CN110670245A - 制备多层纤维膜的近场直写装置及多层纤维膜制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电纺丝领域，具体涉及制备多层纤维膜的近场直写装置及多层纤维膜制备方法，包括高压电源、接收系统、供液系统、控制系统、针头切换系统、视觉检测系统；针头切换系统与供液系统通过输液管连接，控制系统分别与供液系统、高压电源、接收系统、针头切换系统以及视觉检测系统电连接，视觉检测系统用于拍摄接收板上的纤维图片，控制系统根据纤维图片计算得到当前纤维膜尺寸，同时将当前纤维膜尺寸与预设纤维膜尺寸进行大小比较，根据比较结果控制供液系统、针头切换系统以及接收系统工作，采用视觉检测系统控制针头的切换和纺丝溶液的切换，自动完成多层纤维膜材料的制备，减少因为再定位问题产生误差的可能性。

Description

制备多层纤维膜的近场直写装置及多层纤维膜制备方法

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，尤其涉及一种制备多层纤维膜的近场直写装置及多层纤维膜制备方法。

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直径的聚合物细丝。而电纺直写技术则是一种新型的基于静电纺丝的连续射流喷印技术，抑制了传统静电纺丝射流的螺旋、弯曲及不稳定运动，克服了传统静电纺丝纳米纤维无序沉积的缺点，利用稳定直线射流进行有序纳米结构的直写制备。目前单一材料组成的纤维膜很难满足使用过程中的各种要求，制备多层、多材料组成的纳米纤维膜是静电纺丝发展的一大趋势。现有技术中制备多层、多材料组成的纤维膜时，面对不同的熔体或者溶液进行纺丝的时候需要手动更换针头以及手动更换纺丝溶液或熔体，手动更换针头和溶液会影响静电纺丝效率并且手动更换针头时也会增加出现误差的可能性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种制备多层纤维膜的近场直写装置，包括：高压电源、接收系统、供液系统、控制系统、针头切换系统、视觉检测系统；针头切换系统与供液系统通过输液管连接，供液系统包括多个储存不同纺丝溶液或熔体的储液腔体，针头切换系统包括多个不同直径的针头，高压电源的正极与针头连接，高压电源负极与接收系统的接收板连接；控制系统分别与接收系统、供液系统、高压电源、针头切换系统以及视觉检测系统电连接，视觉检测系统用于拍摄接收板上的纤维图片，控制系统根据纤维图片计算得到当前纤维膜尺寸，同时将当前纤维膜尺寸与预设纤维膜尺寸进行比较，当尺寸相等，则控制系统控制供液系统更换纺丝溶液或熔体、同时控制针头切换系统切换针头，制备下一层纺丝纤维膜。通过上述设置，实现了静电纺丝的自动控制，提高了静电纺丝的效率，同时由于纺丝过程中的更换纺丝溶液以及切换针头无需人工进行，减小了出现误差的可能性。

进一步的，视觉检测系统还包括光源、显示屏，光源设置在接收板的斜上方，照射接收板，显示屏用于显示拍摄的纤维图片。

进一步的，供液系统还包括注射泵、设有多个储液腔体的旋转储液腔选择器；储液腔体一端设有活塞，另一端与输液管连接；注射泵一端与控制系统电连接，在供液系统进行供液时，控制系统控制注射泵运动，注射泵推动活塞实现为针头供液。

进一步的，针头切换系统包括设有供液管道的固定卡盘、安装有多个针头的针头安装座、安装基板；固定卡盘垂直设置在安装基板上，针头安装座中心设有旋转主轴，旋转主轴穿过固定卡盘将针头安装座固定；供液管道上端通过输液管与供液系统连接，供液管道的下端穿过固定卡盘与针头安装座上的针头的上端相对。

