静电纺丝设备、纺丝方法及其应用,属于静电纺丝领域,要点是：包括静电纺丝喷射装置、运动调节装置，所述运动调节装置使静电纺丝喷射装置的喷射针头于空间坐标系中运动；且静电纺丝喷射装置的喷射针头被舵机支撑，舵机随运动调节装置在竖直方向移动。效果是：将空间位置移动装置与改变纳米纤维的形状的装置集成，避免过多线路加入该空间内，使得位置多维改变与纳米纤维形状改变可以在同一设备实现。
1.一种静电纺丝设备，其特征在于，包括静电纺丝喷射装置、运动调节装置，所述运动调节装置使静电纺丝喷射装置的喷射针头（1）于空间坐标系中运动；且静电纺丝喷射装置的喷射针头被舵机（2）支撑，舵机随运动调节装置在竖直方向移动，所述静电纺丝喷射装置，包括液体推进装置、喷射针头（1）、喷射针头支架（3），所述推进装置包括一丝杠导轨（4）、位于丝杠导轨（4）上的推进挡块（5）、注射器（6）和夹紧装置（7）；夹紧装置（7）为一固定挡块，且具有固定注射器（6）的凹槽，注射器（6）的推进杆固定于推进挡块（5）上，所述推进挡块（5）是该丝杠导轨（4）上的滑块，所述的注射器（6）与喷射针头（1）由导管（8）连通，喷射针头（1）安装在喷射针头支架（3）上，所述喷射针头支架（3）连接于所述舵机（2）上，由舵机带动摆动。
2.如权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述运动调节装置，包括X轴丝杠导轨、Y轴丝杠导轨和Z轴丝杠导轨及各导轨对应的步进电机（9），所述Z轴丝杠导轨沿Y轴丝杠导轨滑动，且Y轴丝杠导轨沿X轴丝杠导轨滑动。
3.如权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述注射器（6）为多组，所述喷射针头支架（3）上具有多个容置喷射针头（1）的喷射针头孔。
4.如权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于，还包括收集装置，其是主要由滚筒（10）和电机（11）组成的滚筒式纤维收集装置，收集装置由电机（11）驱动以转动，该收集装置与所述喷射针头（1）连接同一高压电源（12）。
5.如权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于，还包括工业相机（13）和控制装置，控制装置主要由上位机、交换机、PLC与工业相机通信，工业相机用于采集喷丝针头状态图像，并将其传输至上位机，上位机接收图像并对比，判断该工业相机采集到的图像中是否具有球状液滴图像以识别喷射针头状态；交换机用于上位机、人机界面、PLC之间的通信；PLC通过步进电机控制器对X轴、Y轴、Z轴步进电机控制，以对喷射装置与接收装置的位置调节；
PLC控制推进装置的步进电机以对液体推进速度控制；PLC通过接口电路控制安装于Z轴运动平台上的舵机的摆动。
6.一种静电纺丝方法，其特征在于，使用权利要求1-5中任一 项所述的静电纺丝设备以进行静电纺丝。
7.一种静电纺丝方法，其特征在于，在控制装置的人机界面中进行相应参数的设置，以由PLC对各电机、舵机进行相应控制，PLC通过步进电机控制器对X轴、Y轴、Z轴步进电机控制，对喷射装置与接收装置的位置进行调节，PLC控制推进装置的步进电机以对液体推进速度控制，PLC通过接口电路控制安装于Z轴运动平台上的舵机的摆动从而使得喷射针头随舵机摆动，高压电源的正电场连接到针头上，舵机的摆动，使喷射针头位置发生变化，静电场发生偏移，纺丝纤维的形态发生变化，舵机以固定周期进行摆动，喷射针头与极板之间形成一个有规律变化的电场，在变化的电场与静电拉力的作用下，纺丝纤维的直径发生变化，以改变纳米纤维的形貌。
