【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于静电植绒的，更具体涉及一种基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法。
技术介绍
1、静电植绒是利用库仑驱动力将短纤维从充电源发射到粘合剂覆盖的基材表面，从而形成垂直于基底的密集排列的纤维，从而赋予基材新的性能和特征。静电植绒技术作为一种先进的制备方法，在纺织、材料、包装、生物、环保、医疗等众多领域中展现了广泛的应用前景。
2、根据绒毛的飞升方向的不同，植绒加工可分为下降式、上升式、横向飞跃法。静电植绒织物由基布、绒毛和粘合剂组成，多采用下降式植绒。植绒粘合剂的性能是植绒织物性能的关键因素，针对不同应用需求，植绒用粘合剂得到了改进和创新。
3、在静电植绒工艺中，极板间距、电场强度和绒毛长度对植绒效果具有关键影响。在3、6和9厘米的极板间距下，与基布夹角在75°-90°范围内的碳纤维的百分比分别为0.64、0.75和0.74(z.f.yu,s.wei,j.d.guo,fabrication of aligned carbon-fiber/polymertims using electrostatic flocking method.j.mater.sci.:mater.in electron.30,10233-10243(2019).)，这说明6厘米的极板间距已经满足了碳纤维从水平方向旋转到电场线方向的要求。
4、liu，lifang等(optimal design of superfine polyamide fabric byelectrostatic flockin
5、波勃科夫等(静电场中纤维充电动力学和运动形式.pp.40-43，95，1983.)创制了一种用于研究纤维充电和运动的实验装置，使用棉纤维进行了静电场下纤维充电动力学和运动形式的研究，并测定和计算了静电场中单个纤维上的电荷和受力。但是，这些研究结果对于指导植绒工艺还存在一定差距。
技术实现思路
1、鉴于此，本专利技术提出了一种基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，通过研究静电植绒工艺中的动力学现象，利用matlab求解运动方程计算得到保证绒毛以最大速度垂直植入粘合剂中的最小极板间距，旨在减小极板电压，且降低生产成本和安全隐患。
2、为了实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
3、一种基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，包括如下步骤：
4、步骤一、将绒毛在电场中的状态近似为一根细长的椭球体，绒毛的长度l，直径为d，则椭球体的三个轴长分别为a、b和c，a＝l/2，
5、在静电场中，绒毛先发生朝电场力方向的转动，转至与电场力平行，绒毛充电完成，随后发生沿电场力方向的平动；
6、步骤二、计算绒毛完成转动的时间t1；
7、静电场中的绒毛在惯性矩m、空气阻力矩m1和转动力矩m2的作用下发生转动，由该转动过程得到二阶常微分方程(10)：
8、
9、其中：
10、通过matlab求解转动方程式(10)，可以得到绒毛轴向与电场力方向的夹角与时间的关系曲线；绒毛在静电场中以一定频率朝电场力方向作阻尼振荡，直至与电场力方向平行，在阻尼振荡过程中，夹角与时间的关系曲线上最接近0.5°
11、(0.00872rad)的波峰所对应的时间就是绒毛完成转动的时间t1；
12、步骤三、计算绒毛完成转动时的自由落体速度v1和产生的位移s1；
13、在下降式植绒过程中，绒毛在转动时同时发生自由落体运动而产生位移，绒毛做自由落体运动时受到空气阻力和重力的作用，其速度方程如式(17)，位移方程如式(18)：
14、
15、
16、用matlab求解式(17)和(18)，得到自由落体速度v1和产生的位移s1；
17、步骤四、计算绒毛在平动过程中达到速度v3时，产生的平动位移s2；v3即指99％的最大平动速度v2；
18、静电场中的绒毛在平动过程中主要受到电场力fq、重力g和空气阻力fr作用下发生平动，因为重力远小于电场力，忽略重力的影响，得到平动速度方程式(14)，平动位移方程式(15)：
19、
20、
21、用matlab求解方程(14)和(15)得到绒毛平动过程中的速度和时间曲线、位移和时间曲线，得到v3时的平动位移s2；
22、步骤五、保证绒毛以最大速度垂直植入粘合剂中的最小极板间距sz＝s1+s2。
23、进一步优选的，椭球的偏心距极化系数
24、
25、进一步优选的，在同一电场强度下，电着处理过的绒毛无论是通过电极充电还是两极充电都能带上饱和电量，其所带电荷q的计算如式(1)：
26、
