CN109594131A - 一种基于泵流量的静电纺丝射流直径控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于泵流量的静电纺丝射流直径控制方法，包括：将高分子溶液装入喷嘴中，设定流量泵的泵流量，使高分子溶液从喷嘴中流出，形成悬滴；在喷嘴和基板之间施加高压静电场，使悬滴表面静电力打破表面张力，形成静电纺丝射流；实时采集静电纺丝射流图像，并对所述图像进行预处理；基于预处理后的图像，计算实时的静电纺丝射流直径；将实时的射流直径与设定直径进行比较得到偏差，当存在偏差时，使用模糊控制方法实时调节流量泵的泵流量，使得偏差尽可能接近零。本发明通过以泵流量作为控制量的闭环反馈控制，使射流直径稳定在设定直径左右，调节直径的稳定性更好，有效地减小了温度、噪声、抖动等外界因素的影响。

Description

一种基于泵流量的静电纺丝射流直径控制方法

技术领域

本发明属于柔性电子制造静电纺丝技术领域，更具体地，涉及一种基于泵流量的静电纺丝射流直径控制方法。

背景技术

近几年来，柔性电子制造技术取得了快速的发展。由于其克服了刚性电路板的变形能力差、平面化等缺点，以其独特的延展性以及高效、低成本的制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，代表着未来电子制造业的发展方向。在柔性电子器件的诸多图案化制造技术中，静电纺丝技术具有成本低、制造面积大、制造效率高、图案分辨率高、对环境要求低等诸多优势。因此，静电纺丝技术的研究对于柔性电子制造业的发展具有重要的意义。

静电纺丝技术通过将聚氧化乙烯(PEO)溶液在精密流量泵的作用下从喷嘴流出，并形成悬滴。高压电源通过电极在喷嘴与柔性基板之间形成电场。随着电压的逐渐升高，悬滴上电荷富集，形成弯液面。进一步升高电压，则弯液面变成泰勒锥(Taylor-cone)。当电压超过一定的临界值后，悬滴静电力高于表面张力，此时PEO溶液从泰勒锥顶端射流，并沉积到柔性基板上，在基板上形成喷印点。柔性基板由高精度运动平台按指定运动轨迹驱动，类似于“笔不动而纸动”，从而实现了微米/纳米级电路图案的喷印。然而，静电纺丝过程的射流过程极易受到泵流量、电场电压、基板移动速度、温度和湿度的影响，进而影响沉积在基板上的纳米纤维品质。目前的静电纺丝技术大多采用对电压进行调节的闭环控制，或者对基板速度进行调节的闭环控制，控制过程中由于电压或基板速度变化剧烈，会导致泰勒锥和射流不稳定，进而导致沉积在基板上的纳米纤维品质非常的不稳定。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于泵流量的静电纺丝射流直径控制方法，旨在解决现有技术中静电纺丝射流直径受外界参数影响而不稳定的现象。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于泵流量的静电纺丝射流直径控制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将高分子溶液装入喷嘴中，设定流量泵的泵流量，使高分子溶液从喷嘴中流出，形成悬滴；

(2)在喷嘴和基板之间施加高压静电场，使悬滴表面静电力打破表面张力，形成静电纺丝射流；

(3)实时采集静电纺丝射流图像，并对所述图像进行预处理；

(4)基于预处理后的图像，计算实时的静电纺丝射流直径；

(5)将实时的射流直径与设定直径进行比较得到偏差，当存在偏差时，使用模糊控制方法实时调节流量泵的泵流量，使得偏差尽可能接近零。

具体地，泵流量的取值范围为0.1～0.6ml/h。

具体地，通过水平安放的高速工业相机实时采集静电纺丝射流图像。

具体地，图像预处理包括图像灰度变换、区域平滑去噪、锐化和图像标定。

具体地，利用最大值卡尺方法计算静电纺丝射流直径。

具体地，设定直径的取值范围为10μm～50μm。

具体地，使用模糊控制方法实时调节流量泵的泵流量时，语言变量E选取为当前直径与设定直径的偏差值，EC选取为偏差值的变化率，UC为泵流量的值的变化。

具体地，直径偏差值E的论域为{-6,+6}，偏差值变化率EC的论域为{-0.6,0.6}，泵流量变化UC的论域为{-0.5,0.5}。

具体地，模糊控制的隶属函数选择三角形和S形。

具体地，使用模糊控制方法实时调节流量泵的泵流量时，使用模糊控制方法实时调节流量泵的泵流量时，模糊规则表如下所示：

其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，Z表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明通过以泵流量作为控制量的闭环反馈控制，调节泵流量稳定性更好，使射流直径稳定在设定直径左右，有效地减小了温度、噪声、抖动等外界因素的影响。

2.本发明采用模糊控制方法来实时调节流量泵的泵流量，解决静电纺丝过程中检测位置、工作温度、射流直径的变化规律的不确定性，该方法对于各种工况都比较适用，通用性比较强。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于泵流量的静电纺丝射流直径控制方法流程图；

