明

图1为本发明实施例应用纺丝布料透气性在线监测系统的静电纺丝设备的水平面剖视图。

图2为图1所示静电纺丝设备出料口方向的视图。

图3为图1所示静电纺丝设备中喷气装置的结构示意图。

图4为图1所示静电纺丝设备中压力感测系统的结构示意图。

图5为图1所示静电纺丝设备中控制系统中预存的透气率-电流关系曲线。

图6为图1所示静电纺丝设备中控制系统所接收的不同时间下电流的变化图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种用于静电纺丝工业化生产的透气性在线监测系统，能够快速精准地对被测纺丝布料进行气体透气性测试，提升了静电纺丝设备的智能化水平，提高了静电纺丝布料的质量。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文结合具体实施方式，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明第一个方面中，提供了一种纺丝布料透气性在线监测系统。在此基础上，本发明第二个方面提供了一种应用该纺丝布料透气性在线监测系统的静电纺丝设备。为了便于理解，下文主要以静电纺丝设备进行说明，但本领域技术人员应当理解，其中的纺丝布料透气性在线监测系统可以单独地实施制造、使用、销售、许诺销售、进口等行为，同样在本发明的保护范围之内。

图1为本发明实施例应用纺丝布料透气性在线监测系统的静电纺丝设备的水平面剖视图。图2为图1所示静电纺丝设备出料口方向的视图。

如图1和图2所示，本实施例静电纺丝设备包括：纺丝箱10，其上游侧设置进料口11，其下游侧设置出料口12；传送架20，设置于纺丝箱内，进料口和出料口之间；静电纺丝装置30，设置于纺丝箱内，传送架的上方；基材开卷机41和布料收卷机42，分别设置于进料口和出料口的外侧，其中，纺丝基材自基材开卷机41引出，自进料口11进入纺丝箱内，经由传送架20和出料口12导出，由布料收卷机42收卷。期间，静电纺丝装置30喷出的纳米纤维沉积至纺丝基材上，形成纺丝布料。

请继续参照图1和图2，本实施例静电纺丝设备还包括：纺丝布料透气性在线监测系统，用于对静电纺丝后的纺丝布料的透气性进行监测。具体地，该纺丝布料透气性在线监测系统包括：滚筒51，设置于纺丝布料上方，其轴线与纺丝布料传送的方向垂直，其内部中空，其表面设置有N排喷气孔，N≥1，每排喷气孔包括：沿与滚筒轴线平行的方向排列的M个喷气孔51c，M≥2；喷气装置52，其出气口连接至滚筒的中空内部；压力感测系统53，包括：设置于纺丝布料下方的S个气压感测单元53a，S≥1；控制系统54，信号连接至喷气装置和S个气压感测单元，其控制喷气装置输出气体，利用S个气压感测单元获得的气压值判断纺丝布料的透气性；其中，滚筒设置于出料口的上方，压力感测系统设置于出料口的下方，纺丝布料从两者之间穿过。

可见，本发明通过在线监测透过被测纺丝布料的气压产生的感应电流，可以精准快速的对其透气性能进行监测，且可对纺丝布料质量标准进行实时、连续性评估，提升了透气性能测试的智能化水平，提高了生产效率。

以下分别对本实施例静电纺丝设备的各个组成部分进行详细描述。

本实施例中，纺丝箱10呈长方体形状，其两侧有进料口11和出料口12。进料口11长2m，宽0.5m，出料口12包括一个长2m，宽1.5m的矩形平台。

本领域技术人员应当理解，纺丝箱的形状、进料口与出料口的形状/尺寸等，均可以根据实际生产需要进行调整，并不局限于如上所列的形状和尺寸。

传送架20位于进料口11和出料口12之间。在纺丝箱外侧，进料口11的上游侧，设置有基材开卷机41。在纺丝箱外侧，出料口的下游侧，设置有布料收卷机42。在传送架20的上方，安装有静电纺丝装置30。静电纺丝装置30包括高压电源、喷射装置等(图中未示)。喷射装置由多组注射器组成。纺丝基材放置在基材开卷机41的转筒上，以1-5mm/s的输送速度通过传送架20的传送带经过静电纺丝装置30传送到布料收卷机42上，期间，静电纺丝装置30喷出的纳米纤维沉积至纺丝基材上，形成纺丝布料。

请参照图2，滚筒51呈圆筒形状，设置于出料口的上方。滚筒51的第一端通过驱动轴51a连接在纺丝箱10上，第二端连接进气管道。驱动轴51a固定箱体上，由动力机构驱动，带动滚筒51旋转。在滚筒的第二端，进气管道外侧安装有轴承51b，保证滚筒旋转时进气管道固定。