8.如权利要求7所述的静电纺丝方法，其特征在于，纺丝过程中，工业相机采集喷丝针头状态图像，并将其传输至上位机，上位机接收图像并对比，判断该工业相机采集到的图像中是否具有球状液滴图像以识别喷射针头状态，当纺丝针头堵塞时，控制液体推进压力排除针头堵塞，且控制器重新调整工作电压以及环境温湿度形成一个新的平衡的工作状态；
PLC外扩模拟量模块连接温、湿度传感器以对纺丝环境信息采集，并由继电器对相应执行机构的动作控制以对环境状态的监测与调控。
静电纺丝设备、纺丝方法及其应用
技术领域
[0001] 本发明属于静电纺丝领域，涉及一种静电纺丝设备及其控制系统和方法，特别是进行静电纺丝时所用的喷射装置。
背景技术
[0002] 近年来，随着纳米材料技术的飞速发展，纳米纤维技术已成为纤维科学的前沿和研究热点。目前制备纳米纤维的主要方法有拉伸法、模板法、自组装法和静电纺丝法。静电纺丝即聚合物喷射静电拉伸纺丝法，是一种制备超细纤维的重要方法。静电纺丝法是目前唯一能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法，是一种简单而又灵活的纳米纤维加工方法，这一技术的核心是使带电荷的高分子溶液或溶体在静电场中流动与变形，然后经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，于是得到纤维状物质。相比其他技术来说静电纺丝技术具有设备简单、成本较低，操作性强、高效等优点。随着静电纺丝技术研究进入快速发展阶段，静电纺丝装置的研究步入实验型装置研究阶段。出现了面向实验室所用的实验型静电纺丝装置，现有的静电纺丝装置中的喷射装置多数是固定的，调节不方便，喷头的高度等需要人工调整，实验过程中出现针头堵塞等需要人工查看，影响实验效率，缺少相应的实时监测环节以及自动调整系统，影响纳米纤维的制备效率。因此，设计和开发多功能静电纺丝装置将是未来静电纺丝技术发展中的重要方向。
[0003] 静电纺丝过程中，往往需要改变纳米纤维的形状，特别是对于纳米纤维的直径，往往需要通过改变电场来实现，这就会相应增加电路装置或设备，占用本来已拥挤的纺丝内部空间，增加过多的成本。这样的设备，如果想要改变纤维形状，受空间和走线的限制，往往就不能实现多维度的灵活位置控制了。
发明内容
[0004] 为了解决上述问题，本发明提出如下技术方案，可以既能改变纳米纤维的形状，又能实现位置多维控制：
[0005] 一种静电纺丝设备，包括静电纺丝喷射装置、运动调节装置，所述运动调节装置使静电纺丝喷射装置的喷射针头于空间坐标系中运动；且静电纺丝喷射装置的喷射针头被舵机支撑，舵机随运动调节装置在竖直方向移动。
[0006] 所述运动调节装置，包括X轴丝杠导轨、Y轴丝杠导轨和Z轴丝杠导轨及各导轨对应的步进电机，所述Z轴丝杠导轨沿Y轴丝杠导轨滑动，且Y轴丝杠导轨沿X轴丝杠导轨滑动。
[0007] 所述静电纺丝喷射装置，包括液体推进装置、喷射针头、喷射针头支架，所述推进装置包括一丝杠导轨、位于丝杠导轨上的推进挡块、注射器和夹紧装置；夹紧装置为一固定挡块，且具有固定注射器的凹槽，注射器的推进杆固定于推进挡块上，所述推进挡块是该丝杠导轨上的滑块，所述的注射器与喷射针头由导管连通，喷射针头安装在喷射针头支架上，所述喷射针头支架连接于所述舵机上，由舵机带动摆动。
