CN109957845B - 喷射环境复合磁场风场的电纺纤维喷射控制方法 - Google Patents

Abstract

喷射环境复合磁场风场的电纺纤维喷射控制方法，属于电纺领域，为了解决对带电喷射流运动轨迹的控制，提高纺丝纤维收集的效率及纺丝纤维的质量的问题根据工艺要求，在控制面板上选择合适的励磁电流以及空间风场，打开驱动电机，使旋转式风箱转动，受到旋转时向心力的作用，旋转式风箱的凹槽内的风向片由转轴带动与风箱呈一角度，角度通过调节驱动电机的转速调节，待旋转式风箱里的风向片进入稳定运动状态之后，开始进行纺丝工艺，效果是使得喷射流的旋转具有一定的可控性和规律性。

Description

喷射环境复合磁场风场的电纺纤维喷射控制方法

技术领域

本发明属于电纺领域，涉及一种电纺纤维喷射环境复合磁场风场控制装置及方法。

背景技术

近几年来，纳米材料的研究成为一个热点问题，通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一，国内外针对静电纺丝技术开展了深入的研究。与传统的分离与拉伸方式相比，静电纺丝以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控、在纳米纤维的提取上具有更为明显的有效性等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。静电纺丝的形成过程为：在聚合物溶液上加以足够大的高压静电，使聚合物滴液在与材料表面接触的时候能够产生喷射流。这些细流经过拉伸细化，与此同时经过弯曲、固化过程，沉积在物体表面形成纳米纤维膜。在静电纺丝工艺中，影响静电纺丝纤维形貌和性质的工艺变量主要为聚合物溶液的流体特性、纺丝工艺参数以及环境参数三个方面，聚合物溶液的流体特性主要为溶液的相对分子质量、相对分子质量分布、聚合物溶液的粘性、电导率、表面张力等特性参数；纺丝工艺参数主要为高分子溶液浓度、静电纺丝流体的流动速率、电场以及磁场强度、毛细喷丝口与收集板之间的距离、收集板状态；环境参数主要为纺丝加工环境的温度和空气流动速度等，上述参数对静电纺丝工艺过程都起着决定性作用。在实际生产中，喷射流的非稳定性导致了纤维在收集板上的落点具有随机性，给收集纤维造成了一定的难度。为了提高生产效率，同时利用多个喷嘴进行静电纺丝是一个研究热点，有多股喷射流同时从不同的喷丝口喷射出来，落到同一个收集板。喷射流自身所具有非稳定摆动特性，导致喷射流之间会产生影响，每股喷射流之间互相交错，收集到的纤维分布具有任意性。

发明内容

为了解决对带电喷射流运动轨迹的控制，提高纺丝纤维收集的效率及纺丝纤维的质量的问题，本发明提出如下技术方案：

一种喷射环境复合磁场风场的电纺纤维喷射控制方法，包括如下步骤：

S1.同步电机为励磁线圈提供励磁电流，调节励磁电流，磁场强度变化，随着励磁电流的增加，磁场强度变大；

S2.根据工艺要求，在控制面板上选择合适的励磁电流以及空间风场，打开驱动电机，使旋转式风箱转动，受到旋转时向心力的作用，旋转式风箱的凹槽内的风向片由转轴带动与风箱呈一角度，角度通过调节驱动电机的转速调节，待旋转式风箱里的风向片进入稳定运动状态之后，开始进行纺丝工艺；

引入磁场，喷射流的摆动幅度受磁场对带电喷射流洛伦兹力作用，喷射流摆幅得到控制；引入空间风场，喷射流的摆幅得到控制；引入磁场后喷射流的运动摆幅减小，相应的能量损耗减小，促使喷射流的运动速度增加，纤维直径相应减小。