进一步的，供液管道下端为倒置的圆台形结构，针头的上端为可收缩的弹簧式圆台形结构；可收缩的弹簧式圆台形结构包括弹簧以及与弹簧一端连接的圆台形结构，弹簧的另一端与针头的针管内壁连接；供液管道下端的倒置的圆台形结构的下接口直径大于弹簧式圆台型结构的上接口的直径。

进一步的，弹簧式圆台形结构的圆台形结构的外表面处还设有密封垫圈。

进一步的，接收系统还包括电机、与电机以及接收板连接的导杆，电机与控制系统电连接，控制系统控制电机通过导杆驱动接收板沿X轴、Y轴或者Z轴运动。

本发明还提供一种基于上述的制备多层纤维膜的近场直写装置的多层纤维膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

拍摄接收板上的纤维膜图片；

对纤维膜图片进行计算得到当前纤维膜尺寸；

将当前纤维膜尺寸与预设纤维膜尺寸进行比较，若尺寸相等，关闭高压电源、关闭供液管道，停止纺丝；

更换纺丝溶液、切换纺丝针头以及调节接收板与纺丝针头之间的距离；开启高压电源、供液管道进行下一层纤维纺丝。

进一步的，对纤维膜图片进行计算得到当前纤维膜尺寸包括：对纤维膜图片进行形态学处理，所述形态学处理包括灰度变换、形态学滤波以及二值化，根据形态学处理后的纤维膜图片进行计算得到纤维膜的尺寸，纤维膜的尺寸包括厚度、直径、密度。

进一步的，更换纺丝溶液或熔体、切换纺丝针头以及调节接收板与纺丝针头之间的距离包括：控制系统控制旋转储液腔选择器旋转，将制备下一层膜所需的纺丝溶液或熔体所在的储液腔体与注射泵相对；控制系统根据选择的纺丝溶液选择纺丝针头，控制旋转主轴转动，选择的纺丝针头旋转至供液管道的正下方，调节接收板与纺丝针头之间的距离。

本发明提供的制备多层纤维膜的近场直写装置以及多层纤维膜制备方法实现了自动静电纺丝，自动化程度更高，提高了静电纺丝的工作效率，也在一定程度上降低了纺丝误差，提高了静电纺丝质量。

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为本发明一实施例的功能模块结构图；

图2为本发明一实施例的装置结构图；

图3为本发明一实施例中的旋转储液腔选择器的俯视图；

图4为本发明一实施例中的旋转储液腔选择器的正视图；

图5为本发明一实施例中的针头切换系统的结构图；

图6为本发明一实施例中的供液管道与针头的局部放大图；

图7为本发明一实施例的多层纤维膜自动制备流程图；

图8为本发明一实施例的制备多层纤维膜的闭环控制图；

1-控制系统、2-高压电源、3-接收系统、4-供液系统、5-针头切换系统、6-视觉检测系统、41-注射泵、42-转轴、43-储液腔体、44-活塞、51-固定卡盘、52-针头安装座、53-安装基板、54-供液管道、55-针头、56-旋转主轴、5501-密封垫圈。