[0008] 所述注射器为多组，所述喷射针头支架上具有多个容置喷射针头的喷射针头孔。
[0009] 所述的静电纺丝设备还包括收集装置，其是主要由滚筒和电机组成的滚筒式纤维收集装置，收集装置由电机驱动以转动，该收集装置与所述喷射针头连接同一高压电源。
[0010] 所述的静电纺丝设备还包括工业相机和控制装置，控制装置主要由上位机、交换机、PLC与工业相机通信，工业相机用于采集喷射针头状态图像，并将其传输至上位机，上位机接收图像并对比，判断该工业相机采集到的图像中是否具有球状液滴图像以识别喷射针头状态；交换机用于上位机、人机界面、PLC之间的通信；PLC通过步进电机控制器对X轴、Y轴、Z轴步进电机控制，以对喷射装置与接收装置的位置调节；PLC控制推进装置的步进电机以对液体推进速度控制；PLC通过接口电路控制安装于Z轴运动平台上的舵机的摆动。
[0011] 一种静电纺丝方法，使用上述的静电纺丝设备以进行静电纺丝。
[0012] 一种静电纺丝方法，在控制装置的人机界面中进行相应参数的设置，以由PLC对各电机、舵机进行相应控制，PLC通过步进电机控制器对X轴、Y轴、Z轴步进电机控制，对喷射装置与接收装置的位置进行调节，PLC控制推进装置的步进电机以对液体推进速度控制，PLC通过接口电路控制安装于Z轴运动平台上的舵机的摆动从而使得喷射针头随舵机摆动，高压电源的正电场连接到针头上，舵机的摆动，使喷射针头位置发生变化，静电场发生偏移，纺丝纤维的形态发生变化，舵机以固定周期进行摆动，喷射针头与极板之间形成一个有规律变化的电场，在变化的电场与静电拉力的作用下，纺丝纤维的直径发生变化，以改变纳米纤维的形貌。
[0013] 纺丝过程中，工业相机采集喷射针头状态图像，并将其传输至上位机，上位机接收图像并对比，判断该工业相机采集到的图像中是否具有球状液滴图像以识别喷射针头状态，当纺丝针头堵塞时，控制液体推进压力排除针头堵塞，且控制器重新调整工作电压以及环境温湿度形成一个新的平衡的工作状态；PLC外扩模拟量模块连接温、湿度传感器以对纺丝环境信息采集，并由继电器对相应执行机构的动作控制以对环境状态的监测与调控。
[0014] 一种舵机在静电纺丝中改变纤维形貌的应用。
[0015] 有益效果：由上述方案，发明人发现，对于电场的改变，找到了另一个方向，即使用机械摆动，使喷射针头位置发生变化，静电场发生偏移，从而使纺丝纤维的形态发生变化，可以在不增加改变电场的电路装置，极大节省了纺丝内部空间和成本，且克服了空间的限制，将空间位置移动装置与改变纳米纤维的形状的装置集成，避免过多线路加入该空间内，使得位置多维改变与纳米纤维形状改变可以在同一设备实现。
附图说明
[0016] 图1为本发明所述静电纺丝设备的结构示意图。
[0017] 图2为本发明的控制装置的结构框图。
[0018] 其中：1.喷射针头，2.舵机，3.喷射针头支架，4.丝杠导轨，5.推进挡块，6.注射器，7.夹紧装置，8.导管，9.步进电机，10.滚筒，11.电机，12.高压电源，13.工业相机。
具体实施方式
[0019] 实施例1：一种静电纺丝设备，解决现有静电纺丝设备中喷头位置需要人工调整的弊端，也进一步解决了纺丝喷头需要人工监测是否堵塞的弊端，作为更进一步的效果：实现了静电纺丝过程的自动化和智能化。设备主要应用步进电机、丝杠导轨以及舵机实现了喷射装置与接收装置的位置可调，以及喷头支架的左右摆动，实现了纺丝喷头的多方位、多角度的调整。并借助工业相机实现了喷射状态的监测，能够有效提高纺丝纤维的质量以及满足纤维的多种形态要求。
