CN109563644A - 静电纺丝装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种静电纺丝装置，其具有用于容纳包含聚合物熔体或聚合物溶液的液体的容器以及布置为从容器中排出液体流的喷嘴。收集器在静电纺丝期间收集电纺材料以便形成纤维结构。该装置包括光学测量系统，其在收集器的表面上的至少一个位置处测量收集器与光学测量系统之间的基线距离，并且还在静电纺丝过程期间测量光学测量系统与纤维结构的瞬时顶层之间的瞬时距离。处理器计算纤维结构的瞬时厚度。一旦达到所需厚度，就可以停止静电纺丝。

Description

静电纺丝装置和方法

技术领域

本发明涉及静电纺丝装置和使用此类装置生产纤维结构的方法。本发明还涉及用于测量纤维结构的厚度的测量装置和测量纤维结构的厚度的方法。

背景技术

静电纺丝是一种生产直径从几十纳米到几十微米的连续纤维的方法。为了电纺纤维，可以通过小型导电喷嘴供给合适的液化材料。可以通过在喷嘴与对电极之间施加高电压来对液化材料充电。所生成的电场致使喷嘴尖端处的液滴产生锥形变形。一旦这个液滴的表面张力被电力克服，便由液滴形成射流并且形成朝向对电极移动的纤维。在朝向对电极飞行期间，纤维被作用于其上的不同力连续拉伸和拉长，从而减小其直径并且允许其固化(通过蒸发溶剂或冷却材料)，使得固体纤维沉积在收集器上(所述收集器刚好放置在对电极之前或者对电极被直接用作收集器)。

当静电纺丝过程运行一段时间时，在对电极或收集器上形成纤维层结构。由于这种结构的纤维直径极小并且具有多孔性，难以准确地测量所得纤维结构的厚度，因为所述结构的表面由非常薄的纤维组成并且因此是可压缩的。此外，所述结构的表面并不光滑，而是由纤维和孔隙的(随机或定向)网格组成。

需要与结构直接接触的厚度测量方法将产生不准确的结果，因为测量装置的机械接触会压缩纤维结构。如SEM和光学显微镜等其它测量方法是破坏性的，因为它们需要切开纤维结构以允许测量系统“观察”结构的横截面。

发明内容

已知的用于对电纺纤维结构进行厚度测量的方法的缺点是它们只能在生产纤维结构之后应用并且因此不能在原位应用。

本发明的一个目的是提供一种静电纺丝装置，其使得能够在原位测量所生产的纤维结构的厚度。

本发明的第一方面提供一种静电纺丝装置，其包括：

-容器，用于容纳包含聚合物熔体或聚合物溶液的液体；

-喷嘴，布置为从容器中排出液体流；

-收集器，用于在静电纺丝过程期间收集来自喷嘴的电纺材料以便在收集器的表面上形成纤维结构；

-电压供应系统，布置为在喷嘴与收集器之间产生电压差，

-光学测量系统，布置为在至少一个预定义位置处测量收集器的表面与光学测量系统之间的基线距离，并且在静电纺丝过程期间在所述至少一个预定义位置处重复测量纤维结构的瞬时顶层与光学测量系统之间的瞬时距离；

-处理器，布置为从光学测量系统接收测量的基线距离和瞬时距离并且对于所述至少一个位置计算纤维结构的瞬时厚度。

通过在静电纺丝装置中使用测量与收集器的距离和与瞬时顶层的距离的光学测量系统，原位测量是有可能的。可以在一个位置处或在多个位置处计算瞬时厚度。这些位置可以由用户或操作者通过提供一个或多个坐标来预定义。

在静电纺丝过程期间，所述装置测量正被生产的电纺纤维结构的厚度。与已知厚度测量相比，这将改善对生产过程的控制，在已知厚度测量中在纺丝过程之后进行测量。此外，纤维结构不需要被接触或切割成片。可以通过在至少一个位置处测量从收集器到光学测量系统的距离和从(瞬时)顶层到光学测量系统的距离来非常精确地测量厚度。通过还测量从收集器到光学测量系统的距离，可以制作一种初始高度图或基线，使得收集器表面的波动得以校正。在收集器为可旋转收集器的情况下，还可以补偿由于收集器的轴线取向引起的波动。

在实施方式中，收集器相对于喷嘴可移动地布置。以此方式，可以使用相对较大的收集器，其可以在较宽区域上被电纺材料覆盖，从而产生大纤维结构。此外，通过相对于收集器移动喷嘴，纤维的均匀和不均匀分布以及因此收集器上的均匀和不均匀结构厚度都是有可能的。

在实施方式中，光学测量系统相对于收集器的表面可移动地布置。以此方式，一个测量系统可以用于在收集器上的若干位置处进行测量。可替代地，光学测量系统相对于收集器的表面静止地布置以便在单个位置处进行测量。在这个实施方式中，不需要移动装置元件，并且测量系统将能够非常精确地在原位测量距离。任选地，可以使用若干测量系统，诸如若干三角测量传感器，其相对于收集器布置在不同预定义位置处。