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。

在本发明的一实施例中，如图1-2所示，本发明提供一种制备多层纤维膜的近场直写装置，包括：控制系统1、高压电源2、接收系统3、供液系统4、针头切换系统5、视觉检测系统6，针头切换系统5与供液系统4通过输液管连接，供液系统4包括多个储存不同纺丝溶液的储液腔体43，针头切换系统5包括多个不同直径的针头55，在进行静电纺丝时，高压电源2的正极与其中一个针头55连接，高压电源2负极与接收系统3的接收板连接，高压电源2开启时调节适当的电压使聚合的纺丝溶液或熔体在高压的作用下形成连续射流，射流经拉伸，溶剂挥发，最后接收板上会收集到大量的纳米纤维。在本实施例中，控制系统1分别与接收系统3、供液系统4、高压电源2、针头切换系统5以及视觉检测系统6电连接，具体的，视觉检测系统6包括摄像头组件，摄像头组件透过安装在摄像头组件上的显微镜头拍摄接收板上的纤维图片，并将拍摄到的纤维图片传送给控制系统1，控制系统1根据纤维图片计算得到当前接收板上的纤维膜的尺寸，同时将当前接收板上的纤维膜尺寸与预先设置好的纤维膜的尺寸进行大小比较，当尺寸相等时，停止纺丝，控制系统1控制供液系统4更换纺丝溶液或熔体、针头切换系统5切换针头，开始进行下一层纤维膜的纺丝，从而实现对制备多层纤维膜的近场直写装置的自动控制，在制备不同材料的多层纤维膜时，本发明提供的制备多层纤维膜的近场直写装置能够实现自动更换纺丝溶液、自动切换与纺丝溶液相适应的针头，从而提高静电纺丝效率，用自动控制代替手动更换针头还可以减少误差，在手动更换针头时，可能会造成针头移位，定位不准，从而产生纺丝误差。具体的，若当前接收板上的纤维膜尺寸与预先设置好的纤维膜尺寸相等，则控制系统1关闭高压电源2，使制备多层纤维膜的近场直写装置停止纺丝，同时控制系统1按照预先设定好的程序，控制供液系统4选择更换制备下一层纤维膜所需要的纺丝溶液或熔体，并控制针头切换系统5切换与纺丝溶液相应的针头，开启高压电源2调整到合适的电压开始进行下一层纺丝。具体的自动控制选择更换纺丝溶液或熔体以及自动切换针头的过程下文有详细描述，在此不再过多赘述。

可选的，视觉检测系统6还包括光源，光源设置在接收板的斜上方，光源照射接收板，为视觉检测系统6拍摄接收板上的纤维图片时提供充足的光源，使得视觉检测系统6的摄像头组件拍摄的纤维图片更加清晰，为之后的控制系统自动控制提供更加准确的依据。

可选的，视觉检测系统6还包括显示屏，视觉检测系统6拍摄的纤维图片会实时显示在显示屏上，操作人员可以随时通过显示屏判断纺丝进程从而可以手动控制制备多层纤维膜的近场直写装置纺丝，在本实施例中，制备多层纤维膜的近场直写装置既可以由控制系统根据纺丝进程自动控制纺丝，也可由操作人员人工辨别纺丝进程手动控制纺丝。

在本发明的又一实施例中，供液系统4还包括注射泵41、设有多个储液腔体43的储液腔选择器，如图3所示为储液腔选择器的俯视图，图4为储液腔选择器的正视图，储液腔选择器上有一设置在储液腔选择器中心位置的转轴42以及多个储液腔体43，转轴42由电机驱动，用于旋转储液腔选择器，将存储静电纺丝所需要的纺丝溶液的储液腔体43旋转到注射泵41的正下方，注射泵41的位置是固定不变的，在进行静电纺丝时，储液腔选择器上的其中一个储液腔体43需要定位在注射泵41的正下方，注射泵41一端与控制系统1电连接，当开始静电纺丝供液系统4需要为纺丝的针头55提供聚合物溶液或熔体时，控制系统1控制注射泵41向其正下方的储液腔体43运动，具体的，储液腔体43与注射泵41相对的一端还设置有活塞44，当注射泵41推动储液腔体43的活塞44运动时，储液腔体43内部的纺丝熔体或溶液从储液腔体43的另一端输出，通过输液管进入到针头55中(的在图1中，供液系统4中的注射泵41以及储液腔选择器均是水平放置的)。在本实施例中，以储液腔体43有3个为例进行说明，3个储液腔体43均匀设置，每个储液腔体43的中心与转轴的中心进行连线，相邻连线之间的夹角为120度，因此只要在开始纺丝时将储存当前所需的纺丝溶液或熔体的储液腔体43定位在注射泵41的正下方，之后在更换纺丝溶液旋转储液腔体43时只需驱动转轴旋转120度即可，无需再次进行定位，简化了在进行不同材料的多层纤维膜制备过程中的工作程序，提高了纺丝效率。应当可以理解的是，本实施例中储液腔选择器上设有3个储液腔体仅是一种示例，也可以根据需要设置其他数目的储液腔体，当然若储液腔体数目发生变化，旋转储液腔体时所需旋转的度数也会相应发生变化，具体的控制应根据实际情况按需要设置。

