多射流图案化静电纺丝系统开发及试验研究.pdf

1、Oct.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年10 月No.10Vol.40第4 0 卷第10 期机设计械多射流图案化静电纺丝系统开发及试验研究*李文望1.2，李晓旭1.2，王翔12，姜佳昕，康国毅3，郑高峰3（1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门36 10 2 4；2.厦门市智能制造高端装备研究重点实验室，福建厦门361024;3.厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院，福建厦门361102)摘要：图案化纳米纤维的高效喷射沉积技术已成为纳米纤维膜产业应用的关键，文中研发了集控制电压、供液流速、极间距、收集装置与喷头运动控制及环境温湿度检测为一体的多射流图案化静电

2、纺丝系统。采用PLC作为主机，开发了HMI触控屏控制程序，实现了静电纺丝工艺参数与多个驱动器联动的在线控制。试验结果表明：所开发的静电纺丝系统纤维定位精度优于10 m，可实现多种纳米纤维图案的多射流喷印成型，操作便捷、控制准确，在工业领域具有良好的应用发展潜力。关键词：多射流静电纺丝；纳米纤维；图案化沉积；集成控制中图分类号：TS103文献标识码：A文章编号：10 0 1-2 354(2 0 2 3)10-0 0 50-0 7Development and experimental study of multi-jet patternedelectrospinning systemLI Wen

3、wang-2,LI Xiaoxul.2u-2,WANG Xiangl2,JIANG Jiaxin,KANG Guoyi,ZHENG Gaofeng(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024;2.Xiamen Key Laboratory of Intelligent Manufacturing Equipment,Xiamen 361024;3.Pen-Tung Sah Institute of Micro-Nano Science and Te

4、chnology,Xiamen University,Xiamen 361102)Abstract:The efficient jet deposition of patterned nanofibers becomes the key to industrial application of nanofiber mem-branes.In this article,a multi-jet patterned electrospinning system that integrates controlling of voltage,supply flow rate,nozzle-to-coll

5、ector spacing,collection device and nozzle movement control,as well as detection of environmental temperature and humid-ity.With PLC as the host,the HMI touch-screen control program is developed to realize online control of electrospinning processparameters and multiple drivers.The results show that

6、 the fiber positioning accuracy of the electrospinning system reaches up to10 m.Thus,multi-jet printing and forming of various nanofiber micro patterns can be achieved,with convenient operation andaccurate control,and this technology has great potential in application and development potential in th

7、e industrial fields.Key words:multi-jet electrospinning;nanofiber;patterned deposition;integrated control电液耦合喷印是利用静电场拉伸力进行射流喷射与结构成型的一种新型微纳制造方法1-2 。相对于热诱导法、抽丝法、相分离法和自组装等3，静电纺丝技术在微观结构控制、工艺调控和图案化定位沉积等方面优势明显4-5】，静电纺丝纳米纤维直径小、比表面积大和孔隙率高，已经在空气过滤6-8 、传感检测9-1生物医药12-14 和微纳能源15-16 等多个领域表现出了巨大的应用潜力*收稿日期：2 0 2 1

8、-0 7-18；修订日期：2 0 2 3-0 4-0 8基金项目：国家自然科学基金资助项目（52 2 7 557 5）；福建省科技计划项目（2 0 2 0 H6003，2 0 2 1J0 11196，2 0 2 2 H6 0 36）；厦门市科技计划项目（2 0 2 2 CXY0 10 1）；厦门理工学院“科研攀登计划 资助项目（XPDKT20022）512023年10 月李文望，等射流图案化静电纺丝系统开发及试验研究传统单针头静电纺丝生产效率较低，仅0.1 1g/h，限制了纳米纤维膜的低成本批量生产与产业化应用。因此，引人多射流喷头结构，提高静电纺丝的纤维喷射效率17-19,对于实现纳米纤维毡

9、与线纱的规模化生产具有极大的研究意义2 0 在静电纺丝过程中，聚合物溶液在电场力作用下被拉伸形成微细射流朝收集板方向运动，随着溶剂挥发和射流拉伸细化，在收集板上得到纳米纤维。在静电纺丝纳米纤维的形成与沉积过程中,纳米纤维的直径、均匀性及纳米纤维膜的孔隙率与成膜厚度均匀性等受到多种因素的影响，如喷头施加的静电压、纺丝装置内静电场的分布情况、纺丝液喷射的速率、喷头与收集板间的距离、喷头运动轨迹等，除此之外，温度、湿度、气体辅助的气压大小和空气流动等环境因素也具有一定影响2 1-2 3O定向排列纳米纤维膜具有良好的力学性能，同时能够保持较高的比表面积和孔隙率,因此,近年来成为了研究热点2 4-2 5

10、。史同娜等2 6 采用滚筒进行有序纳米纤维制备，发现纤维的排列有序度随着滚筒转速的提高而有效提高。Kim等2 7 采用磁场法和平行电极法制备了有序纤维素纳米纤维，纤维取向度达到0.61,抗拉强度达到2 8 9.9MPa，表现出了优越的力学性能。同时,工业生产与科学研究中往往需要一些具备特定尺寸参数的纤维膜，这也对沉积的过程控制提出了较高的要求。文中提出了一种自动化、多功能并且操作简便的智能控制系统，可以实现喷头运动轨迹与收集装置的联动控制，从而实现纳米纤维的图案化沉积，同时开展了多射流图案化静电纺丝试验。用户可以通过HMI操作界面来控制纺丝过程中的电压、供液速度、喷头运动速度及轨迹等各个参量，