在实施方式中，处理器被布置为依据在至少一个预定义位置处的所计算的纤维结构的瞬时厚度来控制以下各项中的至少一者：

-电压差；

-通过喷嘴的材料供给；

-相对于收集器的喷嘴位置。

因此，在这个实施方式中，瞬时厚度的反馈用于控制或调节电压差和/或材料供给和/或相对于收集器的喷嘴位置。测量的厚度的这种在线反馈导致结构的受控生产，并且使得纺丝过程能够继续朝着预定义目标结构厚度进行。此外，与已知装置相比，可以实现静电纺丝材料浪费的减少。

在实施方式中，处理器被布置为控制电压供应系统以便一旦达到纤维结构的期望厚度就停止静电纺丝过程。这提供了朝着预定义结构厚度继续纺丝过程的能力。还可以实现静电纺丝材料浪费的额外减少。

在实施方式中，处理器被布置为控制收集器相对于喷嘴的移动以便在不同位置处产生纤维结构的不同厚度。以此方式，可以产生在不同位置处具有不同厚度的较复杂纤维结构。

在实施方式中，收集器能够围绕旋转轴线旋转。收集器可以是圆柱形的或具有较复杂的自由形状。当使用此类旋转形状时，可以设想许多结构。相对简单的结构可以是管状结构，其可以在医学领域中用作支架。管状结构还可以在纺丝过程之后被切割并展平以产生大致平坦的电纺材料层。

在实施方式中，光学测量系统包括激光装置和光学传感器，其中激光装置被布置为朝向收集器发送光束，并且传感器被布置为测量来自收集器和/或纤维结构的反射辐射。

如上文提到，光学测量使得非接触式测量成为可能，并且不会对纤维结构造成损坏。光学系统可以包括激光器和光学传感器，它们可以放置在远离收集器一定距离处以避免在静电纺丝过程期间与测量系统发生干涉。

在实施方式中，光学传感器是1D或2D传感器阵列，其被布置为检测沿着至少一个轴线的辐射，其中处理器被布置为将沿着传感器的轴线的辐射强度转换成反射曲线并且检测反射曲线中的第一峰值，其中第一峰值由处理器用来确定收集器或纤维结构的瞬时顶层与光学测量系统之间的距离。

通过使用反射曲线的第一峰值，对不同类型的反射表面(固体或多孔)进行可再现距离测量是有可能的。

在具体实施方式中，光学测量系统包括激光三角测量传感器。此类传感器是非接触式的、精确的且具成本效益的。此外，可以使用光学测量系统与收集器之间的相对较长距离，使得可以避免测量装置的干涉。

在实施方式中，激光装置布置为产生横截面在25μm与5000μm之间、优选在70μm与2500μm之间的激光束。由激光产生的光斑可以是圆形、椭圆形或线形的。激光束的优选横截面大到足以覆盖电纺纤维结构的瞬时顶层处的许多纤维和孔隙以从电纺纤维结构的瞬时顶层产生足够反射(可检测的辐射强度量)，尽管小到足以能够区分电纺纤维结构的瞬时顶层上的关注区中的小高度(距离)差异。

在实施方式中，所述装置包括用户接口，其中处理器被布置为经由用户接口从用户接收预定义坐标。用户可以自由地选择计算纤维结构的厚度所在的一个或多个坐标。坐标的选择可以通过用户或操作者在测量之前与加载于处理器上的控制软件交互来完成。

在实施方式中，静电纺丝装置还包括位置测量系统，其被布置为测量收集器相对于光学测量系统的位置。处理器然后可以被布置为从位置测量系统接收位置信息并且依据所接收的位置信息来触发光学测量系统。用户可以在收集器上定义需要进行测量的一些测量位置。这些位置可以被编程在处理器中所并入的所谓触发控制器中，所述触发控制器触发使用光学测量系统在选定测量位置上采集测量点。以此方式，有可能恰好在预定义坐标处重复地且精确地进行测量。

根据另一方面，提供一种用于测量纤维结构的厚度的测量装置，所述测量装置包括：

-框架；

-任选地，可旋转驱动轴；

-用于支承纤维结构的载体，所述载体能够从框架和/或驱动轴上拆卸；

-光学测量系统，可移动地联接到框架并布置成在载体上的至少一个位置处测量载体与光学测量系统之间的基线距离，并且布置为在所述至少一个位置处测量纤维结构的顶层与光学测量系统之间的顶层距离，以及

-处理器，布置为从光学测量系统接收在至少一个位置处测量的基线距离和顶层距离，并且对于所有位置计算纤维结构的厚度。

测量装置可以用于计算在静电纺丝装置中生产的电纺纤维结构的厚度。电纺纤维结构可以通过将收集器从电纺装置拆卸以及通过将收集器(其上具有纤维结构)附接(即，安装)到测量装置来从电纺装置转移到测量装置。以此方式，纤维结构不需要从收集器移除并且因此不需要被触摸，从而避免对纤维结构造成损坏。

在实施方式中，测量装置还包括位置测量系统，其被布置为测量载体相对于光学测量系统的位置，其中处理器被布置为从位置测量系统接收位置信息并且依据所接收的位置信息来触发光学测量系统。光学测量系统的基于位置的触发使得能够在预定义坐标处精确地重复测量(例如，以恰好在相同坐标处测量基线和顶层距离，由此差值计算表示在那个坐标处的纤维结构的厚度)。