本领域技术人员应当理解，如上滚筒的位置，安装固定方式，驱动方式等仅为示例，本领域技术人员完全可以基于实际生产需要进行调整，同样应当在本发明的保护范围之内。

滚筒51侧面开设有一排的20-40个喷气孔51c，所述喷气孔面积为5-20cm

可见，本发明相较于压紧式密闭系统喷气装置，采用滚筒喷气装置，可保证纳米纺丝纤维完整性和气流零损失。同时与整片面积进行喷气监测相比，采用多孔式喷气监测，精度更高，另外还可根据需求调整喷气孔数量或设置进气的压力参数和气体流量等，设备制造简单、操作便捷和稳定性高。

需要特别说明的是，基于控制流程和数据处理的简化起见，本实施例在滚筒上设置了一排喷气孔。但在本发明其他实施例中，还可以设置2排、3排，4排或者更多排的排气孔，配合控制系统关于数据处理程序的设定，同样可以实现本发明，同样在本发明的保护范围之内。但这种情况下，需要考虑喷气频率的调整，不同喷气过程前后干扰等因素，控制程序和数据处理程序较本实施例复杂。

图3为图1所示静电纺丝设备中喷气装置的结构示意图。请参照图1和图3，本实施例中，喷气装置52包括：

进气马达52a；

调压阀52b，其进气口通过管道连接至所述进气马达的出气口；

喷气阀52c，其进气口通过管道连接至所述调压阀的出气口，其出气口通过管道连接至滚筒的中空内部；

气流控制系统52d，其信号输出端连接至所述喷气阀的控制端，其控制所述喷气阀的开度和开关频率。

其中，该气流控制系统可以设置单独的控制面板直接接收用户的设定，也可以由控制系统导入用户设定。本实施例，气流控制系统为PLC控制系统，其信号输入端连接至控制系统54，由控制系统导入用户关于开度、开关频率的设定。

其中，进气马达52a用于产生气压，通过调压阀52b调节至预设气压。当喷气孔51c轻触到纳米纤维膜时气体喷出。通过PLC控制系统设置喷气阀52c的开度调节气体流量和开关频率，喷气频率随滚筒旋转频率和传送带频率一致。

具体地，本实施例中，滚筒沿着纺丝布料传送方向旋转，旋转频率5秒/圈，通过PLC控制系统实现喷气阀52c的开度和开关频率控制气体流量为20dm

本领域技术人员应当理解，为了输出脉冲气流，除了采用如上“PLC控制系统控制喷气阀”的实现方式之外，还可以采用脉冲气流发生器，只要将脉冲气流发生器的出气端连接至滚筒的中空内部即可，该结构更加简单，但其成本相对较高。

图4为图1所示静电纺丝设备中压力感测系统的结构示意图。如图2和图4所示，压力感测系统53包括：薄膜气压感测单元53a和信号采集器53b。

薄膜气压感测单元53a固定于出料口上，其上分布20-40个感测单元。感测单元为压阻式结构。每个感测单元的面积范围在5-20cm

本领域技术人员应当理解，虽然本实施例中采用压阻式结构的感测单元，但在本发明其他实施例中，还可以采用其他类型的感测单元，例如：压容式感测单元，同样可以实现本发明。虽然本实施例中气压感测单元获得的是电流信号，但在本发明其他实施例中，还可以采用输出电压信号的气压感测单元。此外，感测单元的数量、具体参数等，可以根据实际生产需要进行调整，并不局限于如上实施例。

对于信号采集器53b，其传感信号采集口信号连接至所述20～40个感测单元，其信号输出口连接至控制系统。其中，信号采集器53b感应到被测材料透过气体的压力将其转变成电信号传输至控制系统54。

控制系统54包括：处理器、存储器和显示屏，所述存储器中包括处理器运行的电信号动态显示程序，通过统计存储不同时间的电流强度，对照透气率和电流的关系图，处理程序对纺丝布料的透气率进行判定。

图5为图1所示静电纺丝设备中控制系统中预存的透气率-电流关系曲线。该关系曲线由在先实验获取。由于控制系统内部预存有的关系曲线。因此，在接收到用户设定的透气率合格值之后，即可以计算出电流脉冲的合格范围。

可见，本发明通过信号处理单元分析处理透气性数据后得到的电流-时间曲线图可在线直观鉴定纺丝膜的品质，降低了人工监测的时间和成本，可满足纳米纤维布料的大规模的工业化生产。