在本发明的又一实施例中，如图5所示，针头切换系统5包括设有供液管道54的固定卡盘51、安装有多个针头55的针头安装座52、安装基板53。具体的，多个针头55均匀设置在以针头安装座52的中心为圆点，以一定长度L为半径的圆的圆周上，L的取值根据实际情况设置，在此处不加以限定。固定卡盘51垂直设置在安装基板上，针头安装座52中心设有旋转主轴56，旋转主轴56穿过固定卡盘51将针头安装座52固定；供液管道54上端通过输液管与供液系统4连接，供液管道54的下端穿过固定卡盘51与针头安装座52上的针头55的上端相对。在本实施例中，旋转主轴56与固定卡盘51之间有一滚动轴承连接，旋转主轴56由控制系统1控制的电机驱动进行旋转，旋转主轴56旋转时固定卡盘51以及在固定卡盘51上的供液管道54是固定不动的，只有针头安装座52会随着旋转主轴56旋转，从而改变供液管道54所连接的针头55。通过上述设置，在进行静电纺丝时，对针头55进行定位，只要保证针头55上端与供液管道54的下端在竖直方向上在一条直线上即可，定位过程简单，不会存在误差，在之后进行多材料、多层纤维膜纺丝时需要更换针头时对针头55进行二次定位，只需使旋转主轴旋转预设的角度即可，以纺丝针头设有3个为例，则更换针头时需控制旋转主轴56旋转120°，从而能够简化多材料、多层纤维膜纺丝的程序，相比于人工更换针头误差更小，效率更高。

进一步的，在本发明的又一实施例中，如图6所示，为使进行静电纺丝时针头55与供液管道54之间密封良好，将供液管道54靠近针头55一端，即供液管道54的下端设置为倒置的圆台形结构，将针头55靠近供液管道54的一端，即针头55的上端设有可收缩的弹簧式圆台形结构，可收缩的弹簧式圆台结构包括与针头管内壁连接的弹簧以及与弹簧连接的圆台形结构。在切换针头时当针头的弹簧式圆台形结构的侧面与供液管道的倒置的圆台形结构的侧面接触时，供液管道会对弹簧式圆台结构施加一个力，从而压缩弹簧，使得弹簧式的圆台结构向下运动，缩进针头的针管中，直至针头旋转至供液管道的正下方，弹簧舒张，针头55的弹簧式圆台结构弹出进入到供液管道的圆台状结构中，应当注意的是，供液管道54下端的倒置的圆台形结构的下接口的直径应当大于弹簧式圆台形结构的上接口的直径，使得弹簧式圆台结构能够顺利弹出进入到供液管道54的圆台状结构中，从而使得供液管道54以及针头55紧密连接，避免漏液。

可选的，如图在本发明的又一实施例中，在弹簧式圆台形结构的圆台形结构的外表面处设有密封垫圈，当弹簧式圆台形结构处于供液管道内时，能够进一步进行密封，防止漏液。

在本发明的又一实施例中，接收系统3包括电机以及导杆，电机一端与控制系统1电连接，另一端通过导杆与接收板连接，在近场纺丝中，不同溶液或溶体在电场中的稳定距离不同，因此使用不同的纺丝溶液或溶体进行静电纺丝时如果不随之调整接收板与针头之间的距离，静电纺丝会出现鞭动现象，为避免鞭动现象，实现可控的近场纺丝，接收距离必须与纺丝溶液和电场大小相匹配，本实施例中接收系统3还包括电机和导杆，电机根据控制系统1的驱动导杆带动接收板进行X轴、Y轴或Z轴方向的移动，在静电纺丝过程中接收板沿X轴、Y轴移动从而接收从针头射出的纤维，让纤维有序的排列在接收板上，当更换纺丝溶液切换针头时，控制系统1会根据纺丝溶液的种类控制电机驱动导杆带动接收板沿Z轴方向运动从而调整接收板与针头之间的距离，从而实现自动调控接收板与针头之间的距离，避免出现鞭动现象，提高静电纺丝质量。