在施方式中，测量装置包括安装系统，用于相对于框架以固定取向安装载体。

在施方式中，载体能够相对于光学测量系统在至少一个维度中移动。这使得能够测量多个坐标的厚度。

在实施方式中，载体是大致圆柱形的并且能够相对于光学测量系统旋转。这使得能够测量管状结构或者其它自由或3D结构。

根据另一方面，提供一种生产纤维结构的方法，所述方法包括：

-提供包括收集器和光学测量系统的静电纺丝装置；

-在收集器的表面上的至少一个位置处光学测量收集器与光学测量系统之间的基线距离；

-通过使用静电纺丝装置进行静电纺丝来在收集器上产生电纺纤维结构；

-以及在静电纺丝时，对于至少一个位置光学测量纤维结构的瞬时顶层与光学测量系统之间的瞬时距离；

-在静电纺丝过程期间处理在至少一个位置处测量的基线距离和瞬时距离以对于至少一个位置计算纤维结构的瞬时厚度。

在实施方式中，所述方法包括：

-依据所计算的瞬时厚度，停止静电纺丝过程，或者仅在收集器的某些区域处继续静电纺丝。

根据又一方面，提供一种测量纤维结构的厚度的方法，所述方法包括：

-将上面没有电纺纤维结构的收集器安装到包括光学测量系统的测量装置中；

-在收集器上的至少一个位置处光学测量收集器的表面与光学测量系统之间的基线距离；

-从测量装置移除收集器并且将收集器放置在静电纺丝装置中以在收集器上产生电纺纤维结构；

-将上面具有电纺纤维结构的收集器安装到测量装置中；

-在至少一个位置处光学测量纤维结构的顶层与光学测量系统之间的顶层距离；

-处理在至少一个位置处测量的基线距离和顶层距离以计算纤维结构的厚度。

这种方法可以应用于通过将实际厚度与期望的或所需的值进行比较来检查电纺纤维结构的质量。这种方法的优点是其允许使用特殊测量装置，其包括在可能没有足够空间用于测量装置的静电纺丝装置中不可能的测量配置。

附图说明

根据下文描述的实施方式本发明的这些和其它方面将显而易见，并且将参考下文描述的实施方式阐明本发明的这些和其它方面。在附图中，

图1示意性地示出静电纺丝装置的第一实施方式的侧视图；

图2示出根据实施方式的图1中所使用的安装系统的立体图；

图3示意性地示出静电纺丝装置的另一实施方式；

图4A是根据实施方式的连接接口的立体图；

图4B示意性地示出图4A的连接接口的横截面；

图5示意性地示出收集器、纤维结构以及包括激光器和光学传感器的光学测量系统的侧视图；

图6示意性地示出根据本发明的实施方式的用于测量纤维结构的厚度的测量装置；

图7示出根据实施方式的生产纤维结构的方法的流程图；

图8示出根据具体实施方式的方法的流程图，其中使用旋转收集器，以及

图9示出根据实施方式的测量纤维结构的厚度的方法。

应当注意，在不同附图中具有相同参考标号的项目具有相同结构特征和相同功能或者是相同信号。在已经解释此类项目的功能和/或结构的情况下，没有必要在详细描述中对其进行重复解释。

具体实施方式

图1示意性地示出静电纺丝装置100的第一实施方式的侧视图。在这个示例中，装置100包括用于容纳包含聚合物熔体或聚合物溶液的液体的容器50以及被布置为从容器50中排出液体流的喷嘴51。应当注意，容器50可以远离喷嘴51布置，其中容器50借助于例如导管与喷嘴51流体连接。装置100还包括收集器1，其用于在静电纺丝过程期间收集来自喷嘴51的电纺材料。电压供应系统14被布置为在喷嘴51与收集器1之间产生电压差。电压供应系统14可以包括一个AC或DC电压供应以产生电压差，或者其可以包括两个电压供应，一个在收集器1与接地之间产生电压差以及一个在喷嘴51与接地之间产生电压差。由于所施加的电压，产生电纺纤维52，其从喷嘴51飞到收集器1，在收集器1上收集电纺纤维52以形成电纺纤维结构53。

静电纺丝装置100还包括光学测量系统(OMS)108，其被布置为测量收集器1或电纺纤维结构53与OMS 108的参考点13之间的距离。在这个示例中，OMS 108包括激光器8和光学传感器12。参考点13位于光学传感器12的前面。应注意，如技术人员将清楚的那样，参考点13可以位于其它位置。参考点13可以在处理测量的信号中使用以便在需要时计算绝对距离。激光器8被布置为产生激光束9，其被引导到收集器1，并且根据情况，在测量位置54处撞击空收集器1或电纺纤维结构53。测量位置54可以与待进行距离测量的预定义坐标对应。激光束8由收集器和/或收集器1上的电纺纤维结构53反射，并且由光学传感器12检测为反射光束11。

静电纺丝装置100还包括处理器111。处理器111被布置为在静电纺丝过程之前以及还在静电纺丝过程期间从OMS 108接收针对收集器1上的至少一个位置的测量距离。处理器111被布置为使用所接收的距离在纤维结构的静电纺丝过程期间计算所述至少一个位置的瞬时厚度。

