CN110656384B - 一种静电纺丝丝径的在线调节方法及静电纺丝装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及静电纺丝领域，具体涉及一种静电纺丝丝径的在线调节方法及静电纺丝装置，在控制系统中输入纺丝材料性质以及预设的纤维丝径d0，纺丝材料性质包括热塑性和热固性；使用摄像头对准收集板上纺丝沉积位置拍摄得到纺丝纤维电镜图像；对纺丝纤维电镜图像进行图像处理，提取纺丝轮廓图像，根据所述纺丝轮廓图像计算当前纺丝纤维丝径d1；将d1与d0进行比较，根据纺丝材料性质以及比较结果控制收集板温度升高或降低。本发明利用收集板温度对纺丝纤维丝径的影响调控纺丝纤维丝径，改善现有的静电纺丝丝径不可控问题，得到更加稳定、精度更高的纺丝纤维。

Description

一种静电纺丝丝径的在线调节方法及静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及静电纺丝技术领域，尤其涉及一种静电纺丝丝径的在线调节方法及静电纺丝装置。
背景技术
静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝，这种方式可以生产出纳米级丝径的聚合物细丝。传统的静电纺丝装置，多采用恒定的直流电压，在喷头与收集板之间形成直流电场，这种方式存在以下缺陷：喷射过程中，由于射流带同种电荷，导致产生相斥的库仑力，从而导致射流不稳定加剧，纺丝纤维可控性降低，无法准确控制纺丝纤维丝径；再者，由于射流是在电场作用下产生定向运动，随着沉积厚度增加，基板导电率下降，喷头与基板之间的电场减弱，最终导致得到的纤维大小不一，无法达到的尺寸还有其他的一些参数指标，限制了纤维收集的精度和生产效率，从而影响了其在工业化生产和增材制造领域的应用前景。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种静电纺丝丝径的在线调节方法，方法包括以下步骤：在控制系统中输入纺丝材料性质以及预设的纤维丝径d0，纺丝材料性质包括热塑性和热固性；使用摄像头对准收集板上纺丝沉积位置拍摄得到纺丝纤维电镜图像；对纺丝纤维电镜图像进行图像处理，提取纺丝轮廓图像，图像处理包括灰度变换处理、灰度拉伸处理、阈值化处理，根据纺丝轮廓图像计算当前纺丝纤维丝径d1；将d1与d0进行比较，根据纺丝材料性质以及比较结果控制收集板温度升高或降低，直至当前纺丝纤维丝径d1与预设纤维丝径d0相等；若纺丝材料性质为热塑性，当d1＞d0时，控制收集板温度升高，当d1＜d0时，控制收集板温度降低，当d1＝d0时，控制收集板温度保持不变；若纺丝材料性质为热固性，当d1＞d0时，控制收集板温度降低，当d1＜d0时，控制收集板温度升高，当d1＝d0时，控制收集板温度保持不变。
进一步的，控制收集板温度降低为控制收集板温度每隔1s降低1℃，控制收集板温度升高为控制收集板温度每隔1s升高1℃。
进一步的，将计算得到的当前纺丝纤维丝径与预设的纤维丝径进行比较时误差范围设置在±1μm。
进一步的，通过在收集板的底部加装一个温控装置实现对收集板温度的调节。
进一步的，通过在收集板的底部加装一个温控装置实现对收集板温度的调节包括：通过加大温控装置内的电阻的电流实现对收集板的升温；通过降低温控装置内的电阻的电流实现对收集板的降温。
进一步的，收集板温度上限为35℃，收集板温度下限为0℃。
本发明还提供一种静电纺丝装置包括高压电源、收集板、针头、注射泵、控制系统、摄像头以及底部设有温控装置的收集板，高压电源的正极与针头连接，负极与收集板连接，注射泵与针头连接，控制系统与摄像头以及温控系统连接，静电纺丝装置使用上述的静电纺丝丝径的在线调节方法。
本发明有以下有益效果：对采用机器视觉拍摄的电镜图片进行一系列的图像处理，从而得到清晰的纺丝纤维轮廓图像，为之后的计算纺丝纤维丝径提供准确的计算依据，实现纺丝纤维丝径的精准计算。根据纺丝纤维丝径与预设丝径大小调节收集板温度从而实现对纺丝纤维丝径的调节，改善现有的静电纺丝丝径不可控问题，得到更加稳定，精度更高的纺丝纤维。
附图说明
图1为本发明一实施例中的静电纺丝丝径的在线调节方法的流程图；
图2为本发明一实施例中的静电纺丝的图像处理流程图；
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，在本发明的一实施例中，静电纺丝的在线调节方法包括：