进一步的，步骤S1与步骤S2间还执行步骤：

S1.1.在纺丝工艺开始前，根据电纺纤维材质、喷射要求以及工艺要求选择相应型号的磁箱以及旋转式风箱，并将磁箱、励磁线圈、旋转式风箱组装于装置支架以及圆形滑轨之上，将收集板面上覆盖一层锡纸，并将覆有锡纸的收集板置放于三个装置支架中间，将电纺容器调节至装置圆心处；

S1.2.用电源线将收集板与高压电源的负极相连，电纺纤维的喷射针头电源正极相连接，收集板与喷射针头之间形成促使电纺纤维喷射正负电压。

进一步的，在完成静电纺丝工艺流程后，切断所有电源之后可将旋转式风箱从装置中取下，解开风箱上的封锁扣，打开旋转式风箱，取出风向片进行清洁，以备下次使用。

进一步的，当励磁电流分别为I=1A；2A；3A；4A时，励磁线圈中心区域水平面的磁场强度分别为：

。

有益效果：该装置通过磁场控制的静电纺丝过程，来控制喷射流的运动过程，磁场的分布直接对纺丝过程的控制效果产生影响。在静电纺丝过程开始时，通过控制同步电机，使励磁线圈中产生励磁电流，进一步产生空间磁场，喷射流经过磁场落到收集板。与传统的静电纺丝过程相比，引入磁场的静电纺丝过程中磁场对带电的喷射流作用，喷射流的运动行为及微观形态都会有所改变，主要为以下几个方面：引入磁场后，喷射流受到一个促使其旋转的作用力，喷射流仍然围绕着喷丝口的轴线做旋转运动，此时的旋转运动是在向心洛伦兹力的引导下进行，这样使得喷射流的旋转具有一定的可控性和规律性；外加磁场对喷射流有作用力，主要产生两个方向的作用力:径向方向和轴向方向。径向方向的作用力促使喷射流的旋转半径减小，轴向方向的作用力促使向下运动，进一步起到了稳定喷射流旋转运动的作用；引入磁场后，喷射流的摆动幅度减小，相应的损耗能量减小，促使喷射流的运动速度进一步增加，纤维直径相应减小；引入磁场后，在洛仑兹力的作用下，喷射流内部的大分子链进一步取向排列，排列更加紧密有序。此外，在静电纺丝过程中，驱动电机带动旋转式风箱匀速转动，风箱转动带动风向片产生稳定的空间风场，进一步提高了纺丝过程喷射流运动的稳定性。

附图说明

图1是不同条件下喷射流的摆动幅度示意图；图1（a）为在无磁场、无风场的条件下喷射流的摆动幅度，图1（b）为有磁场、无风场的条件下喷射流的摆动幅度，图1（c）为有磁场、有风场的条件下喷射流的摆动幅度；

图2是分子链排列示意图；图2（a）为分子链取向排列，图2（b）为纤维内部大分子链段的排列；

图3为装置整体结构图；

图4为旋转式风箱结构图；

图5为旋转式风箱立体图；

图6为装置俯视简图。

具体实施方式

本发明是一种电纺纤维喷射环境复合磁场风场控制装置。通过简洁、实用的机械结构设计，将磁场引入到静电纺丝过程中，以较低的成本实现了对带电喷射流运动轨迹的控制，极大提高了纺丝纤维收集的效率及纺丝纤维的质量。

所述电纺纤维喷射环境复合磁场风场控制装置装置由磁箱1，励磁线圈2，同步电机3，装置支架4，圆形滑轨5，装置驱动电机6，旋转式风箱7，风向片8,电纺容器9,喷射针头10,收集板11,控制版面12,电纺容器置放台13，传送带14，电机固定支架15等部分组成。

其中磁箱1为管状结构，是一种由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的高分子化合物材料，该材料具有较好的透明性、化学稳定性、力学性能、耐候性和易于加工等优点。磁箱上下两部分别有两个直径为3cm的圆形孔洞，励磁线圈2可经过该空洞与控制版面12相连接。在磁箱上部对称处有矩形空洞主要用于旋转式风箱连接传送带。

