静电纺丝方法和设备技术

用于通过从静电纺丝设备的喷嘴出口(3a)喷射纺丝材料来进行材料静电纺丝的静电纺丝设备和方法。静电纺丝设备包括纺丝材料供应单元(6)、具有喷嘴出口(3a)的喷嘴单元(3)、用于收集在静电纺丝设备的操作期间形成的纤维(8)的收集器单元(1)以及用于在喷嘴单元(3)与收集器单元(1)之间施加电压差的电压供应单元(2)。还包括用于拍摄在操作期间形成的圆锥部(7)和纤维(8)的图像的成像装置(4)、以及连接至成像装置(4)、纺丝材料供应单元(6)和电压供应单元(2)的处理单元(5)。处理单元(5)布置成确定圆锥部(7)的形状，并且基于确定的圆锥部(7)的形状来控制静电纺丝设备的操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】静电纺丝方法和设备
本专利技术涉及一种通过从静电纺丝设备的喷嘴出口喷射纺丝材料来对材料进行静电纺丝的方法，喷嘴出口具有外径。另外，本专利技术涉及一种静电纺丝设备，该静电纺丝设备包括：纺丝材料供应单元；喷嘴单元，与具有喷嘴出口的纺丝材料供应单元连通；收集器单元，用于收集在静电纺丝设备的操作期间形成的纤维；以及电压供应单元，用于在喷嘴单元与收集器单元之间施加电压差。
技术介绍
国际专利公开WO2017/182560描述了一种静电纺丝设备和方法。将包括聚合物熔体或聚合物溶液的液体供应到喷嘴，以及通过在喷嘴与目标电极之间施加电场，将形成非常纤薄和连续的纤维，该纤维可用于例如形成纤维结构。在该公开中，提供了一种光学测量系统，该光学测量系统布置成测量所形成的纤维结构的厚度。中国专利公开CN-A-104309338公开了一种静电纺丝直接写技术的闭环控制方法。根据实际喷射时的流体变化，喷嘴处的液体分成泰勒锥和喷射流进行控制。利用高速摄像头进行形状检测，以及将信息直接反馈给控制器，以调节和控制基板移动速度和影响射流和泰勒锥的喷涂电压。美国专利公开US2016/325480公开了一种用于生产移植物设备的自诊断移植物生产系统。提供了一种用于输送纺丝聚合物材料的纤维基质的聚合物输送组件。中国专利公开CN-A-105839202公开了一种控制静电纺丝聚丙烯腈纤维直径和结构的方法。在聚丙烯腈的静电纺丝过程中，通过减小泰勒锥的尺寸，可减小制备的静电纺丝聚丙烯腈纤维的直径，以及可改善静电纺丝聚丙烯腈纤维的纤维结构。通过实时观察泰勒锥，可实时控制制备的纤维的直径和结构。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种改进的静电纺丝方法和设备，从而允许可再现的形成纺制纤维和纤维结构。根据本专利技术的第一方面，提供了一种如上限定的方法，该方法包括：根据在静电纺丝设备的操作使用期间捕获的图像，确定从喷嘴出口出来的流体纺丝材料的圆锥部的形状，其中，确定圆锥部的形状包括：使用静电纺丝设备的参考部分(诸如喷嘴出口)的预定尺寸和捕获图像中的边缘检测来校准捕获图像，以及基于所确定的圆锥部的形状与圆锥部的期望形状之间的差，控制静电纺丝设备的操作参数。在另一组实施方式中，该方法还包括：根据圆锥部的形状确定捕获图像中的纺丝线直径确定区域，确定在纺丝线直径确定区域处的实际纺丝线直径，以及基于实际纺丝线直径与期望纺丝线直径之间的差，控制静电纺丝设备的操作参数。根据本专利技术的第二方面，提供了一种如上所限定的静电纺丝设备，该设备还包括：成像装置，用于捕获在操作期间形成的圆锥部和纤维的图像；处理单元，连接至成像装置；纺丝材料供应单元和电压供应单元，其中，处理单元布置成通过使用静电纺丝设备的参考部分的预定尺寸和所述捕获的图像中的边缘检测来校准所述捕获的图像，确定圆锥部的形状，以及基于确定的圆锥部的形状，控制静电纺丝设备的操作。本文所述的本专利技术实施方式可用于增强一般静电纺丝方法的纤维再现性，并且还允许对所形成的纤维结构的纤维形态进行质量控制。