步骤S101：在控制系统中输入纺丝材料性质以及预设的纤维丝径d0。由于不同性质的纺丝材料受温度的影响是不同的，因此在进行静电纺丝纤维丝径调节之前控制系统需要获取到纺丝材料的性质，具体的，纺丝材料的性质包括热塑性和热固性，热固性的常用材料例如：PDMS(聚二甲基硅氧烷)，树脂型材料等；热塑性常用材料：TPU(聚氨酯弹性体),PAN(过氧乙酰硝酸酯)等。当纺丝材料为热固性材料时，收集板温度越低纺丝纤维在接触到收集板时会更快速的成型，从而纺丝纤维在收集板沉积时丝径越小，当纺丝材料为热塑性材料时，收集板温度越高纺丝纤维在接触到收集板时会更快速的成型，从而纺丝纤维在收集板沉积时丝径越小。本发明即利用收集板温度对纺丝纤维丝径的影响实现对静电纺丝纤维丝径的在线调控。
步骤S102：使用摄像头对准收集板上纺丝沉积位置拍摄得到纺丝纤维电镜图像。可选的，摄像头可以使用高倍率的工业级摄像头，拍摄清晰的纺丝纤维电镜图像，为后续图像处理与纺丝纤维丝径计算提供可靠的纺丝纤维电镜图像，提高计算的准确度。
步骤S103:对拍摄到的纺丝纤维电镜图像进行图像处理，提取纺丝轮廓。图像处理包括以下步骤：
步骤S201：对纺丝纤维电镜图像进行灰度变换处理和灰度拉伸处理，得到灰度图像。具体的，对纺丝纤维电镜图像进行灰度变换处理可以通过下述的线性变换公式来实现：
Figure BDA0002246668590000041
其中，纺丝纤维电镜图像的像素值用g(x,y)表示，设纺丝纤维电镜图像的大部分像素的灰度级分布在区间[c,d]，则进行灰度变换后纺丝纤维电镜图像的像素值v(x,y)的灰度范围扩展到区间[e,f]。
步骤S202：对灰度图像进行阈值化处理，得到阈值图像。首先，对灰度图像进行阈值化处理，得到初始阈值图像；对初始阈值图像进行二值化操作和腐蚀操作，得到阈值图像。其中，阈值化处理以及二值化操作、腐蚀操作均使用现有技术，在此不再过多赘述。可选的，进行二值化操作时，可以利用opencv(开源计算机视觉库，Open Source ComputerVision Library)的otsu(大津法或最大类间方差法)算法。
步骤S203：提取阙值图像中的纺丝轮廓区域，得到纺丝轮廓图像。可选的，利用opencv中的findContours函数找到阈值图像中纺丝的轮廓(找到像素落差较大的图像交界处)，利用drawContours函数将纺丝轮廓画出，得到纺丝轮廓图像。
通过上述图像处理过程，能够改善图像质量，使纤维图像的显示效果更加清晰，勾勒纺丝轮廓更加容易并且准确度更高。
步骤S104：根据纺丝轮廓图像计算纺丝纤维丝径d1。进一步的，根据纺丝轮廓计算纺丝纤维丝径包括：检测一条纺丝纤维两侧的直线，做出通过该条纺丝纤维两侧直线的法线，获得法线与纺丝纤维两侧的直线的交点，计算得到两个交点之间的距离即为直径。具体的，可以通过opencv库函数HoughLines检测直线，并且做通过直线的法线，获得直线之间的交点。通过opencv库函数HoughLines检测直线所返回的参数，直接计算得出纺丝纤维丝径。上述计算均可使用现有技术来实现，在此不过多赘述。
步骤S105：将计算得到的纺丝纤维丝径与预设的纤维丝径进行大小比较，根据比较结果以及纺丝材料性质调节收集板温度。并返回步骤S102。
将d1与d0进行比较，根据纺丝材料性质以及比较结果控制收集板温度升高或降低，直至当前纺丝纤维丝径d1与预设纤维丝径d0相等。
具体的，若纺丝材料性质为热塑性，当d1＞d0时，控制收集板温度升高，收集板温度越高纺丝纤维在接触到收集板时会更快速的成型，从而纺丝纤维在收集板沉积时丝径越小；当d1＜d0时，控制收集板温度降低，收集板的温度越低纺丝纤维在接触到收集板时成型越慢，从而纺丝纤维在收集板板沉积时丝径越大，当d1＝d0时，控制收集板温度保持不变，从而使纺丝纤维的丝径稳定在预设的丝径上，实现对纺丝纤维的精准控制。
若纺丝材料性质为热固性，当d1＞d0时，控制收集板温度降低，收集板温度越低纺丝纤维在接触到收集板时会更快速的成型，从而纺丝纤维在收集板沉积时丝径越小；当d1＜d0时，控制收集板温度升高，收集板温度越高纺丝纤维在接触到收集板时会更慢的成型，从而纺丝纤维在收集板沉积时丝径越大，当d1＝d0时，控制收集板温度保持不变，从而使纺丝纤维的丝径稳定在预设的丝径上，实现对纺丝纤维的精准控制。
通过上述方法，实时监控收集板上沉积的纺丝纤维的丝径大小，只要计算到的纺丝纤维的丝径大小与预设的丝径大小不相等，即控制收集板的温度变化，从而调控之后的纺丝纤维的丝径大小，实现对静电纺丝纤维丝径的在线精确调控，提高生产效率以及纺丝纤维质量。同时本发明提供的静电纺丝纤维丝径的在线调节方法可以针对热固性、热塑性两种不同的纺丝材料进行调节，应用的范围更广。
