CN102353807A - 一种测量电纺丝工艺中射流螺旋段流速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电纺丝过程中射流螺旋段流速的测量方法，包括如下步骤：(1)在电纺丝射流螺旋段下方一定高度处的水平面上设置一匀速运动的基板，获得单根纤维的轨迹，并记录基板的运动速度大小V₀；(2)对获得的轨迹进行测量，得到轨迹上最高点与最低点间的纵向距离l₁和轨迹上任意两个最高点或两个最低点间的横向距离l₀，进而计算出射流螺旋段的流速V_m；(3)调节基板为各种不同高度水平面，重复上述步骤(1)和步骤(2)，分别计算得到电纺丝过程中射流螺旋段在不同高度水平面处的流速大小，即可获得电纺丝流速在空间不同高度处的分布规律。本发明可实现电纺丝技术射流螺旋段不同高度处流速的测量，且测量时不受纤维形态的影响。

Description

一种测量电纺丝工艺中射流螺旋段流速的方法

技术领域

本发明属于电纺丝领域，具体涉及一种测量电纺丝工艺中射流螺旋段在不同高度水平面处流速大小的方法及装置。

背景技术

电纺丝属于电流体(EHD)喷印技术中的一种，是目前制备纳米纤维的重要方法之一。电纺丝过程如附图1所示，当外加直流高压电场后，原本在毛细管针头处悬挂的聚合物溶液/熔液液滴会形成泰勒锥，导致溶液/熔液喷射细流形成并被所加的高压电场加速形成纤维状射流。射流在到达接地的接收基板之前会干燥或固化，从而在接收装置上得到超细纤维。

在电纺丝中，虽然在喷丝头顶部射流稳定为直线运动，但在射流加速飞向收集电极同时固化成纤维过程中，将呈螺旋形流动，此段内在同一高度水平面上，射流液滴近似为匀速圆周运动，在随后的过程中将出现“鞭动”等复杂的电流体动力学行为。为了研究电纺丝过程中螺旋段运动的规律以便研究不同工艺参数(如直流电压的大小，纺丝溶液的流量、纺丝溶液的电导率、电极距离等)对纺丝过程的影响，从而更有效的进行电纺丝，对射流螺旋段在不同高度水平面处流速进行表征非常重要。由于电纺丝速度的空间分布性，一般测量设备难以满足要求。目前可以采用的一种测量装置是粒子图像速度场仪(Particle Image Velocimetry，简称PIV)(参考文献Adrian R.J.；1991：Particle-Imaging Techniques for Experimental FluidMechanics，Annual.Rev.Fluid Mech.，no.23，pp.261-304)，其能实现全流场速度瞬态测量，且对流场干扰较小，但需要其做辅助设备，复杂且成本较高，无法快速有效的进行速度测量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量电纺丝工艺中射流螺旋段流速的方法，利用高速运动的接收装置获得射流纤维的轨迹，根据轨迹测量出流速，从而快速有效的获得电纺丝流速在空间不同高度处的分布规律。

本发明的技术方案为：

一种电纺丝过程中射流螺旋段流速的测量方法，包括如下步骤：

(1)收集电纺丝

在电纺丝射流螺旋段下方一定高度处的水平面上设置一匀速运动的基板，获得单根纤维的轨迹，并记录基板的运动速度大小V₀；

(2)计算出射流螺旋段的流速

对获得的轨迹进行测量，得到轨迹上最高点与最低点间的纵向距离l₁和轨迹上任意两个最高点或两个最低点间的横向距离l₀，进而计算出射流螺旋段的流速V_m；

(3)调节基板为各种不同高度水平面，重复上述步骤(1)和步骤(2)，分别计算得到电纺丝过程中射流螺旋段在不同高度水平面处的流速大小，即可获得电纺丝流速在空间不同高度处的分布规律。