励磁线圈2分为上下两层，呈圆柱形同轴紧密排列在箱体1内部，其中上层主要为装置提供较小磁场，下层主要为装置提供较大磁场。

同步电机3置于磁箱1外部，主要负责为励磁线圈提供励磁励磁电流，使之产生空间磁场，改变静电纺丝工艺过程中喷射流受力情况。

装置支架4是由钛镁合金材料制成，具有比强度高、密度小、耐腐蚀、可回收等诸多优点。装置支架4固定于装置台，与圆形滑轨5连接，主要用来支撑箱体。

圆形滑轨5置于磁箱1和旋转式风箱7底部，由传送带与装置驱动电机相连，主要用于支撑磁箱及旋转式风箱，并驱动风箱转动，形成空间风场。

装置驱动电机6为为步进电机，主要负责驱动旋转式风箱转动。

旋转式风箱7制成材料是与磁箱1材料相同的非金属材料，可减少外部因素对磁场的干扰。旋转式风箱7是由两个半圆环柱组成的圆环柱形结构置于励磁线圈2空间表面，分为上下两个部分，其中上部为凹槽设计，用于置放传送带14，旋转式风箱与磁箱1整体呈环形柱体结构，其内部表面为整齐排列的凹槽设计，主要用于固定风向片8。

风向片8为聚乙烯材料，具有成本低、易加工、化学性质稳定等优点，风向片8为多种规格矩形结构，大小可根据风箱大小及工艺要求选取，固定于风箱内部表面凹槽内的转轴上，用于形成稳定的空间风场。使用过的风向片经过清洗和干燥可反复使用。