[0020] 发明人在经过大量改进性实验时发现，针头舵机在控制器的控制下以一定周期(经验值一般6秒钟左右，频率跟具体溶液有关)进行摆动。针头与极板之间形成一个有规律变化的电场。在变化的电场与静电拉力的作用下，纺丝纤维的直径发生变化。同时收集板上纤维分布更加均匀，方便后续煅烧。高压电源的正电场连接到针头上，舵机一摆动的话，针头位置就发生变化，静电场就发生偏移了,纺丝纤维的形态就发生变化了。
[0021] 发明人发现通过改变电场可以改变纤维的形状，但是如果在电路方向上探索，使用改变电场的电学装置，会占用过多的空间，且势必接入很多线路，使得本发明想要进行多维位置控制的想法不能实现，为了克服这一缺陷，决定将位置控制和纤维形状控制在设备结构上进行结合。
[0022] 为此，提出如下一种静电纺丝设备，主要由静电纺丝喷射装置、液体推进装置、收集装置、高压电源、工业相机以及控制装置组成。静电纺丝喷射装置由步进电机和丝杠导轨构成的X、Y、Z三轴运动装置以及由固定于Z轴滑动导轨上的舵机构成的喷头支架旋转装置；静电纺丝喷射装置主要实现根据不同工艺要求实现喷射针头位置的自动调整，以及在进行喷丝过程中根据不同的参数要求实现喷射针头的左右摆动，改变纳米纤维的形貌，能够有效控制获得纤维质量与形状；液体推进装置由步进电机、高精度丝杠导轨和注射器组成，实现将纺丝溶液按照设定速度平稳推进，液体推进装置可以同时安装多个装有溶液的注射器，便于进行多路喷射；纤维收集装置由电机和滚筒组成的滚筒式纤维收集装置，通过调整滚筒的旋转速度能够满足不同的纤维制备要求；高压电源为静电纺丝提供高压直流电场，主要连接纺丝喷头和纤维收集装置，实现将聚合物溶液在电场力的作用下发生射流并进一步细化形成纳米纤维，高压电源输出电压可根据需求在触摸屏进行设定，与PLC通信采用RS485通信方式；工业相机主要实现监视功能，当纺丝针头堵塞时，通过控制液体推进压力排除针头堵塞问题，控制器重新调整工作电压以及环境温湿度，从而形成一个平衡的工作状态。
[0023] 所述运动调节装置，包括X轴丝杠导轨、Y轴丝杠导轨和Z轴丝杠导轨及各导轨对应的步进电机，所述Z轴丝杠导轨沿Y轴丝杠导轨滑动，且Y轴丝杠导轨沿X轴丝杠导轨滑动。所述Z轴丝杠导轨安装于Y轴丝杠导轨的滑块上，使Z轴丝杠导轨随Y轴丝杠导轨的滑块滑动而在空间坐标系的Y轴移动；所述Y轴丝杠导轨安装在X轴丝杠导轨的滑块上，使Y轴丝杠导轨随X轴丝杠导轨的滑块滑动而在空间坐标系的X轴移动，所述X轴丝杠导轨至少为两组，以保证Y轴丝杠导轨滑动的稳定性和精度。运动调节装置使静电纺丝喷射装置的喷射针头于空间坐标系中运动，即喷射针头进行三维运动。
[0024] 控制系统主要由上位机、人机界面(触摸屏)、交换机、PLC、被控对象、传感器等组成，上位机主要实现和工业相机通信，通过工业相机采集喷射针头状态，当针头出现堵塞现象时，针头会出现球状液滴，工业相机采集到图像后，传输至上位机，结合图像处理知识，通过机器视觉算法对图像进行处理，准确判断喷头状态，当堵塞时，由于针头在进行喷射时堵塞，会产生球状液滴，影响纤维的产出，本设计通过上位机向控制器传送命令，控制器通过控制液体推进装置的推力实现排除堵塞，同时控制器会重新调整高压电源电压、环境温湿度等参数，保证静电纺丝系统处于一个平衡的工作状态。