静电纺丝装置100可以包括计量框架107，其被布置为支承收集器1和OMS 108。在图1的示例中，OMS 108可以借助于图1中通过箭头109所指示的OMS定位模块109来相对于计量框架107移动和定位。箭头109指示OMS 108相对于计量框架107的移动有可能在多达六个自由度(DOF)中进行。如三个其它箭头112所示，喷嘴51可以相对于OMS 108定位，即，相对于传感器12定位。因此，这种定位也有可能在多达6个DOF中进行。应注意，OMS 108和喷嘴51的上述相对定位是任选的，并且图1所示的不同元件均可以固定到框架107。为了能够在收集器1的多个区域上产生纤维层，优选的是喷嘴51能够相对于收集器1移动。这可以使用上述定位装置或被布置为相对于框架107移动收集器的不同单独系统(未示出)来完成。应注意，图1中的收集器1可以具有拥有取决于待生产的结构的不同形状(诸如矩形、方形、盘形或任何其它合适形式)的顶表面。顶表面可以是平坦的或弯曲的。收集器还可以具有压痕或凹口，且/或其可以具有延伸部以便产生不同纤维结构。在图1的实施方式中，收集器借助于包括支座顶部元件201和支座底部元件202的安装系统安装到框架107上。安装系统被布置为相对于框架107可移除地定位收集器1。在实施方式中，安装系统是运动耦合系统。

图2示出根据一个实施方式的图1中所使用的安装系统的立体图。在这个示例中，安装系统是包括顶部元件201和底部元件202的运动耦合系统。顶部元件201包括三个半球形元件203，而底部元件202包括三个凹槽204。底部元件202包括定向销205，而顶部元件201包括与定向销206协作的穿通孔206。顶部元件201包括螺纹孔207以用于接纳拉杆208的外端，所述拉杆208借助于弹簧209来偏置。顶部元件201只能以一种方式定位并连接在底部元件202的顶部。这是由于定向销落在穿通孔206中并且半球形元件203落在凹槽204中。如技术人员将理解的那样，安装元件相对于彼此的定位非常准确且可再现。应注意，可以设想其它类型的安装系统。

还应注意，安装系统201、202是任选的，但是其存在将使得用户能够从静电纺丝装置移除收集器1并且将其放置到另一个装置中用于测量目的或对纤维结构进行优选准确对准的其它操作。

图3示意性地示出静电纺丝装置100的另一实施方式。在这个实施方式中，静电纺丝装置100包括可相对于喷嘴51旋转的大致圆柱形收集器1。以此方式，可以在静电纺丝过程期间产生圆柱形纤维结构。由于收集器1是可旋转的，所以其还被称为旋转芯轴1。喷嘴51还被称为喷丝头51，其可以被充以高电压用于与参考图1所描述的过程类似的纤维制造。

如图3所示，在喷嘴51(的尖端)处作为液滴喷射电纺纤维52，并且电纺纤维52从喷嘴51飞到收集器1，同时其在带电喷嘴51与带电收集器1之间的静电场中拉伸并固化。在收集器1的外表面上收集电纺纤维，其在收集器1上形成多孔纤维层53，也被称为电纺纤维结构53。

静电纺丝装置100还包括将收集器1连接到致动器部件102至106的驱动轴101。致动器部件在这个示例中包括两个轴承102a、102b以及其它构件，其中轴承102b是任选的。轴承102a、102b被布置为支承固持旋转收集器1的驱动轴101。每个轴承被布置在收集器1的一端上。静电纺丝装置100还包括HV(高压)接触单元103，其被布置为向旋转收集器1提供高压或接地连接。HV隔离变速器104被布置为将HV充电收集器1与马达105分离以便保护马达105。马达105可以是直流、交流、步进或伺服马达。

在图3的实施方式中，装置100包括第一连接接口114a和第二连接接口114b。第一连接接口114a和第二连接接口114b还被称为安装系统114。安装系统被布置为将收集器1可移除地安装到装置100中。安装系统114优选地被布置为在6个DOF中将收集器1固定到轴101上。因此，例如，第一连接接口114a可以致使收集器1在4个DOF中固定，而第二连接接口114b被布置为在2个DOF中固定收集器。应注意，轴承102b是任选的，并且在这种情况下，没有第二连接接口114b；在这种情况下，第一连接接口可以被布置为在6个DOF中相对于轴101固定收集器1。

静电纺丝装置100还包括处理器111。处理器111可以被布置为向马达105发送马达设定点信号105a。设定点信号105a可以包括位置和/或速度信息。致动器部件还包括旋转位置传感器106，其可以是旋转编码器(绝对或增量)。旋转位置传感器106被布置为向处理器111发送旋转位置信号106a，所述旋转位置信号106a可以由处理器111用来在预定义坐标处触发测量采集过程。在测量采集过程期间，处理器111向OMS 108发送触发。在接收到触发时，OMS 108获取瞬时距离值X的样本并且将其发送回处理器111。在一个实施方式中，OMS108被布置为以高于50kHz的速率进行采样；对于高收集器定位速度，采样速率通常在100至400kHz之间。具有此类高采样速率的OMS使得能够在相对较高收集器定位速度下进行厚度测量。对于被测位置为静止的情况，低于50kHz的采样速率是有可能的。

静电纺丝装置100还包括计量框架107，其在这个实施方式中形成用于所有测量的参考框架。与喷嘴51相比，OMS 108被布置在旋转收集器1的相对侧上。因此，与旋转收集器1的纤维收集侧相比，测量位置54位于旋转收集器1的另一侧上。应注意，OMS 108不需要与喷嘴相对布置，但是优选的是，OMS 108位于使得其不会与喷嘴51的纤维生产过程的干涉位置处。如图1的实施方式所示，OMS 108甚至可以相对于收集器1(即，芯轴)位于与喷嘴相同的一侧。OMS 108可以借助于几种技术(例如，激光三角测量、光谱干涉(激光)位移或飞行时间)来确定所生产的电纺纤维结构53的厚度。应注意，还可以并行地使用上述技术。

测量位置54可以是单个位置或多个位置以检查纤维层堆积的分布。这使得装置或其用户能够根据预定义厚度规格生产纤维结构。优选地，垂直于收集器1的局部曲率执行测量。以此方式，在计算厚度值时不需要对可能角度偏差进行校正。

在图3的实施方式中，OMS 108向处理器111发送距离测量传感器信号108a，处理器111将连同位置信息106a一起处理这些信号。

静电纺丝装置100还包括OMS定位模块109。可以相对于旋转收集器1的主轴线固定OMS 108的位置。在这种情况下，只能测量沿着主轴线的单个位置。替代地，当需要沿着主轴线的多个测量位置时，可以借助于OMS定位模块109自动调节OMS 108的位置。

处理器111可以被布置为向OMS定位模块109发送OMS定位设定点信号109a。这个OMS定位设定点信号109a可以包括位置和/或速度信息。

静电纺丝装置100还包括OMS位置传感器110，其可以是线性编码器。OMS位置传感器110测量光学测量系统108相对于计量框架107并且因此相对于旋转收集器1的位置。OMS位置传感器110可以被布置为向处理器111发送OMS位置信号110a，所述OMS位置信号110a可以由处理器111使用以用于在预定义坐标处触发测量采集过程。

在这个实施方式中，静电纺丝装置100还包括喷嘴定位模块112。应注意，喷嘴51可以相对于旋转收集器1固定。替代地，喷嘴51的位置可以借助于喷嘴定位模块112来自动调节，从而导致旋转收集器1被电纺纤维结构更宽且/或更均匀地覆盖。

处理器111可以被布置为向喷嘴定位模块112发送喷嘴定位设定点信号112a。这个喷嘴定位设定点信号112a可以包括位置或速度信息。

在图3的实施方式中，静电纺丝装置100还包括喷嘴位置传感器113，其可以是线性编码器或与线性驱动带组合的旋转编码器。喷嘴位置传感器113可以被布置为向处理器111发送喷嘴位置信号113a。喷嘴位置信号113a可以包括位置或速度信息。

在实施方式中，处理器111被布置为用于执行以下功能：

-从用户或操作者接收预定义坐标；

-用于致动器105、109、112的设定点生成；

-来自位置传感器106、110、113的数据记录；

-测量采集的触发；

-来自距离传感器108的数据记录；

-厚度计算THK＝X2–X1。

图4A是根据实施方式的连接接口114a的立体图。连接接口114a包括收集器支座41和锥形轴支座42。锥形轴支座42被固定到驱动轴101的外端上或作为其一部分。

图4B示意性地示出图4A的连接接口114a的横截面。如可以从图4B看到，在这种情况下，收集器支座41是包括用于接纳锥形轴支座42的部分的凹口的圆柱体。所述凹口由锥形插座44和螺纹孔45形成。键槽46被布置为接纳来自锥形轴支座42的键47。图4B示出位于锥形轴支座42的外端处的拉杆48，其可以被插入到螺纹孔45中。通过将锥形轴支座42插入到收集器支座41中，收集器将以高定位精度安装到驱动轴上，优选在6个DOF中。

图5示意性地示出收集器1、纤维结构以及包括激光器8和光学传感器12的OMS 108的侧视图。光学传感器12在这个实施方式中可以是光学接收器，诸如线传感器、CCD传感器或CMOS传感器。在图5的底部，对应接收辐射强度被示出为X的函数，其中X是物体的反射表面与OMS 108的参考点13之间的距离。图5的曲线图示出在不同时刻测量的两条曲线。曲线6是在静电纺丝开始之前收集器仍然为空时作为X的函数的接收辐射。曲线7是在静电纺丝过程期间或恰在所述过程停止之后在收集器由纤维结构2(部分地)覆盖时作为X的函数的接收辐射。在图5中，X1涉及从OMS 108的参考点13到收集器1的表面的距离(基线)，以及X2是从OMS 108的参考点13到纤维结构5的瞬时顶层的距离。

在图5的顶部，激光束9撞击纤维结构2的顶层。箭头4指示收集器1的表面的位置，而箭头5指示纤维结构2的瞬时顶层。

如纤维3所指示的那样，纤维结构2的顶层具有不一致的纤维密度。根据实施方式，激光束横截面10比纤维结构2中的预期孔隙大。激光束9的横截面的通常值介于25至5000μm之间的范围内。激光束的优选横截面大到足以覆盖电纺纤维结构的瞬时顶层处的许多纤维和孔隙以从电纺纤维结构的瞬时顶层产生足够反射(可检测的辐射强度量)，尽管小到足以能够区分电纺纤维结构的瞬时顶层上的关注区中的小高度(距离)差异。

应注意，在图5中，束9的横截面在末端处以椭圆形10夸大。

在实施方式中，OMS处理反射曲线6或7以确定与每条相应曲线中的第一峰值对应的距离X1或X2，并且将这个距离值输出到处理器111。OMS可以使用三角测量方法来计算X1和X2的值。处理器111处理所接收的距离以计算纤维结构的厚度。参见图5，使用以下公式确定厚度THK：THK＝X2–X1。

发明人已经认识到，激光三角测量方法的响应是由纤维(多孔)结构产生的钟形曲线(反射曲线)信号，所述纤维(多孔)结构从纤维的顶部(较多孔)层给出很少反射，从纤维的较致密子层给出增加的反射，以及从纤维结构的较深层给出减少的反射。OMS的参考点13与物体的反射表面(收集器1或纤维结构5的瞬时顶层)之间的距离可以从对应钟形曲线导出，例如通过获取对应曲线6或7的峰值的位置。

图6示意性地示出根据本发明的实施方式的用于测量纤维结构的厚度的测量装置600。在这个实施方式中，测量装置600包括框架107、可旋转驱动轴101、用于支承纤维结构的载体，所述载体能够从框架和/或驱动轴上拆卸。装置600还包括OMS 108，其可移动地耦接到框架107并被布置为针对载体上的多个位置测量载体与OMS 108之间的基线距离，并且被布置为在所述多个位置处测量纤维结构的顶层与OMS 108之间的距离。测量装置600还包括处理器611，其被布置为从光学测量系统接收针对所述多个位置测得的基线距离和顶层距离并且针对所有预定义位置计算电纺材料的厚度。

可以从图6看到，测量装置600在某种程度上类似于图3的静电纺丝装置。然而，测量装置600不包括喷嘴51、容器50、喷嘴的定位112、电压供应系统14或HV接触单元103。应注意，轴承102b和安装元件114b在图6中为任选的。

图7示出根据实施方式的生产纤维结构的方法的流程图。所述方法可以使用静电纺丝装置100来执行。方法400包括针对静电纺丝装置的收集器的表面上的至少一个位置光学测量(见框401)静电纺丝装置的收集器与光学测量系统之间的第一(基线)距离。在框401之后通过静电纺丝(见框402)在收集器上产生纤维结构。在静电纺丝时，针对所述至少一个位置光学测量(见框403)纤维结构的瞬时顶层与光学测量系统之间的第二(瞬时顶层)距离。在静电纺丝过程期间针对所述一个或多个位置处理所测得的与光学测量系统的第一距离和第二距离以针对所有一个或多个位置计算纤维结构的瞬时厚度(见框404)。任选地，所述方法包括根据在所述预定义位置中的至少一者处所确定的瞬时厚度而停止静电纺丝过程(见框405)。可以在收集器的某些区域处继续进行静电纺丝，同时可以根据所需的局部厚度而停止在其它区域处进行静电纺丝。

图8示出根据具体实施方式的方法500的流程图，其中使用旋转收集器。方法500以框501开始，框501指示将收集器附接/固定到图3的机构的驱动轴。接下来，在步骤502中，将收集器1定位在期望的开始位置中。框503指示在处理器111中将来自传感器106和110的读数设置为零。在框504处，多个预定义坐标例如由用户在处理器中编程。这些预定义坐标可以是收集器1的圆周上的多个测量位置。在实施方式中，多个传感器用于在不同测量位置处并行地测量距离。框505指示针对OMS定位编程期望的OMS位置(相对于零位置)，在该位置应当触发测量采集过程。应注意，当OMS 108处于固定位置时不需要这个定位/位置编程。框506指示收集器1的旋转的开始并且等待其达到期望的旋转速度。可以通过处理器111读出旋转位置传感器106来准确地跟踪旋转收集器1的旋转角度。框507指示测量过程的开始。测量点可以由OMS 108与反射表面4、5之间的测量的距离来定义。框507A指示针对多个预定义坐标触发、采集并记录测量点。框507B指示可以在处理器111中将来自OMS 108的读数任选地设置为零。

为了求平均值(确定基线距离)，可以取用许多测量点以用于空收集器上的多个预定义坐标，见框507C。

框508指示静电纺丝过程的开始。纤维将开始聚集在旋转收集器1上，从而形成电纺纤维结构53(在微观上具有不均匀的分布)。如果需要，喷嘴51可以定位在编程位置处或者可以以特定速度移动。框509指示在纤维收集期间在多个预定义坐标处记录OMS与反射表面之间的距离。在静电纺丝过程期间随着电纺纤维结构53的厚度的增加，OMS 108与反射表面之间的距离减小。电纺纤维结构的瞬时厚度可以被定义为瞬时距离减去基线距离。框510指示在静电纺丝持续所需时间或达到期望厚度之后，可以停止(或中断)静电纺丝过程。任选地，收集器1在静电纺丝过程停止之后保持旋转，并且在电纺纤维结构上取多个预定义坐标处的许多测量点以用于求平均值目的。在框511处，停止测量过程。在框512处，停止旋转，并且在框513处，将收集器1从驱动轴101上拆卸，也见图3。OMS的参考点13与物体(收集器1或纤维结构5的瞬时顶层)之间的距离可以从对应钟形曲线导出，例如通过获取对应曲线6或7的峰值的位置。