具体地，所述控制系统内部预存透气率与电流的关系曲线，其执行以下控制程序：

步骤A，接收用户设定值，包括：

子步骤A1，接收用户设定的透气率合格值；

子步骤A2，接收用户设定的喷气阀的开度和开关频率的设定值；

本领域技术人员应当理解，如上的用户设定值也可以为用户提前设置的默认值，同样在本发明的保护范围之内。

步骤B，测试准备，包括：

子步骤B1，控制喷气装置，按照预设的气体流量、频率输出气流。

具体地，启动进气马达52a，通过调节阀52b调节恒定气压，PLC控制系统控制面板设置喷气阀52c的开度和开关频率，控制气体流量在0-50dm

子步骤B2，依据透气率和电流的关系曲线，确定电流合格范围；

子步骤B3，控制基材开卷机41和布料收卷机42、静电纺丝装置30工作，开启静电纺丝过程；

该步骤的具体实现可参照相关现有技术的说明，此处不再赘述。

子步骤B4，控制动力装置带动驱动轴转动，进而带动滚筒转动。

滚筒沿着电纺膜传送方向旋转，旋转频率5秒/圈，当滚筒出气筒旋转到纳米膜正上方进行轻触式喷气，喷气频率与滚筒旋转频率一致。

步骤C，当S个气压感测单元的脉冲电流信号在电流合格范围内时，判断纺丝布料透气率合格；否则，判断纺丝布料不合格。

本实施例中，当感测单元表面无压力时，其电阻很高，当感测单元感受到压力时，电阻逐渐减小。同时采集器将采集到的压力信号转换成电信号数据传输到控制系统54。

图6为图1所示静电纺丝设备中控制系统所接收的不同时间下电流的变化图。图6中，横坐标为时间，单位为秒(s)；纵坐标为脉冲电流强度，单位为毫安(mA)。由图6可以看出，在静电纺丝的纳米纤维膜均匀平整的情况下，由感测单元获得的电信号为大体规则的脉冲电信号。而当某处纳米纤维膜过厚时，脉冲电信号的振幅会大幅减小；当某处纳米纤维膜过薄时，脉冲电信号的振幅会大幅增加。从而可以通过分析脉冲电信号的振幅变化而感知静电纺丝的纳米纤维膜的均匀性情况。

具体地，当透气率在30-50mm/kPa.min范围内即电流强度全部在15-18mA范围时表示这批纺丝布料是合格的，此时控制系统显示屏显示合格字样，如果电流超出15-18mA则表示这批纺丝布料不合格，此时控制系统显示屏显示不合格字样。

本实施例中，喷气装置喷出脉冲气流，从而在控制系统获得的电流为规则脉冲电信号，通过分析规则脉冲电信号的变化，可以得知纺丝布料中纳米纤维膜的透气率。而在本发明其他实施例中，喷气装置也可以喷出均匀气流，从而保持纺丝基材上方的气压动态稳定，此时，控制系统获得的电流信号为平稳电流，如果该平稳电流发生突变，同样可以得知纳米纺丝纤维膜的透气率发生了变化，同样可以实现本发明。

然而，相比于均匀气流监测，本实施例采用脉冲气流监测具有以下优势：

①监测更为精确

均匀气流监测获得是平稳气流，较难分辨信号的有无，同时无法通过归一化等处理方式实现有用信号的放大；脉冲气流监测易于分辨信号的有无，避免了均匀气流监测造成疵点对重叠面料透气性能的影响，也为后续信号处理，如归一化等提供了方便。

②监测效果好

脉冲气流喷气频率可根据纺丝布料传送速度进行调节，避免了当纺丝布料传送速度较低时，过度喷气对纺丝布料造成变形或破损等问题。

③高效节能

脉冲气流监测耗气量低，能够节省大量的能源，避免均匀气流监测对能源的消耗及对喷气装置的磨损，降低了运行成本。

如上对本发明中静电纺丝设备进行了详细说明，基于上述说明，本领域技术人员应当对本发明中纺丝布料透气性在线监测系统有了清楚地了解，此处不再重复描述。

至此，本发明的各个实施例介绍完毕。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。并且，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

需要说明的是，除非明确指明为相反之意，本发明的说明书及权利要求中的数值参数可以是近似值，能够根据通过本发明的内容改变。具体而言，所有记载于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化。

本领域技术人员应当理解，本发明权利要求书和说明书中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件(或步骤)。位于元件(或步骤)之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件(或步骤)。

对于某些实现方式，如果其并非本发明的关键内容，且为所属技术领域中普通技术人员所熟知，则基于篇幅所限，在说明书附图或正文中并未对其进行详细说明，此时可参照相关现有技术进行理解。并且，提供如上实施例的目的仅是使得本发明满足法律要求，而本发明可以用许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单的更改或替换。

类似的，应当理解，为了精简本发明，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图，或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：所要求保护的发明需要比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，各个发明方面在于少于前面单个实施例的所有特征。并且，实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

以上各个具体实施例，对本发明的目的、技术手段和有益效果进行了详细说明，应理解的是，详细说明的目的在于本领域技术人员能够更清楚地理解本发明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。