人机界面(触摸屏)主要实现步进电机控制时参数设置、调整以及运动控制、高压电源参数设置，环境温湿度显示以及控制等功能。交换机实现上位机、人机界面、PLC之间的通信；PLC通过步进电机控制器实现对X轴、Y轴、Z轴步进电机控制，完成喷射装置与接收装置的位置的自动调节，通过控制推进装置步进电机实现液体推进速度的精准控制；通过接口电路(24V/5V)完成安装于Z轴运动平台上的舵机控制，实现喷头支架的左右摆动；接近开关实现限位信号的采集；PLC外扩模拟量模块连接温湿度传感器实现对纺丝环境信息的采集，并通过继电器实现对相应执行机构的动作控制，实现对环境状态的监测与调控。
[0025] 当进行静电纺丝时，首先在控制系统的人机界面中进行相应参数的设置，主要进行运动参数设置、推进装置参数设置、高压电源参数设置，环境信息参数设置，接收装置参数设置等。运动参数设置主要包含X、Y、Z三轴的运动速度设置以及舵机旋转速度设置；推进装置参数设置主要设定推进速度；高压电源参数设置实现不同的材质设定不同的高压电源参数；环境信息参数设置主要设定工作环境的温湿度值，接收装置参数设置实现接收时滚筒旋转速度设定。当系统完成所有参数设定后，首先将高压电源的正负极分别连接到喷射装置的纺丝针头与纺丝纤维收集装置的滚筒上，然后在喷射推进装置的注射器中装好聚合物溶液，对进行喷射时的注意事项进行详细检查，然后启动系统，系统按照事先设定的参数完成各项喷射前的自动调整工作，当满足条件后系统开始纺丝纤维的喷射工作，喷射过程中，聚合物溶液会在液体推进装置的推动作用下运动到纺丝针头，在喷射针头处形成“泰勒锥”形状的液滴，液滴在高压电源的电场力作用下发生射流并形成纳米纤维，贴敷在接收装置上。为了满足不同的制备要求，喷射装置的喷射针头平台可以根据不同的工艺要求，自动进行喷射针头与接收装置的位置和距离的调整，同时喷射针头也可以在舵机的控制下左右摆动，改变纳米纤维的形貌，保证了纳米纤维的质量和形态。工业相机进行喷射针头液滴监测，当喷射针头出现堵塞时，液滴会聚集成球状液滴，工业相机将相应的图像信息发送给上位机，上位机借助机器视觉相关算法发现堵塞后，发出相应的控制信息，控制器通过改变液体推进装置的压力能够及时的清除针头堵塞，有效的保证了制备纳米纤维的效率。
[0026] 在进行静电纺丝过程中，现有静电纺丝设备的喷射针头与接收装置之间的距离和位置基本上需要实验人员手工进行调整，在实验过程中，过程监测需要实验人员实时监测，而本发明的静电纺丝喷射装置及其控制系统，能够按照用户的需求自动进行喷射针头和接收装置之间的位置和距离的调整，同时，喷射针头支架能够按照要求进行左右摆动，能够有效的改变纳米纤维的形貌，同时，本装置的喷射针头支架可以进行多喷射针头的安装，便于进行多路喷射。由于喷射针头与接收装置的距离影响纳米纤维的制备质量，同时针头的摆动便于制备不同形形貌的纳米纤维，提高纺丝的效果，对于纳米纤维的制造具有十分重要的意义。同时借助工业相机构成的针头堵塞监测系统，可以长时间的对纺丝喷头状态进行全方位的监测，解决以往人工监测长时间的疲劳问题，避免遗漏。同时，系统能够自动的进行相应参数的调整，使静电纺丝的实验过程基本上实现了自动化和智能化。同时，该装置操作简单，便于维护等优点，有利于进行广泛推广。
[0027] 以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