本发明还提供一种多层纤维膜制备方法，本方法基于上述提到的制备多层纤维膜的近场直写装置，具体的如图7所示，多层纤维膜制备方法包括以下步骤：

S601:拍摄接收板上的纤维膜图片；

S602：对纤维膜图片进行计算得到当前纤维膜尺寸；

S603：将当前纤维膜尺寸与预设纤维膜尺寸进行比较，若尺寸相等，则执行步骤S604，否则执行步骤S601；

S604：关闭高压电源、关闭供液管道，停止纺丝；

S605：更换纺丝溶液、切换纺丝针头以及调节接收板与纺丝针头之间的距离；

S606：开启高压电源、供液管道，开始进行下一层纤维膜的纺丝，并返回步骤S601。

经过上述步骤，控制系统1实现了对静电纺丝的自动控制，无需人工操作，提高了纺丝效率，同时由于针头55只需定位一次，进行下一层纺丝时只需要将旋转主轴56转动一定的角度(该角度根据针头位置以及针头个数会存在变化)即可，无需再次定位，提高效率的同时还减小误差。如图8所示，上述多层纤维膜的自动制备过程形成了一个可循环的闭环控制，视觉检测系统6不断拍摄纤维图片交给控制系统1进行计算判断纺丝进程，从而控制供液系统4、针头切换系统5、接收系统3工作实现多层纤维膜的自动制备。

在一实施例中，控制系统1对纤维膜图片进行计算得到当前纤维膜尺寸包括：对纤维膜图片进行形态学处理，形态学处理包括灰度变换、形态学滤波以及二值化，根据形态学处理后的纤维膜图片进行计算得到纤维膜的尺寸，进一步的，纤维膜的尺寸包括厚度、直径、密度，当然也可以使用纤维膜的其他尺寸参数作为自动控制的依据，具体可根据实际需要自行调节，对纤维膜的尺寸的计算采用现有的计算方法即可实现，再此不再过多赘述。

在一实施例中，控制系统1控制更换纺丝溶液或熔体、切换纺丝针头以及调节接收板与纺丝针头之间的距离包括：控制系统1控制储液腔选择器旋转，将制备下一层膜所需的纺丝溶液所在的储液腔体43与注射泵41相对；

控制系统1根据选择的纺丝溶液选择一个针头55，控制旋转主轴56转动，将选择的针头55旋转至供液管道54的正下方，调节接收板与针头55之间的距离。由于不同的纺丝溶液使用的针头55的直径不同，对接收板与针头55的距离的要求也不同，因此纺丝溶液更换了，针头55以及接收板与针头55之间的距离均需随之改变，从而保证纺丝的质量。

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 (10)

1.一种制备多层纤维膜的近场直写装置，其特征在于，包括：高压电源、接收系统、供液系统、控制系统、针头切换系统、视觉检测系统；

所述针头切换系统与所述供液系统通过输液管连接，所述供液系统包括多个储存不同纺丝溶液或熔体的储液腔体，所述针头切换系统包括多个不同直径的针头，所述高压电源的正极与所述针头连接，所述高压电源负极与所述接收系统的接收板连接；

所述控制系统分别与所述接收系统、所述供液系统、所述高压电源、所述针头切换系统以及所述视觉检测系统电连接，所述视觉检测系统用于拍摄所述接收板上的纤维图片，所述控制系统根据纤维图片计算得到当前纤维膜尺寸，同时将当前纤维膜尺寸与预设纤维膜尺寸进行比较，当尺寸相等，则所述控制系统控制所述供液系统更换纺丝溶液或熔体、同时控制所述针头切换系统切换针头，制备下一层纺丝纤维膜。