27、式中：l为绒毛的长度，m；d为绒毛的直径，m；e0为电场强度，v/m；ε0为真空介电常数，8.85×10-12f/m。
28、进一步优选的，步骤二中，静电场中的绒毛在惯性矩m、空气阻力矩m1和转动力矩m2的作用下发生转动，转动过程用式(2)描述，式中θ为绒毛轴向与电场力方向的夹角；
29、
30、将绒毛看作坚硬的圆柱形物体，且围绕中心转动，惯性矩计算公式为式(3)，式中m为绒毛的质量，kg；
31、
32、绒毛转动是阻尼振动，运动速度不大，空气阻力与速度成正比，空气阻力的计算见式(4)；式中：cx为空气的阻力系数，1.8；ρ为空气密度，1.295kg/m3；x为绒毛上被分析单元离绒毛中心的距离，m；s为绒毛上被分析单元与绒毛中心之间的最大截面积，m2；
33、
34、绒毛上被分析单元的单元阻力矩为δm1，见式(5)：
35、
36、解式(5)得式(6)：
37、
38、回转力矩m2计算见式(7)：
39、
40、把式(1)代入到式(7)，则得到公式(8)：
41、
42、把式(3)、式(6)、式(8)代入到式(2)中得式(9)：
43、
44、式(9)化为二阶常微分方程(10)：
45、
46、其中：
47、进一步优选的，步骤三的式(17)和式(18)中，其中cx为空气的阻力系数，1.8；ρ为空气密度，1.295kg/m3。
48、进一步优选的，步骤三中，最大平动速度v2的计算方法如下：
49、忽略绒毛间的相互作用力，则绒毛在电场内本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，椭球的偏心距极化系数
3.如权利要求1所述的基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，在同一电场强度下，电着处理过的绒毛无论是通过电极充电还是两极充电都能带上饱和电量，其所带电荷q的计算如式(1)：
4.如权利要求1所述的基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，步骤三的式(17)和式(18)中，其中Cx为空气的阻力系数，1.8；ρ为空气密度，1.295kg/m3。
5.如权利要求1所述的基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，步骤二中，静电场中的绒毛在惯性矩M、空气阻力矩M1和转动力矩M2的作用下发生转动，转动过程用式(2)描述，式中θ为绒毛轴向与电场力方向的夹角；
6.如权利要求1所述的基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，步骤四中，最大平动
7.如权利要求1所述的基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，最小极板间距和绒毛线密度之间存在线性相关性，可以使用二元线性方程Sz＝0.9431Ndtex+2.5582来表示。
8.如权利要求1所述的基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，绒毛的转动时间与线密度存在线性相关性，可以使用二元线性方程t1＝0.0085Ndtex+0.0416来表示。
9.如权利要求1所述的基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，在电场强度恒定时，绒毛的最大平动速度与其长径比r相关，可以使用二元线性方程v2＝0.041r+5.4203来表示。
...【技术特征摘要】
1.一种基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，椭球的偏心距极化系数
3.如权利要求1所述的基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，在同一电场强度下，电着处理过的绒毛无论是通过电极充电还是两极充电都能带上饱和电量，其所带电荷q的计算如式(1)：
4.如权利要求1所述的基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，步骤三的式(17)和式(18)中，其中cx为空气的阻力系数，1.8；ρ为空气密度，1.295kg/m3。
5.如权利要求1所述的基于动力学研究的静电植绒工艺中最小极板间距的计算方法，其特征在于，步骤二中，静电场中的绒毛在惯性矩m、空气阻力矩m1和转动力矩m2的作用下发生转动，转动过程用式(2...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘小丹，周颖，朱尽顺，黄志超，
申请(专利权)人：浙江理工大学科技与艺术学院，
类型：发明
国别省市：
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