进一步地，所述射流螺旋段的流速V_m按如下公式：

$V_m=\frac{2\mathrm{\πR}}{T}=\frac{\mathrm{\π}{l}_{1}k{V}_0}{l_0}$

其中，k为两最高点或两最低点间的周期个数，R为射流液滴在该高度处的水平面上旋转运动的半径，T为射流液滴在该高度处的水平面上旋转运动的运动周期；

进一步地，步骤(2)中，所述纵向距离l₁可通过多次测量最高点与最低点间的纵向距离再取其平均值得到，即

$l_1=\frac{1}{n}(l_{11}+l_{12}+...+l_{1n})$

其中，l_1i为最高点与最低点纵向距离的第i次测量值，i＝1，2，...，n，其中n为测量次数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明只需要对原有的电纺丝工艺设备进行简单的改装就可以实现射流流速的测量，无需额外的测量仪器；

本发明可实现电纺丝技术射流螺旋段不同高度处流速的测量，从而使进一步研究不同工艺参数对电纺丝过程的影响更加方便；

本发明进行测量时，不受纤维形态的影响，固态纤维和液态纤维都可以进行测量。

附图说明

图1为本发明测量装置示意图；

图2为本发明计算射流螺旋段流速的原理图；

图3为基板速度小于射流螺旋段在该高度处流速时获得的轨迹曲线及测量示意图；

图4为基板速度大于射流螺旋段在该高度处流速时获得的轨迹曲线及测量示意图。

图5为基板速度等于射流螺旋段在该高度处流速时的理论轨迹曲线。

图中符号意义说明如下：

1：高压直流电源；

2：毛细管；

3：聚合物溶液/熔液在高压下形成的泰勒锥；

4：射流射出时初始直线段；

5：射流射出后的螺旋段；

6：接收基板(接地)；

7：基板高度调节及读取装置；

8：基板速度调节及读取装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

进而利用该匀速运动的基板收集电纺丝，在基板上获得单根纤维的轨迹。

如图1所示，测量装置由普通电纺丝产生装置和改造的接收装置组成，接收装置包括能够实现高速匀速直线运动的基板6，基板高度调节及读取装置7，基板速度调节及读取装置8。基板高度调节及读取装置，用来连续调节基板高度，并且读取具体数值。基板速度调节及读取装置，用来连续调节基板运动速度的大小，并且读取具体数值。

测量步骤如下：

配置待测纺丝溶液/熔液，将配置好的溶液/熔液倒入溶液储存器，将喷射细流的毛细管2连接高压直流电源1的正极，高速运动的接收基板6接地，其运动速度大小可由速度调节及读取装置8进行连续调节并读取具体数值，溶液挤出量由微量注射泵控制；

(1)将基板调整至待测高度，打开电源，开始进行纺丝；

(2)利用匀速运动的基板收集电纺丝

其中，基板速度、高度可调，

调节接收基板调整至待测高度，调整基板运动速度的大小

(3)同时调整基板运动速度，通过显微镜观察纤维落在基板上的轨迹，直至轨迹为清晰的单根纤维为止，记下此时基板的运动速度大小；

(4)然后将基板取出，在显微测量装置下对获得的轨迹进行测量以获得必要的参数，并按如下公式对该高度处的流速进行计算：

流速 $V_m=\frac{2\mathrm{\πR}}{T}=\frac{\mathrm{\π}{l}_{1}k{V}_0}{l_0}$

其中，T为射流液滴在该高度处旋转运动的周期，V₀为基板匀速运动的速度值大小，l₁为所获得的轨迹上最高点与最低点间的纵向距离，为了减少测量误差，可多次测量最高点与最低点间的纵向距离再取其平均值(在公式里面体现出来)，即

$l_1=\frac{1}{n}(l_{11}+l_{12}+...+l_{1n}).$

其中，l_1i(i＝1，2，...，n)为最高点与最低点纵向距离某一次的测量值，n为测量次数。l₀为轨迹上任意两个最高点(或两个最低点)间的横向距离，k为这两最高点(或两个最低点)间的周期个数，为了减少测量误差，可使两点间间隔的周期个数足够多，也即k值足够大。R为射流液滴在该高度水平面处旋转运动的半径，