2.如权利要求1所述的一种制备多层纤维膜的近场直写装置，其特征在于，所述视觉检测系统还包括光源、显示屏，所述光源设置在所述接收板的斜上方，照射所述接收板，所述显示屏用于显示拍摄的纤维图片。

3.如权利要求2所述的一种制备多层纤维膜的近场直写装置，其特征在于，所述供液系统还包括注射泵、设有多个储液腔体的旋转储液腔选择器；

所述储液腔体一端设有活塞，另一端与所述输液管连接；所述注射泵一端与控制系统电连接，在所述供液系统进行供液时，所述控制系统控制所述注射泵运动，所述注射泵推动所述活塞实现为所述针头供液。

4.如权利要求3所述的一种制备多层纤维膜的近场直写装置，其特征在于，所述针头切换系统包括设有供液管道的固定卡盘、安装有多个针头的针头安装座、安装基板；

所述固定卡盘垂直设置在所述安装基板上，所述针头安装座中心设有旋转主轴，所述旋转主轴穿过所述固定卡盘将所述针头安装座固定；所述供液管道上端通过所述输液管与所述供液系统连接，所述供液管道的下端穿过所述固定卡盘与所述针头安装座上的针头的上端相对。

5.如权利要求4所述的一种制备多层纤维膜的近场直写装置，其特征在于，所述供液管道下端为倒置的圆台形结构，所述针头的上端为可收缩的弹簧式圆台形结构；

所述可收缩的弹簧式圆台形结构包括弹簧以及与所述弹簧一端连接的圆台形结构，所述弹簧的另一端与所述针头的针管内壁连接；

所述供液管道下端的倒置的圆台形结构的下接口直径大于所述弹簧式圆台型结构的上接口的直径。

6.如权利要求5所述的一种制备多层纤维膜的近场直写装置，其特征在于，所述弹簧式圆台形结构的圆台形结构的外表面处还设有密封垫圈。

7.如权利要求6所述的一种制备多层纤维膜的近场直写装置，其特征在于，所述接收系统还包括电机、与所述电机以及所述接收板连接的导杆，所述电机与所述控制系统电连接，所述控制系统控制所述电机通过所述导杆驱动所述接收板沿X轴、Y轴或者Z轴运动。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的制备多层纤维膜的近场直写装置的多层纤维膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

拍摄接收板上的纤维膜图片；

对所述纤维膜图片进行计算得到当前纤维膜尺寸；

将当前纤维膜尺寸与预设纤维膜尺寸进行比较，若尺寸相等，关闭高压电源、关闭供液管道，停止纺丝；

更换纺丝溶液或熔体、切换纺丝针头以及调节接收板与纺丝针头之间的距离；

开启高压电源、供液管道进行下一层纤维纺丝。

9.如权利要求8所述的多层纤维膜制备方法，其特征在于，所述对纤维膜图片进行计算得到当前纤维膜尺寸包括：对纤维膜图片进行形态学处理，所述形态学处理包括灰度变换、形态学滤波以及二值化，根据形态学处理后的纤维膜图片进行计算得到纤维膜的尺寸；

所述纤维膜的尺寸包括厚度、直径、密度。

10.如权利要求9所述的多层纤维膜制备方法，其特征在于，所述更换纺丝溶液或熔体、切换纺丝针头以及调节接收板与纺丝针头之间的距离包括：

所述控制系统控制旋转储液腔选择器旋转，将制备下一层膜所需的纺丝溶液或熔体所在的储液腔体与所述注射泵相对；

所述控制系统根据选择的纺丝溶液选择纺丝针头，控制所述旋转主轴转动，选择的纺丝针头旋转至所述供液管道的正下方，调节接收板与所述纺丝针头之间的距离。

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