进一步的，控制收集板温度降低为控制收集板温度每隔1s降低1℃，控制收集板温度升高为控制收集板温度每隔1s升高1℃。
进一步的，将计算得到的纺丝纤维丝径与预设的纤维丝径进行大小比较时误差范围设置在±1μm。
进一步的，通过在收集板的底部加装一个温控装置实现对收集板温度的调节。温控装置与静电纺丝装置的控制系统连接，静电纺丝控制系统根据计算得到的纺丝纤维丝径与预设的纤维丝径的大小关系控制温控装置实现收集板的升温与降温。
进一步的，通过在收集板的底部加装一个温控装置实现对收集板温度的调节包括：通过加大温控装置内的电阻的电流实现对收集板的升温；通过降低温控装置内的电阻的电流实现对收集板的降温。通过电阻的电流越大，发热越大，反之，通过电阻的电流越小，发热越小。因此，当需要升温时，加大电流，当需要降温时，降低电流。
进一步的，温度的上限为35℃，温度的下限为0℃。可以在温控装置上设置温度传感器，温度传感器实时监测收集板的温度，当收集板的温度达到上限或者下限后，控制系统立刻停止对收集板的升温或降温。
本发明还提供一种静电纺丝装置，静电纺丝装置包括高压电源、收集板、针头、注射泵、控制系统，收集板设置在针头的下方，高压电源正极与针头连接、负极与收集板连接，高压电源接通后，针头与收集板之间会形成直流电场，使纺丝溶液从针头处射出，沉积在收集板上形成纤维。注射泵与针头连接，为针头供液，静电纺丝装置还包括摄像头以及底部设有温控装置的收集板，摄像头实时拍摄收集板上的纺丝纤维电镜图片并传输给控制系统，控制系统对纺丝纤维电镜图像进行一系列的图像处理后计算得到当前纺丝纤维丝径，从而根据当前纺丝纤维的丝径以及纺丝材料性质对收集板温度进行调节，从而间接调节纺丝纤维的丝径。
本发明说明书中使用的术语和措辞仅仅为了举例说明，并不意味构成限定。本领域技术人员应当理解，在不脱离所公开的实施方式的基本原理的前提下，对上述实施方式中的各细节可进行各种变化。因此，本发明的范围只由权利要求确定，在权利要求中，除非另有说明，所有的术语应按最宽泛合理的意思进行理解。

Claims (7)

1.一种静电纺丝丝径的在线调节方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在控制系统中输入纺丝材料性质以及预设的纤维丝径d0，所述纺丝材料性质包括热塑性和热固性；
使用摄像头对准收集板上纺丝沉积位置，拍摄得到纺丝纤维电镜图像；
对所述纺丝纤维电镜图像进行图像处理，提取纺丝轮廓图像，所述图像处理包括灰度变换处理、灰度拉伸处理、阈值化处理；
根据所述纺丝轮廓图像计算当前纺丝纤维丝径d1；
将d1与d0进行比较，根据所述纺丝材料性质以及d1与d0的比较结果控制收集板温度升高或降低；
若纺丝材料性质为热塑性，当d1＞d0时，控制收集板温度升高，当d1＜d0时，控制收集板温度降低，当d1＝d0时，控制收集板温度保持不变；
若纺丝材料性质为热固性，当d1＞d0时，控制收集板温度降低，当d1＜d0时，控制收集板温度升高，当d1＝d0时，控制收集板温度保持不变。
2.如权利要求1所述的静电纺丝丝径的在线调节方法，其特征在于，所述控制收集板温度降低为控制收集板温度每隔1s降低1℃，所述控制收集板温度升高为控制收集板温度每隔1s升高1℃。
3.如权利要求2所述的静电纺丝丝径的在线调节方法，其特征在于，将计算得到的所述纺丝纤维丝径与预设的纤维丝径进行大小比较时误差范围设置在±1μm。
4.如权利要求3所述的静电纺丝丝径的在线调节方法，其特征在于，通过在所述收集板的底部加装一个温控装置实现对收集板温度的调节。
5.如权利要求4所述的静电纺丝丝径的在线调节方法，其特征在于，所述通过在所述收集板的底部加装一个温控装置实现对收集板温度的调节包括：
通过加大所述温控装置内的电阻的电流实现对收集板的升温；
通过降低所述温控装置内的电阻的电流实现对收集板的降温。
6.如权利要求5所述的静电纺丝丝径的在线调节方法，所述收集板温度上限为35℃，所述收集板温度下限为0℃。
7.一种静电纺丝装置，其特征在于，包括高压电源、收集板、针头、注射泵、控制系统、摄像头以及底部设有温控装置的收集板，所述高压电源的正极与所述针头连接，负极与所述收集板连接，所述注射泵与所述针头连接，所述控制系统与所述摄像头以及所述温控装置连接；
所述静电纺丝装置使用如权利要求1-6任一项所述的静电纺丝丝径的在线调节方法。
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