附图说明下面将参照附图来更详细地讨论本专利技术，在附图中：图1示出根据本专利技术的实施方式的静电纺丝设备的框图；图2示出根据本专利技术的静电纺丝设备的实施方式的喷嘴区域的局部剖视图；以及图3A至图3E示出在本专利技术的静电纺丝设备实施方式的实际操作期间形成的各种形式的圆锥部的简化图像。具体实施方式本专利技术实施方式可应用于多个应用中，在该多个应用中，执行纤维或纤维材料的静电纺丝以获得(半成品)产品。纤维材料可具有不同的几何形状，诸如成纱的纤维、纤维板、纤维管等。在图1中，给出了根据本专利技术的静电纺丝设备的示例性实施方式的一般示意图。在底部，设置有收集器单元1(也用作反电极)，该收集器单元1布置成在其上形成纤维材料。存在(高)电压供应单元2，电压供应单元在操作中在收集器单元与喷嘴单元3之间施加(高)电压差。喷嘴单元3与纺丝材料供应单元6连通，并保持一定量的流体或流化纺丝材料，诸如聚合物溶液或聚合物组合物。通过施加高电压并向喷嘴单元3供应纺丝材料，在喷嘴单元3的尖端形成圆锥部(或泰勒锥)7、以及细纤维8。另外，在该示例性实施方式中，提供了与处理单元5接触的成像装置4，该处理单元5连接至纺丝材料供应单元6和电压供应单元2，并且可控制纺丝材料供应单元6和电压供应单元2的操作参数。图2中示出了根据本专利技术的静电纺丝设备的实施方式的喷嘴区域的部分剖视图，其中喷嘴单元3包括喷嘴出口3a(例如，使用针或管状元件实现的喷嘴出口)。喷嘴出口3a具有外径(或宽度)EN，并且从喷嘴单元3的表面在喷嘴突起距离WN上延伸至静电纺丝设备的处理室中。在所示的实施方式中，示出了围绕喷嘴出口3a的可选存在的气流通道3b。根据从气流通道3b流出的、用作围绕形成的圆锥部7和纤维8的屏蔽的气体的类型和量，在静电纺丝设备的操作期间可控制纤维8的固化过程。静电纺丝是一种生产直径范围从几十纳米到几十微米的连续纤维8的方法。为了静电纺丝纤维8，可通过喷嘴单元3的小喷嘴出口3a供应合适的(液化的)纺丝材料。(液化的)材料可通过在喷嘴3中的材料与收集器单元1或反电极1之间施加高电压而带电。所产生的电场在喷嘴出口或尖端3a处引起液滴7的锥形变形。一旦电力克服了该液滴的表面张力，就从液滴中形成射流，并且形成朝向收集器单元1移动的纤维8。在朝向收集器单元1飞行期间，纤维8通过作用在其上的不同的力连续地拉伸和伸长，从而减小纤维直径，并允许纤维固化(例如通过溶剂的蒸发或材料的冷却)，使得固体纤维8沉积在收集器单元1上。注意，收集器单元1可包括平板，该平板正好放置在连接至电压供应单元2的反电极的前面，作为连接至电压供应单元2的收集器单元1的替代。成像装置4(例如，高分辨率相机)添加到静电纺丝设备，以允许在(基于针的)静电纺丝过程期间，借助于智能视觉反馈系统实现，稳定和/或控制静电纺丝圆锥部7。一般地，根据本专利技术的一方面，提供了一种通过从静电纺丝设备的喷嘴出口3a喷射(流体或流化)纺丝材料来静电纺丝材料的方法，喷嘴出口3a具有外径EN。该方法包括：根据在静电纺丝设备的操作使用期间捕获的图像(例如，使用视频处理，诸如边缘检测)，确定从喷嘴出口3a出来的流体纺丝材料的圆锥部7的形状；以及基于所确定的圆锥部7的形状与圆锥部7的期望形状之间的差，控制静电纺丝设备的操作参数。在另一实施方式中，该方法包括控制操作参数的不同步骤，即，通过根据圆锥部7的形状确定捕获图像中的纺丝线直径确定区域，确定在纺丝线直径确定区域的实际纺丝线直径d(使用例如边缘检测技术)，以及基于实际纺丝线直径d与期望纺丝线直径之间的差，控制静电纺丝设备的操作参数。注意，静电纺丝技术使用由大致喷嘴与收集器之间的高电压电势产生的电场，以从喷嘴尖端/出口3a处的液滴产生纤维8。当静电纺丝工艺运行一段时间时，所提供的纺丝材料可能在组成(预期的或非预期的)方面发生变化，并且这种变化对所得纤维8的形态和尺寸产生影响。通过纺丝圆锥部7的尺寸的变化，也可在喷嘴出口3a的尖本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过从静电纺丝设备的喷嘴出口(3a)喷射纺丝材料来进行材料静电纺丝的方法，所述喷嘴出口(3a)具有外径(E