电纺容器9负责容纳各种电纺溶液。

喷射针头10，电纺溶液在压力和电场的作用下从喷射针头喷出，该针头的直径可根据实验的需求而更换。

收集板11表面覆有一层锡纸，主要用于收集电纺纤维。

控制版面12主要用于选择同步电机提供的励磁电流大小以及控制同步电机的运行。

电纺容器置放台13主要负责置放并调节电纺容器位置，使在纺丝过程中，喷射针头10可处于励磁线圈圆心处，保证纺丝过程中喷射流的稳定运动。

传送带14主要负责连接驱动电机及圆形滑轨。

具体的技术内容：

在常规的电纺纤维实验装置中喷射针头与收集板形成正负电压，带电电纺溶液从针头中喷射出来，落在收集板上，由于静电纺丝过程具有不稳定性，导致了在纺丝过程中容易出现纤维结构不均匀等后果。一种电纺纤维喷射环境复合磁场风场控制装置由磁箱，励磁线圈，同步电机，装置支架，圆形滑轨，装置驱动电机，旋转式风箱，风向片等部分组成。其中磁箱以及旋转式风箱均为为高分子化合的非金属材料，具有成本低、便于加工、具有良好的密封性等优点，可根据静电纺丝工艺过程要求定制多种尺寸的圆柱形空间。同时比起金属材料，非金属材料也大大减少了其他因素对磁场的干扰，确保了磁场的稳定性。其中旋转式风箱是两个半圆环柱形，其一端由合页71相接，另一端由封锁扣72相接组成的圆环柱形结构，该结构分为上下两个部分，可根据不同纺丝工艺需求，选择不同位置的风场进行操作。风箱上部凹槽与驱动电机由传送带相连，驱动电机由同轴转轴带动风箱上部转动产生空间风场；风箱下部与圆形滑轨相连，其中圆形滑轨并由传送带与驱动电机相连接，驱动电机带动旋转式风箱下部转动产生空间风场。同步电机可为励磁线圈提供励磁电流，调节励磁电流的大小，磁场的空间分布情况变化不大，但是磁场强度有所改变，随着励磁电流的增加，磁场强度变大。当励磁电流分别为I=1A；2A；3A；4A时，励磁线圈中心区域水平面的磁场强度分别为：。在纺丝工艺过程中，可根据不同工艺要求，调节电流大小，从而控制磁场强度的大小。装置支架一端置于装置台，另一端连接圆形滑轨，其中圆形滑轨置于磁箱和旋转式风箱底部。在纺丝工艺开始前，应根据电纺纤维材质的特点、喷射要求以及工艺要求选择相应型号的磁箱以及旋转式风箱，并将磁箱、励磁线圈、旋转式风箱组装与装置支架以及圆形滑轨之上；将收集板面上覆盖一层锡纸，并将覆有锡纸的收集板置放于三个装置支架中间；最后将电纺容器调节至装置圆心处。完成上述工作后，用电源线将收集板与高压电源的负极相连，电纺纤维的喷射针头电源正极相连接，进而保证了收集板与针头之间形成了促使电纺纤维喷射正负电压。根据工艺要求，在控制版面上选择合适的励磁电流以及空间风场，然后打开驱动电机，使旋转式风箱转动，因为受到旋转时向心力的作用，风箱凹槽内的风向片由转轴带动与风箱呈一定角度，该角度的大小可通过调节驱动电机的转速调节。待旋转式风箱里的风向片进入稳定运动状态之后，可开始进行纺丝工艺。在其他条件相同的情况下，引入磁场之后，喷射流的摆动幅度因受磁场对带电喷射流洛伦兹力的作用，喷射流的摆幅将会得到控制；引入空间风场后，喷射流的摆动幅度将进一步得到控制，如图1（a）中所示为在无磁场、无风场的条件下喷射流的摆动幅度，图1（b）所示为有磁场、无风场的条件下喷射流的摆动幅度，图1（c）所示为有磁场、有风场的条件下喷射流的摆动幅度。由于引入磁场后喷射流的运动摆幅有所减小，相应的能量损耗减小，促使喷射流的运动速度进一步增加，纤维直径相应减小。

除了上述磁场对喷射流的摆动幅度及纤维直径有所影响外，在纺丝工艺过程中其他条件相同的情况下，引入磁场后，对高分子溶液内部的大分子链段排布也将产生影响。在传统的静电纺丝过程中，高分子溶液在高压电场的作用下，产生极化电荷，大分子链沿着电场的方向取向排列，如图2（a）所示。在磁控静电纺丝过程中，同时引入了高压电场和磁场，分子链在洛仑兹力作用下,进一步取向排列，如图2（b）所示，纤维内部大分子链段的排列将会更加紧密，更加有序。

在完成静电纺丝工艺流程后，风向片可能会有残留溶液以及纤维残留物等杂质，切断所有电源之后可将旋转式风箱从装置中取下，解开风箱上的封锁扣，打开旋转式风箱，然后取出风向片进行清洁，以备下次使用。

所述电纺纤维喷射环境复合磁场风场控制装置以控制静电纺丝过程中喷射流运动的不稳定性为目的，利用磁场来达到控制喷射流运动轨迹。在磁场的作用下，喷射流在下落过程中受到洛仑兹力，在宏观运动、微观结构上发生一定的变化，以得到更高质量的纺丝纤维。

一种电纺纤维喷射环境复合磁场风场控制装置，主要由磁箱、励磁线圈、控制面板、同步电机、圆形滑轨、轴承、装置驱动电机、旋转式风箱、传送带连接装置组成，其中旋转式风箱、励磁线圈和磁箱呈圆柱形同轴排列，旋转式风箱在最内层，励磁线圈在中间层，磁箱在最外层；旋转式风箱的下部连接圆形滑轨，所述的圆形滑轨竖向连接轴承，使得圆形滑轨能随动轴承转动；传送带连接装置向轴承传送转动使旋转式风箱随动转动；同步电机置于磁箱外部并为励磁线圈提供励磁励磁电流，磁箱上部和下部具有圆形孔，励磁线圈的连线过圆形孔与控制面板连接。