在一个实施方式中，每个测量距离是从由OMS的传感器检测到的各反射曲线导出的，所述反射曲线是在接收到用于开始测量采集过程的触发之后记录的。距离值X可以通过获取反射曲线信号中的第一峰值的位置(最接近OMS)来从反射曲线中导出。反射曲线信号中的任何额外峰值都被不在考虑范围内。与第一峰值的位置相关的距离值X表示OMS的参考点13与物体之间的距离。

如果传感器12和收集器表面4能够彼此相对移动，则可以获得不同空间坐标处的距离信息。以此方式，可以实现在所述结构上的不同空间坐标处的结构厚度的精确测量。在此类情况下，测量方法/装置必须具有足够小的视场来检测厚度的局部变化。这可以通过使用适合关注区大小的激光光斑大小来实现。

上述非接触式测量方法具有许多优点。然而，非接触式方法必须允许收集器1与OMS 108之间有足够的距离以避免传感器/装置与静电纺丝过程干涉，因为：

·当装置100太靠近喷嘴51或收集器1时，装置100会改变电场；

·装置100会积聚静电荷并且开始充当电极(将纤维吸引或排斥到装置上而不是收集器上)；

·装置100可被(高压)喷嘴51或收集器1与装置100之间的放电损坏。

用于避免传感器/装置与静电纺丝过程的干涉的另一种解决方案是在包括可拆除式收集器的静电纺丝装置中生产纤维结构，所述收集器可以被放置到图6所示的测量装置600中。接着可以使用如下所述的方法测量厚度。

图9示出测量纤维结构的厚度的方法900，所述方法包括：

-将上面没有电纺结构的收集器安装到包括光学测量系统的测量装置中，见框901；

-在收集器上的至少一个位置处光学测量收集器的表面与光学测量系统之间的基线距离，见框902；

-从测量装置移除收集器并且将收集器放置在静电纺丝装置中以在收集器上产生电纺结构，见框903；

-将上面具有电纺结构的收集器安装到测量装置中，见框904；

-在所述至少一个位置处光学测量纤维结构的顶层与光学测量系统之间的顶层距离，见框905；

-处理来自光学测量系统的针对所述至少一个位置的测量基线和顶层距离以确定纤维结构的厚度，见框906。

如图9所示的测量纤维结构的厚度的方法未在生产时执行，所以这种方法被称为离线厚度测量方法。

上述原地和离线局部厚度测量优选地在宽范围内具有高精确度。电纺结构的厚度可以高达几毫米，而这种结构随时间的积累由孔隙大小和纤维直径本身决定并且这些通常介于几十纳米与几十微米之间。用于过程调整或质量控制目的的厚度测量的优选精确度通常为10μm至50μm。这种高准确度可以通过以下方式来实现：

·使用精确的距离测量方法，例如激光三角测量、光谱干涉等；

·收集器与光学测量系统的准确定位；

·高速触发测量采集以在OMS和/或收集器的高定位速度下增大重复性精确度；

·在多个测量点上求厚度的平均值的能力；

·在平均代表关注区的区域上测量距离的能力。

应当注意，上述实施方式说明而不是限制本发明，并且本领域的技术人员将能够设计许多替代实施方式。

在权利要求中，置于括号中的任何参考符号均不应被解释为限制权利要求。动词“包括”及其变化形式的使用不排除存在除权利要求中所陈述的元件或步骤之外的元件或步骤。在元件前面的冠词“一”或“一个”并不排除存在多个此类元件。在装置权利要求中，枚举若干装置。这些装置可以由同一个硬件或软件项目来实现。在相互不同的附属权利要求项中叙述某些措施的单纯事实并不指示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (23)

1.一种静电纺丝装置(100)，包括：

-容器(50)，用于容纳包括聚合物熔体或聚合物溶液的液体；

-喷嘴(51)，布置为从所述容器中排出所述液体的流；

-收集器(1)，用于在静电纺丝过程期间收集来自所述喷嘴的电纺材料，以便在所述收集器的表面上形成纤维结构；

-电压供应系统(14)，布置为在所述喷嘴与所述收集器之间产生电压差，

-光学测量系统(8、12；108)，布置为在至少一个预定义位置处测量所述收集器的所述表面与所述光学测量系统之间的基线距离，以及在所述静电纺丝过程期间，在所述至少一个预定义位置处，重复测量所述纤维结构的瞬时顶层与所述光学测量系统之间的瞬时距离；

-处理器(111)，布置为从所述光学测量系统接收所测量的基线距离和所述瞬时距离，以及计算所述至少一个位置处的所述纤维结构的瞬时厚度。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其中，所述收集器相对于所述喷嘴能够移动地布置。

3.根据权利要求1或2所述的静电纺丝装置，其中，所述光学测量系统(8、12；108)相对于所述收集器(1)的所述表面能够移动地布置。

4.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其中，所述光学测量系统(8、12；108)相对于所述收集器(1)的表面静止地布置，以便在单个位置处进行测量。

5.根据前述权利要求中任一项所述的静电纺丝装置，其中，所述处理器布置为根据在所述至少一个预定义位置处所计算的所述纤维结构的瞬时厚度来控制以下中的至少一项：

-所述电压差；

-通过所述喷嘴的材料供给；

-相对于所述收集器的喷嘴位置。

6.根据前述权利要求中任一项所述的静电纺丝装置，其中，所述处理器布置为控制所述电压供应系统，以便一旦达到所述纤维结构的期望厚度就停止所述静电纺丝过程。

7.根据前述权利要求中任一项所述的静电纺丝装置，依据权利要求2，其中，所述处理器布置为控制所述收集器相对于所述喷嘴的移动，以便在不同位置处产生不同厚度的所述纤维结构。