图2(a)为预处理后的静电纺丝射流图，图2(b)为图2(a)的局部放大图；

图3为本发明中静电纺丝射流直径模糊控制的隶属函数示意图；

图4为本发明中静电纺丝射流直径模糊控制的控制规则库示意图；

图5(a)为本发明中静电纺丝射流直径模糊控制的正弦曲线跟踪结果，图5(b)为本发明中静电纺丝射流直径模糊控制的方波跟踪结果，其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为射流直径，单位为μm；

附图标记的含义如下：1.喷嘴；2.光源；3.基板；4.高速工业相机；5.高压直流电源；6.流量泵；7.实时处理与控制器；8.显示器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

泵流量是影响静电纺丝射流直径的重要因素之一，并且相比于电压和基板速度，泵流量的调节方式通过实时处理与控制器编程实现更为方便，效果更好。如图1所示，本发明提供的一种基于泵流量的静电纺丝射流直径控制方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)将高分子溶液装入喷嘴1中，设定流量泵6的泵流量，使高分子溶液从喷嘴1中流出，形成悬滴。

通过设定流量泵流量在一合理值，使高分子溶液从喷嘴中流出，形成悬滴，为之后形成泰勒锥和射流做准备。流量泵流量的取值范围为0.1～0.6ml/h。本实施例中采用的高分子溶液为聚氧化乙烯(PEO)溶液，喷嘴距离基板高度为3mm，流量泵采用美国哈佛仪器公司的精密流量泵。

步骤(2)在喷嘴1和基板3之间施加高压静电场，使悬滴表面静电力打破表面张力，形成静电纺丝射流。

通过高压直流电源5在喷嘴1和基板3之间施加高压静电场，设定高压直流电源的电压在3kV，通过高压静电力和流量泵推力共同作用，使悬滴静电力打破表面张力，形成泰勒锥并在泰勒锥顶端形成稳定射流，射流沉积到基板3上得到静电纺丝纤维。

步骤(3)实时采集静电纺丝射流图像，并对所述图像进行预处理。

在本实施例中，将光源2对准高速工业相机4，通过水平安放的高速工业相机4实时采集静电纺丝射流图像。图像预处理包括图像灰度变换、区域平滑去噪、锐化、图像标定，由实时处理与控制器7进行。其中，区域平滑去噪利用了高斯平滑滤波器，内核尺寸为7×7，以减小图像噪声。锐化处理利用了高亮细节滤波器，内核尺寸为7×7，以突出纤维边缘。图像标定，首先确定图像上像素点数和喷嘴直径的对应比例关系，计算出一个像素点数对应的实际空间尺寸，以便于接下来计算射流直径的实际空间尺寸。

步骤(4)基于预处理后的图像，计算实时的静电纺丝射流直径。

本发明是利用最大值卡尺方法计算静电纺丝射流直径，具体如下：将图像中稳定射流区域作为目标区域，利用边缘检测方法抽取目标区域的轮廓，沿着垂直于轮廓方向计算最短的两点距离，即为静电纺丝射流直径。如图2(b)所示，方框为目标区域，方框内直线为射流轮廓线，两轮廓线之间最短距离即射流直径。

步骤(5)将实时的射流直径与设定直径进行比较得到偏差，当存在偏差时，使用模糊控制方法实时调节流量泵的泵流量，使得偏差尽可能接近零。

设定直径的取值范围为10μm～50μm。当存在偏差时，使用模糊控制方法实时调节流量泵的泵流量，使得偏差尽可能接近零。通过以泵流量作为控制量的闭环反馈控制，使射流直径稳定在设定直径左右，有效地减小了外界因素的影响。

模糊控制是利用模糊数学知识模仿人脑的思维对系统进行识别和判断，通过计算给出精确的控制量，利用计算机予以实现的自动控制。我们根据大量的实验，总结了一套完整的静电纺丝射流直径控制规则，根据当前的运行状态，经过模糊推理，模糊判断等运算求出当前应给出的泵流量，实现对静电纺丝直径的控制。模糊控制中，语言变量E选取为当前直径与设定直径的偏差值，EC选取为偏差值的变化率，UC为泵流量的值的变化。如图3所示，我们选择直径偏差值E的论域为{-6,+6}，偏差值变化率EC的论域为{-0.6,0.6}，泵流量变化UC的论域为{-0.5,0.5}，隶属函数选择三角形和S形。如图4所示，规则通过下述IF-THEN语句来描述：