进一步的，第一传送带被围绕在旋转式风箱的下部开槽中，所述的传送带连接并由装置驱动电机驱动以形成传送转动，使旋转式风箱随动转动。

进一步的，磁箱上部具有对称的矩形孔，为第二传送带的入口与出口，所述的第二传送带过矩形孔，且被围绕在旋转式风箱上部的开槽中，所述的第二传送带连接并由装置驱动电机驱动以形成传送转动，使旋转式风箱随动转动。

进一步的，还包括风向片，旋转式风箱、磁箱是非金属材料制成，旋转式风箱是由两个半圆环柱组成的圆环柱形结构，其内部表面为整齐排列的凹槽用于固定风向片，风向片固定于风箱内部表面凹槽内的转轴，用于形成稳定的空间风场。

进一步的，电纺容器、喷射针头、收集板、电纺容器置放台、传送带、装置支架，所述的装置支架对装置支撑且与轴承连接，所述的电纺容器置放台放置在装置支架附近，且将所述电纺容器悬挂在同轴排列圆柱的上方，且与收集板相对应，电纺容器具有喷射针头。

进一步的，励磁线圈分为上、下两层，下层提供比上层更大的磁场。

进一步的，装置支架是由钛镁合金材料制成。

进一步的，收集板表面覆有一层锡纸用于收集电纺纤维。

进一步的，控制面板用于选择同步电机提供的励磁电流大小以及控制同步电机的运行。

进一步的，电纺容器置放台置放并调节电纺容器位置，喷射针头处于励磁线圈圆心处。

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。

Claims (4)

1.一种喷射环境复合磁场风场的电纺纤维喷射控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.同步电机为励磁线圈提供励磁电流，调节励磁电流，磁场强度变化，随着励磁电流的增加，磁场强度变大；

S2.根据工艺要求，在控制面板上选择励磁电流以及空间风场，打开驱动电机，使旋转式风箱转动，受到旋转时向心力的作用，旋转式风箱的凹槽内的风向片由转轴带动与风箱呈一角度，角度通过调节驱动电机的转速调节，待旋转式风箱里的风向片进入稳定运动状态之后，开始进行纺丝工艺；

引入磁场，喷射流的摆动幅度受磁场对带电喷射流洛伦兹力作用，喷射流摆幅得到控制；引入空间风场，喷射流的摆幅得到控制；引入磁场后喷射流的运动摆幅减小，相应的能量损耗减小，促使喷射流的运动速度增加，纤维直径相应减小。

2.如权利要求1所述的喷射环境复合磁场风场的电纺纤维喷射控制方法，其特征在于：步骤S1与步骤S2间还执行步骤：

S1.1.在纺丝工艺开始前，根据电纺纤维材质、喷射要求以及工艺要求选择相应型号的磁箱以及旋转式风箱，并将磁箱、励磁线圈、旋转式风箱组装于装置支架以及圆形滑轨之上，将收集板面上覆盖一层锡纸，并将覆有锡纸的收集板置放于三个装置支架中间，将电纺容器调节至装置圆心处；

S1.2.用电源线将收集板与高压电源的负极相连，电纺纤维的喷射针头电源正极相连接，收集板与喷射针头之间形成促使电纺纤维喷射正负电压。

3.如权利要求1所述的喷射环境复合磁场风场的电纺纤维喷射控制方法，其特征在于：在完成静电纺丝工艺流程后，切断所有电源之后将旋转式风箱从装置中取下，解开风箱上的封锁扣，打开旋转式风箱，取出风向片进行清洁，以备下次使用。

4.如权利要求1所述的喷射环境复合磁场风场的电纺纤维喷射控制方法，其特征在于：当励磁电流分别为I＝1A；2A；3A；4A时，励磁线圈中心区域水平面的磁场强度分别为：3.8×10^-5T；7.5×10^-5T；1.1×10^-4T；1.5×10^-4T。

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