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180921 NL 20216811.一种通过从静电纺丝设备的喷嘴出口(3a)喷射纺丝材料来进行材料静电纺丝的方法，所述喷嘴出口(3a)具有外径(EN)，所述方法包括：
根据在所述静电纺丝设备的操作使用期间捕获的图像，确定离开所述喷嘴出口(3a)的流体纺丝材料的圆锥部(7)的形状，其中，确定所述圆锥部(7)的形状包括：使用所述静电纺丝设备的参考部分(3a)的预定尺寸和所捕获的图像中的边缘检测来校准所捕获的图像，
基于所确定的所述圆锥部(7)的形状与所述圆锥部(7)的期望形状之间的差，控制所述静电纺丝设备的操作参数。


2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
根据所述圆锥部(7)的形状确定所捕获的图像中的纺丝线直径确定区域，
在所述纺丝线直径确定区域确定实际纺丝线直径(d)，以及
基于所述实际纺丝线直径(d)与期望纺丝线直径之间的差，控制所述静电纺丝设备的操作参数。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述静电纺丝设备的操作参数包括以下中的一个或多个：
所述喷嘴出口(3a)与收集器单元(1)之间的电压；
流过所述喷嘴出口(3a)的纺丝材料的量；
所述静电纺丝设备的处理室中的环境条件；
流过围绕所述喷嘴出口(3a)的气流通道(3b)的气体的量；
所述喷嘴出口(3a)的延伸至所述静电纺丝设备的处理室中的喷嘴突起距离(WN)。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，确定所述圆锥部(7)的形状包括：确定沿着所述静电纺丝设备的主轴线的基点(Xb)。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，使用所捕获的图像中的所述圆锥部(7)的边缘的曲线匹配来确定所述基点(Xb)。


6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，将所述纺丝线直径确定区域确定为沿着所述主轴线在距所述基点(Xb)预定距离(Xd)处的点。


7.根据权利要求4或5所述的方法，其中，将所述纺丝线直径确定区域确定为沿着所述主轴线位于预定因子(i)乘以从所捕获的图像中的所述喷嘴出口(3a)的边缘到所述基点(Xb)的基点距离处的点。
<...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉蒙·胡伯尔特斯·马蒂斯·索尔伯格，
申请(专利权)人：创新机械工程技术公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL