CN110656386A - 一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及静电纺丝技术领域，具体公开了一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，包括静电纺丝装置、纤维轨迹检测装置以及控制装置，静电纺丝装置包括为喷头输送溶液的供液泵，喷射溶液的喷头，接收溶液并固化形成纤维的透明接收板以及高压电源；纤维检测装置包括摄像头、压电透镜、光敏电阻；控制装置与摄像头、光敏电阻、压电透镜以及喷头均电连接。本发明的近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，通过纤维轨迹检测装置对纤维的图像信息、形态信息以及位置信息进行测量，控制装置对测量信息进行分析、耦合运算以及对比，采用闭环控制的方法使纤维形态更加均匀可控，对电纺直写技术的工业化应用有着更好的推动作用。
Description
技术领域
本发明涉及静电纺丝技术领域，尤其涉及一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统。
背景技术
静电纺丝技术是聚合物液体(溶液或熔体)在高压电场作用下生成微纳米纤维的一种方法，近年来吸引了越来越多研发人员的关注。不同于传统化纤纺丝系统，静电纺丝过程是利用电场力而不是机械力对聚合物射流进行牵伸。在极高的场强中，电场力与库仑力相结合对聚合物射流实现了高倍拉伸和点对点传送，射流直径逐渐减小从而形成纳米尺度的纤维。在传统静电纺丝的基础上，通过控制纺丝射流稳定在初始稳定阶段，近场直写静电纺丝技术逐渐发展起来。此技术原理是通过降低纺丝距离(几个厘米甚至几个毫米的尺度范围)和纺丝电压(约1～4kV)，控制纺丝射流处于初始稳定运动状态，实现对纺丝射流精确控制及固化后纤维的精准沉积；同时将收集板安装在二维运动平台上，通过控制二维运动平台的运动路径，实现电纺纤维在二维平面内的定点沉积或按预定轨迹沉积，最终获得理想的3D图形结构。
目前静电纺丝技术已经发展较为成熟，但是纺丝质量一直难以达到预想的效果。近年来，研发人员针对静电纺丝喷头和收集装置进行了开发和改善，使用带有动态机械装置的有序静电纺丝技术来解决静电纺丝过程中纳米纤维的有序排列问题，包括滚筒式纤维收集器、圆盘式纤维收集器、分离电极的纤维收集器、磁力静电纺丝等，但是这些方法所涉及的实验平台和技术难以调控纤维尺寸分布和取向度，即便可以通过调整工艺参数达到理想的纤维尺度分布和取向度，静电纺丝膜的横向基本上不具备机械强力，且难以精准控制纤维沉积位点和层数，不能精确纺出要求的3D结构，只能得到沿某一方向具有一定取向度的电纺膜或纤维束。相比较于传统的静电纺丝，近场直写静电纺丝对电压大小、喷头高度、供液速度以及路径控制有更高的要求，要想达到预期效果需要对各个环节进行精密控制，目前对于纺丝纤维的检测多采用视觉检测系统配合电镜观察来实现，静电纺丝过程多是开环的系统，这样无法对纺丝结果进行实时检测也无法对路径和供液速度进行实时控制。
发明内容
针对现有技术中的技术问题，本发明提供一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统。
一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，包括静电纺丝装置、纤维轨迹检测装置以及控制装置，其中：
静电纺丝装置包括为喷头输送溶液的供液泵，喷射溶液的喷头，接收溶液并固化形成纤维的透明接收板，以及正极与喷头电连接、负极与透明接收板电连接的高压电源；
纤维检测装置包括采集纤维图像信息的摄像头、采集纤维形态信息的压电透镜、采集纤维位置信息的光敏电阻；摄像头位于透明接收板上方；压电透镜位于透明接收板下方且与透明接收板紧贴；光敏电阻位于压电透镜下方；
控制装置与摄像头、光敏电阻、压电透镜以及喷头均电连接，控制装置根据纤维的图像信息、形态信息以及位置信息控制喷头的溶液喷射量。
进一步的，静电纺丝装置还包括移动底座与安装在移动底座上的至少一个电机，电机与控制装置电连接，透明接收板安装在移动底座上，电机转动带动移动底座与透明接收板同步移动。
进一步的，控制装置包括控制主机以及与控制主机电连接的显示屏，其中：
控制主机与摄像头、光敏电阻、压电透镜以及电机、喷头电连接。
进一步的，控制主机还与供液泵电连接，控制主机控制供液泵的溶液输送量。
进一步的，压电透镜为上表面平面、下表面凸面的凸形透镜。
本发明的近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，通过纤维轨迹检测装置中的摄像头、压电透镜、光敏电阻分别对纤维的图像信息、形态信息以及位置信息进行测量，控制装置对测量信息进行分析、耦合运算以及对比，再根据分析结果控制喷头的溶液喷射量，采用闭环控制的方法使纺丝工程更加准确，使纤维形态更加均匀可控，对电纺直写技术的工业化应用有着更好的推动作用。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明实施例的一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统的结构设计图；
图2为本发明实施例的一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统的连接关系图；
其中：1-静电纺丝装置、101-喷头、102-供液泵、103-透明接收板、104-高压电源、105-移动底座、106-电机、2-纤维轨迹检测装置、201-摄像头、202-压电透镜、203-光敏电阻、3-控制装置、301-控制主机、302-显示屏。
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。
本发明实施例的一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，包括静电纺丝装置1、纤维轨迹检测装置2以及控制装置3；如图1与图2所示，静电纺丝装置1包括为喷头101输送溶液的供液泵102，喷射溶液的喷头101，接收溶液并固化形成纤维的透明接收板103，以及正极与喷头101电连接、负极与透明接收板103电连接的高压电源104；纤维检测装置2包括采集纤维图像信息的摄像头201、采集纤维形态信息的压电透镜202、采集纤维位置信息的光敏电阻203；摄像头201位于透明接收板103上方；压电透镜202位于透明接收板103下方且与透明接收板103紧贴；光敏电阻203位于压电透镜202下方；控制装置3与摄像头201、光敏电阻203、压电透镜202以及喷头101均电连接，控制装置3根据纤维的图像信息、形态信息以及位置信息控制喷头101的溶液喷射量。
本发明实施例中的静电纺丝装置1用于生成微纳米纤维，高压电源104正极连接喷头101，负极连接透明接收板103，在喷头101和透明接收板103之间形成极高的场强，当喷头101喷射将溶液喷出后，喷头101和透明接收板103之间的电场力将溶液实现高倍拉伸和点对点传送，射流直径逐渐减小从而形成纳米尺度的纤维。本实施例中供液泵102用于为喷头101输送溶液，溶液可储存于另设置的储液槽，通过供液泵102输送给喷头101进行喷射。本实施例不具体限定喷头101、供液泵102的产品型号，现有技术中的3D打印设备多采用此结构，本领域技术人员自行选用；本实施例也不具体限定透明接收板103的尺寸以及材质，优选的，可选用由ITO导电玻璃制成的透明板连接高压电源104的负极实现静电纺丝。
本实施例中的纤维轨迹检测装置2用于检测静电纺丝装置1所生成的纤维的状态并把采集的信息发送至控制装置3。纤维轨迹检测装置2包括采集纤维图像信息的摄像头201，安装在透明接收板103的上方，摄像头101将位于透明接收板103上的纤维进行图像采集，并把该图像信息发送至控制装置3进行分析处理。纤维轨迹检测装置2还包括位于透明接收板103下面的压电透镜202，本实施例的压电透镜202与透明接收板103紧贴为一体，用于采集纤维形态信息，当静电纺丝装置1在纺丝的过程中，压电透镜202因受到压力变化而产生对纤维形态的测量信息，该纤维形态信息由控制装置3获取并进行分析处理。本实施例中的压电透镜202由透明的压电材料制成，不仅能够实现压电传感器的检测功能，还能够透光用于光敏电阻203的检测，本实施例不具体限定压电透镜202的尺寸以及厚度，其尺寸依据透明接收板103的尺寸以及纺丝面积进行设计。本实施例中的光敏电阻203位于压电透镜202的下方，在正常的光照条件下，可理解为纺丝空间中传播的是平行光，当喷头101喷出的溶液成为纤维并落在透明接收板103上时，相对应的，光敏电阻203会因为纤维遮挡导致接收的光通量减少而产生对应的测量信息。
本实施例中采用摄像头201采集纤维的图像信息属于视觉检测，视觉检测就是用机器代替人眼来做测量和判断，通过机器视觉产品(即本实施例中的摄像头201)将被摄取目标转换成图像信号，传送给控制装置3，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号。控制装置3对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制喷头101的动作。
本实施例的压电透镜202实现测量的原理为压电效应，压电效应即某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，继而得到测量信息。控制装置3根据测量信息判断纤维的形态是否符合要求，进而对喷头101的动作进行控制，以修正纺丝过程产生的误差。
本实施例中光敏电阻203实现测量的原理为光电导效应，光电导效应即某些半导体材料受到光照射时，其电导率发生变化的现象。光照射到半导体上，价带上的电子接受能量，使电子脱离共价键。当光提供的能量达到禁带宽度的能量值时，价带的电子跃迁到导带，在晶体中就会产生一个自由电子和一个空穴，这两种载流子都参与导电。纤维位于平行光束和光敏电阻203之间，平行光束到达光敏电阻203的途中有部分光线会被纤维挡住，使得传到光敏电阻203的光通量减少，从而使控制装置3根据获取的测量信息判断纤维位置与设定值的偏离情况。为使本实施例中光敏电阻203的测量结果更加准确，本实施例中可加设透镜制造用于测量的平行光，同时可选用对可见光测量灵敏度更高的光敏电阻203，例如硒化铊、硫化铊，硫化铋及锗、硅光敏电阻等。
控制装置3与摄像头201、光敏电阻203、压电透镜202电连接，分别获取摄像头201拍摄的图像所表征的纤维的图像信息，以及压电透镜202检测的压力信号所表征的纤维的位置信息，和光敏电阻203检测的光电信号所表征的纤维的形态信息，控制装置3根据压电透镜202检测的压力信号判断纤维是否均匀，结合光敏电阻203以及摄像头201的测量信息进行分析、耦合运算以及对比，通过去除误差信号并计算平均值的方式得到最终的检测结果来表征纤维的形貌，以确定纤维的成像情况以及所在位置。控制装置3对设定值和检测值进行对比可判断纺丝结果是否符合要求，并控制喷头101喷射溶液，以得到更趋于预先设定的结果。本实施例中，控制装置3与摄像头201、光敏电阻203、压电透镜202以及喷头101之间的连接可选用信号传输线实现，通过有线连接能够保证信号传输更加稳定准确。
本实施例的近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，通过纤维轨迹检测装置中的摄像头、压电透镜、光敏电阻分别对纤维的图像信息、形态信息以及位置信息进行测量，控制装置对测量信息进行分析、耦合运算以及对比，再根据分析结果控制喷头的溶液喷射量，采用闭环控制的方法使纺丝工程更加准确，使纤维形态更加均匀可控，对电纺直写技术的工业化应用有着更好的推动作用。
具体的，本实施例中的静电纺丝装置1还包括移动底座105与安装在移动底座105上的至少一个电机106，电机106与控制装置3电连接，透明接收板103安装在移动底座105上，电机106转动带动移动底座105与透明接收板103同步移动。本实施例中，电机106带动移动底座105移动，继而实现透明接收板103的移动，在纺丝的过程中，当喷头101固定不动时，电机106转动带动透明接收板103运动就可实现设定图形的静电纺丝。优选的，本实施例中的摄像头201、压电透镜202以及光敏电阻203与透明接收板103之间的位置保持相对固定，将摄像头201、压电透镜202和光敏电阻203也固定安装在移动底座105上，使透明接收板103和摄像头201、压电透镜202、光敏电阻203同步移动，以确保更精准的测量。另外，为满足更复杂图形的静电纺丝，本实施例包括两个电机106或者三个电机106，相对应的，本实施例的移动底座105可选用十字滑台结构，每个电机106分别负责透明接收板103不同的运动方向，例如令透明接收板103向左右、前后、上下移动，电机106的正转反转分别表示在一个方向上的正反。本实施例中的电机106与控制装置3电连接，控制装置3能够根据摄像头201拍摄的图像所表征的纤维的图像信息、压电透镜202检测的压力信号所表征的纤维的位置信息和光敏电阻203检测的光电信号所表征的纤维的形态信息产生相对应的控制指令，控制电机106的转动方向，进而使静电纺丝所得的图像更加符合设定图像，获得更佳的纤维形貌。
具体的，本发明实施例的控制装置3包括控制主机301以及与控制主机301电连接的显示屏302，其中：控制主机301与摄像头201、光敏电阻203、压电透镜202以及电机106、喷头101电连接。本实施例中的控制主机301作为信息处理与控制指令产生的核心部件，可采用电脑实现，相对应的，配套显示屏302对各测量信息以及设定信息、纺丝过程等进行显示，便于操作人员进行可视化的监控与调整。
具体的，本发明实施例的控制主机301还与供液泵102电连接，控制主机301控制供液泵102的溶液输送量。除上述实施例中控制主机301对喷头101以及电机106的工作状态的控制，为对纺丝过程达到更精准的控制，本实施例的控制主机301还与供液泵102电连接，以控制供液泵102的溶液输送量，使纤维形态更加均匀可控。
具体的，本发明实施例的压电透镜202为上表面平面、下表面凸面的凸形透镜。凸形透镜对平行光具有汇聚的功能，从透明接收板103上方照射下的平行光束被纺丝纤维遮挡部分后，再通过凸形透镜的的压电透镜202进行汇聚，在压电透镜202下方的光敏电阻203接收汇聚后的测量光，再因为光电导效应产生对应的测量信息并由控制装置3进行处理。将压电透镜202设计成为凸形透镜后，光敏电阻203接收测量光的表面面积可适当缩小，既节约了半导体材料，其测量效果也更加准确。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
Claims (5)
1.一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，其特征在于，包括静电纺丝装置、纤维轨迹检测装置以及控制装置，其中：
所述静电纺丝装置包括为喷头输送溶液的供液泵，喷射溶液的所述喷头，接收溶液并固化形成纤维的透明接收板，以及正极与喷头电连接、负极与透明接收板电连接的高压电源；
所述纤维检测装置包括采集纤维图像信息的摄像头、采集纤维形态信息的压电透镜、采集纤维位置信息的光敏电阻；所述摄像头位于所述透明接收板上方；所述压电透镜位于所述透明接收板下方且与所述透明接收板紧贴；所述光敏电阻位于所述压电透镜下方；
所述控制装置与所述摄像头、所述光敏电阻、所述压电透镜以及所述喷头均电连接，所述控制装置根据纤维的图像信息、形态信息以及位置信息控制所述喷头的溶液喷射量。
2.如权利要求1所述的一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，其特征在于，所述静电纺丝装置还包括移动底座与安装在所述移动底座上的至少一个电机，所述电机与所述控制装置电连接，所述透明接收板安装在所述移动底座上，所述电机转动带动所述移动底座与所述透明接收板同步移动。
3.如权利要求2所述的一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，其特征在于，所述控制装置包括控制主机以及与所述控制主机电连接的显示屏，其中：
所述控制主机与所述摄像头、所述光敏电阻、所述压电透镜以及所述电机、所述喷头电连接。
4.如权利要求3所述的一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，其特征在于，所述控制主机还与所述供液泵电连接，所述控制主机控制所述供液泵的溶液输送量。
5.如权利要求4所述的一种近场直写静电纺丝纤维轨迹与形貌控制系统，其特征在于，所述压电透镜为上表面平面、下表面凸面的凸形透镜。
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