8.根据前述权利要求中任一项所述的静电纺丝装置，其中，所述收集器能够围绕旋转轴线旋转。

9.根据前述权利要求中任一项所述的静电纺丝装置，其中，所述光学测量系统包括激光装置和光学传感器，其中，所述激光装置布置为朝向所述收集器发送光束，以及所述传感器布置为测量来自所述收集器和/或所述纤维结构的反射辐射。

10.根据权利要求9所述的静电纺丝装置，其中，所述传感器是1D或2D传感器阵列，所述传感器阵列布置为检测沿着至少一个轴线的辐射，其中，所述处理器布置为将沿着所述传感器的所述轴线的辐射强度转换成反射曲线，并且检测所述反射曲线中的第一峰值，其中，所述第一峰值由所述处理器用来确定所述收集器或所述纤维结构的所述瞬时顶层与所述光学测量系统之间的距离。

11.根据前述权利要求中任一项所述的静电纺丝装置，其中，所述光学测量系统包括激光三角测量传感器。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的静电纺丝装置，其中，所述激光装置布置为产生横截面在25μm与5000μm之间、优选在70μm与2500μm之间的激光束。

13.根据前述权利要求中任一项所述的静电纺丝装置，其中，所述光学测量系统(8、12；108)能够相对于所述收集器的所述表面移动，并且布置为在与多个预定义坐标对应的多个位置处测量所述基线距离和所述瞬时距离。

14.根据权利要求13所述的静电纺丝装置，其中，所述装置包括用户界面，以及其中所述处理器布置为经由所述用户界面从用户接收所述预定义坐标。

15.根据前述权利要求中任一项所述的静电纺丝装置，其中，所述装置还包括位置测量系统(106、110)，所述位置测量系统(106、110)布置为测量所述收集器(1)相对于所述光学测量系统(108)的位置，其中，所述处理器(111)布置为从所述位置测量系统接收位置信息，并且依据所接收的位置信息触发所述光学测量系统(108)。

16.一种用于测量纤维结构的厚度的测量装置，所述测量装置包括：

-框架(107)；

-可选的可旋转驱动轴(101)；

-用于支承所述纤维结构的载体，所述载体能够从所述框架和/或所述驱动轴上拆卸；

-光学测量系统(8、12；108)，能够移动地联接到所述框架(107)，并布置为在所述载体上的多个位置处测量所述载体与所述光学测量系统之间的基线距离，以及布置为在所述多个位置处测量所述纤维结构的顶层与所述光学测量系统之间的顶层距离；

-处理器(111)，布置为从所述光学测量系统接收在所述多个位置处所测量的基线距离和所述顶层距离，以及计算在所有所述位置处所述纤维结构的厚度。

17.根据权利要求16所述的测量装置，其中，所述装置还包括位置测量系统(106、110)，所述位置测量系统(106、110)布置为测量所述载体(1)相对于所述光学测量系统(108)的位置，其中，所述处理器(111)布置为从所述位置测量系统接收位置信息，以及依据所接收的位置信息触发所述光学测量系统(108)。

18.根据权利要求16或17所述的测量装置，其中，所述装置包括安装系统，从而相对于所述框架(107)以固定取向安装所述载体。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的测量装置，其中，所述载体能够相对于所述光学测量系统在至少一个方向上移动。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的测量装置，其中，所述载体是大致圆柱形的，并且能够相对于所述光学测量系统旋转。

21.一种生产纤维结构的方法，所述方法包括：

-提供包括收集器和光学测量系统的静电纺丝装置；

-在所述收集器的表面上的至少一个位置处，光学测量所述收集器与所述光学测量系统之间的基线距离；

-通过使用所述静电纺丝装置进行静电纺丝来在所述收集器的所述表面上产生电纺纤维结构；

-以及在静电纺丝时，在所述至少一个位置处光学测量所述纤维结构的瞬时顶层与所述光学测量系统之间的瞬时距离；

-在所述静电纺丝过程期间，处理所述至少一个位置处的所测量的基线距离和所述瞬时距离，以计算所述纤维结构在所述至少一个位置处的瞬时厚度。

22.根据权利要求21所述的生产方法，其中，所述方法包括：

-依据所计算的瞬时厚度，停止所述静电纺丝过程，或仅在所述收集器的某些区域处继续纺丝。

23.一种测量纤维结构的厚度的方法，所述方法包括：

-将上面没有电纺纤维结构的收集器安装到包括光学测量系统的测量装置中；

-在所述收集器上的至少一个位置处，光学测量所述收集器的表面与所述光学测量系统之间的基线距离；

-从所述测量装置移除所述收集器，并且将所述收集器放置在静电纺丝装置中，以在所述收集器上产生电纺纤维结构；

-将上面具有所述电纺纤维结构的所述收集器安装到所述测量装置中；

-在所述至少一个位置处，光学测量所述纤维结构的顶层与所述光学测量系统之间的顶层距离；

-处理所述至少一个位置处的所测量的基线距离和所述顶层距离，以计算所述纤维结构的厚度。