结合附图2对轨迹形状及流速计算方法进行如下分析，分析时近似认为电纺丝过程中螺旋段处的射流在同一高度水平面处为匀速圆周运动。假设射流逆时针旋转，流速大小为V_m，圆周运动半径为R，基板匀速向左运动，速度为V₀，(其他情况由对称性可推知只是相位与方向的差异，并不影响分析过程)，以基板匀速运动的反方向为X轴正向，在基板所在平面内建立附图2示坐标系。则射流相对于基板运动速度为

X方向 $V_x=V_0-V_m\×\sin (\frac{V_m}{R}\×t),$

Y方向 $V_y=V_m\×\cos (\frac{V_m}{R}\×t)$

射流液滴轨迹曲线方程为

$X=R\×\cos (\frac{V_m}{R}\×t)+V_0\×t,Y=R\×\sin (\frac{V_m}{R}\×t)$

即液滴相对于基板的运动在Y轴方向是简谐振动，而在X轴方向为匀速运动与简谐振动的合成运动。若在X方向只有匀速运动，轨迹应为标准正弦曲线。由于X方向简谐振动的叠加，故与标准正弦曲线相比，轨迹的X坐标产生变化，而Y坐标不变。将基板运动速度与射流螺旋段在该高度处流速大小进行比较，可知收集到的轨迹应该有三种以下情况：

a)当基板速度小于射流螺旋段在该高度处流速时，轨迹出现打结现象，如附图3；

b)当基板速度等于射流螺旋段在该高度处流速时，液滴运动到最高点处时，X方向合成速度为零，故理论轨迹出现尖峰现象，如图5所示，然而实际过程中由于纤维固化存在一定的刚度，在逐渐增大基板运动速度过程中以观察不同的射流轨迹形状时，这种特殊情况并不能被观察到，射流轨迹总是从情况(a)直接变为情况(c)；

c)当基板速度大于射流螺旋段在该高度处流速时，上半平面的轨迹曲线比标准正弦曲线瘦，下半平面的轨迹曲线比标准正弦曲线胖，如附图4。进一步当基板运动速度远大于流速时，则轨迹曲线逼近于标准正弦曲线。

进一步对轨迹方程进行分析可知，若记液滴在某一最高点或最低点位置时为t₀时刻，X₀＝V₀t₀，Y₀＝±R。经过整数倍k的个周期后到t₁时刻，可计算得，X₁＝V₀t₁，Y₀＝±R

故在t₀到t₁时间段内，液滴在X方向的位移为：

ΔX＝V₀(t₁-t₀)

即这段时间内液滴在X方向的位移与接收基板的位移相等。事实上，仅从圆周运动考虑，液滴在Y轴极值点间运动的始末时刻，X方向确实并没有产生位移。

(5)通过基板高度调节装置，将基板调节至不同待测高度；按照步骤(1)到(4)，测量电纺丝过程中射流螺旋段在不同高度水平面处的流速大小。

Claims (3)

1.一种电纺丝过程中射流螺旋段流速的测量方法，包括如下步骤：

(1)收集电纺丝

在电纺丝射流螺旋段下方一定高度处的水平面上设置一匀速运动的基板，获得单根纤维的轨迹，并记录基板的运动速度大小V₀；

(2)计算出射流螺旋段的流速

对获得的轨迹进行测量，得到轨迹上最高点与最低点间的纵向距离l₁和轨迹上任意两个最高点或两个最低点间的横向距离l₀，进而计算出射流螺旋段的流速V_m；

(3)调节基板为各种不同高度水平面，重复上述步骤(1)和步骤(2)，分别计算得到电纺丝过程中射流螺旋段在不同高度水平面处的流速大小，即可获得电纺丝流速在空间不同高度处的分布规律。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射流螺旋段的流速V_m按如下公式：

其中，k为两最高点或两最低点间的周期个数，R为射流液滴在该高度处的水平面上旋转运动的半径， 

T为射流液滴在该高度处的水平面上旋转运动的运动周期。

3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述纵向距离l₁可通过多次测量最高点与最低点间的纵向距离再取其平均值得到，即 

其中，l_1i为最高点与最低点纵向距离的第i次测量值，i＝1，2，...，n，其中n为测量次数。 

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