IF E is NB，EC is NB，THEN UC is PB；

IF E is NB，EC is NM，THEN UC is PB；

IF E is NB，EC is NS，THEN UC is PM；

IF E is NB，EC is Z，THEN UC is PM；

IF E is NB，EC is PS，THEN UC is PS；

IF E is NB，EC is PM，THEN UC is PS；

IF E is NB，EC is PB，THEN UC is Z；

IF E is NM，EC is NB，THEN UC is PB；

IF E is NM，EC is NM，THEN UC is PB；

IF E is NM，EC is NS，THEN UC is PB；

IF E is NM，EC is Z，THEN UC is PM；

IF E is NM，EC is PS，THEN UC is PM；

IF E is NM，EC is PM，THEN UC is Z；

IF E is NM，EC is PB，THEN UC is Z；

IF E is NS，EC is NB，THEN UC is PM；

IF E is NS，EC is NM，THEN UC is PM；

IF E is NS，EC is NS，THEN UC is PS；

IF E is NS，EC is Z，THEN UC is PS；

IF E is NS，EC is PS，THEN UC is Z；

IF E is NS，EC is PM，THEN UC is Z；

IF E is NS，EC is PB，THEN UC is Z；

IF E is Z，EC is NB，THEN UC is PM；

IF E is Z，EC is NM，THEN UC is PS；

IF E is Z，EC is NS，THEN UC is PS；

IF E is Z，EC is Z，THEN UC is Z；

IF E is Z，EC is PS，THEN UC is NS；

IF E is Z，EC is PM，THEN UC is Z；

IF E is Z，EC is PB，THEN UC is NS；

IF E is PS，EC is NB，THEN UC is PS；

IF E is PS，EC is NM，THEN UC is Z；

IF E is PS，EC is NS，THEN UC is Z；

IF E is PS，EC is Z，THEN UC is NS；

IF E is PS，EC is PS，THEN UC is NS；

IF E is PS，EC is PM，THEN UC is NS；

IF E is PS，EC is PB，THEN UC is NM；

IF E is PB，EC is NB，THEN UC is Z；

IF E is PB，EC is NM，THEN UC is NS；

IF E is PB，EC is NS，THEN UC is NS；

IF E is PB，EC is Z，THEN UC is NM；

IF E is PB，EC is PS，THEN UC is NM；

IF E is PB，EC is PM，THEN UC is NB；

IF E is PB，EC is PB，THEN UC is NB。

经过模糊推理可以得到泵流量变化UC的精确值。

如图5(a)所示，正弦曲线最大值为37μm，最小值为27μm，周期为4s。如图5(b)所示，方波最大值为38μm，最小值为28μm，周期为4s。如图5所示，无论射流直径是跟踪正弦曲线，还是跟踪方波，模糊控制实现的跟踪效果都较好。

在实时处理与控制器7上通过LabVIEW编程实现相应控制方法。显示器8可提供用户软件界面，并实时显示静电纺丝射流图像、预处理后的静电纺丝射流图像、直径实时变化曲线、直径设定曲线和各参数。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于泵流量的静电纺丝射流直径控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将高分子溶液装入喷嘴中，设定流量泵的泵流量，使高分子溶液从喷嘴中流出，形成悬滴；

(2)在喷嘴和基板之间施加高压静电场，使悬滴表面静电力打破表面张力，形成静电纺丝射流；

(3)实时采集静电纺丝射流图像，并对所述图像进行预处理；

(4)基于预处理后的图像，计算实时的静电纺丝射流直径；

(5)将实时的射流直径与设定直径进行比较得到偏差，当存在偏差时，使用模糊控制方法实时调节流量泵的泵流量，使得偏差尽可能接近零。

2.如权利要求1所述的静电纺丝射流直径控制方法，其特征在于，泵流量的取值范围为0.1～0.6ml/h。

3.如权利要求1所述的静电纺丝射流直径控制方法，其特征在于，通过水平安放的高速工业相机实时采集静电纺丝射流图像。

4.如权利要求1所述的静电纺丝射流直径控制方法，其特征在于，图像预处理包括图像灰度变换、区域平滑去噪、锐化和图像标定。

5.如权利要求1所述的静电纺丝射流直径控制方法，其特征在于，利用最大值卡尺方法计算静电纺丝射流直径。

6.如权利要求1所述的静电纺丝射流直径控制方法，其特征在于，设定直径的取值范围为10μm～50μm。

7.如权利要求1所述的静电纺丝射流直径控制方法，其特征在于，使用模糊控制方法实时调节流量泵的泵流量时，语言变量E选取为当前直径与设定直径的偏差值，EC选取为偏差值的变化率，UC为泵流量的值的变化。

8.如权利要求7所述的静电纺丝射流直径控制方法，其特征在于，直径偏差值E的论域为{-6,+6}，偏差值变化率EC的论域为{-0.6,0.6}，泵流量变化UC的论域为{-0.5,0.5}。

9.如权利要求7所述的静电纺丝射流直径控制方法，其特征在于，模糊控制的隶属函数选择三角形和S形。

10.如权利要求7所述的静电纺丝射流直径控制方法，其特征在于，使用模糊控制方法实时调节流量泵的泵流量时，模糊规则表如下所示：

其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，Z表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。