11、并且对试验环境中的温度等参量进行监控，为进行纤维膜成膜影响因素、沉积形貌及成膜厚度均匀性的研究提供了一个方便的试验平台。多射流图案化静电纺丝系统总体控制方案设计系统的总体控制方案设计如图1所示。用户可以通过操作人机界面来控制试验过程的高压参数、供液参数、运动轨迹参数设置（包括纺丝所需要的运动轨迹选择、各轴电机的运动方向、运动速度及运动总行程等），以及可能需要的辅助气体气压设置和收集装置的运动控制。控制模块通信气泵电磁阀RS485用户HMI人机操作界面高压电源RS485X驱动I/OY驱动反馈信息PLC控制器Z驱动供液驱动I/O反馈信息执行器模块Z轴步进电机Y轴步进电机X轴步进电机供液电机收集电机

12、HMI人机操作图1系统总体控制方案设计图2多射流图案化静电纺丝系统开发2.1系统模块建立文中采用两个三菱PLC为控制器，建立了通信控制人机操作界面、喷头运动、供液机构、气辅机构、温湿度传感及高压电源等模块。PLC控制器共有4 个脉冲输出口,用以控制喷头电机及供液电机。整个系统的模块控制连接图如图2 所示，图2 中示出了系统所要控制的各个模块和模块之间相互的连接关系及通信模式。52第4 0 卷第10 期机计设械HMI人机操作界面控制反馈RS485信息信息X轴运动反馈X轴限位开关脉冲高压信息驱动器X轴步进电机电源控制信息Y轴限位开关Y轴运动脉冲PLC控制器驱动器Y轴步进电机温湿度传感器反馈Z轴运动

13、信息乙轴限位开关脉冲驱动器Z轴步进电机模拟量模拟量脉冲供液电机电磁阀驱动器气泵步进电机气辅机构注射器供液机构图2系统模块控制连接图在使用过程中,用户可以通过触摸屏输入所选择的运动模式的运动速度及运动行程，PLC会根据其内部程序计算所需要对应输出的速度脉冲频率及行程脉冲的个数，将脉冲信息输出给驱动器，驱动器将驱动信号放大并驱动各轴电机以一定角速度转动相应的圈数，经机械结构传动使得喷头进行三维运动，收集装置进行定向移动或转动，以达到各轴设定的运动速度和行程。运动过程中如果喷头超过运动范围的上限，就会碰到各个轴的限位开关，其将信息反馈给PLC,PLC终止运动程序，起到保护装置的作用，直到装置离开限位

14、开关，按下启动键后，程序正常运行。在通信模式上,PLC与人机界面之间为标准的RS485通信，两个PLC均与触摸屏进行通信，其中，1个PLC的COM1端口设置为主站，COM2端口设置为从站；COM1与触摸屏通信，COM2与传感器还有高压电源等通信，以此区分信号的来源，保证信息读取与输出的准确性。控制功能主要分为3大部分：通信程序控制、三维运动控制和注射泵控制。通信程序主要涉及两个PLC与触摸屏的通信及PLC与高压电源和温湿度传感器等的通信。三维运动控制包括X,Y,Z3轴的手动及自动控制运动程序，自动运动控制里面有多种单轴轨迹和双轴联动轨迹，用户可选择多种运动轨迹执行。注射泵控制主要控制纺丝过程中

15、喷头的供液速度。2.2系统控制流程系统控制程序框架如图3所示。用户操作时首先要按照模块分类设定纺丝过程中所需的各个参数，参数包括高压参数、供液参数及安全设置等。之后选择运动参数，包括手动/自动开关、手动模式下的X,Y,Z3轴运动参数及自动模式下的运动轨迹等参数，再启动控制平台即可让喷头按照相应轨迹运动。其中，手动模式可直接调节3个控制喷头运动的步进电机，对喷头的X,Y,Z轴运动进行直接操作；自动模式可调用已设定好的喷头运动轨迹，控制喷头进行相应动作，运动轨迹包括X轴往返、Y轴往返、平行线、网格等单轴运动轨迹及。字形等双轴联动轨迹开始各参数初始化喷头复位输入各控制参数调整高压电压调整供液电机转速

16、调整辅助气压输入运动参数输出警报运动参数是否处于设定范围是手动模式判别操作自动模式模式判别运动输出三步进轨迹电机调整信号输出三步进电机调整信号否是否结束程序是结束图3系统控制流程图53李文望，等射流图案化静电纺丝系统开发及试验研究2023年10 月2.3系统电气连接X,Y,Z3轴均装有用于寻找零点的光电开关，同时，各轴的两端也都装有保护装置。当运动行程超过纺丝机的极限时，会碰到轴两端其中一端的限位开关，限位开关发出的信号被PLC接收到以后，将会终止程序，指导喷头离开限位开关，按下启动键程序才会继续运行，PLC电气接线图如图4 所示电源3-L电源3-5V-COM1一电源3-NX轴驱动器-PLL-

17、电源3-地Y轴驱动器-PUL-三S/SZ轴驱动器-PUL-24VX轴驱动器-DIR-OV24V-COM2Y轴驱动器-DIR-X轴左光电开关OUT2Z轴驱动器-DIR-X轴右光电开关OUT2供液驱动器-DIR-Y轴左光电开关OUT2D1轴驱动器-DIR-Y7COM3Y轴右光电开关OUT2Z轴左光电开关OUT2D2轴驱动器-DIR-Y10Z轴右光电开关OUT2X轴驱动器-ENA-Y11供液左光电开关OUT2Y轴驱动器-ENA-Y12X10供液右光电开关OUT2Z轴驱动器-ENA-Y13X11COM4X12供液轴驱动器-ENA-Y14X13D1轴驱动器-ENA-X14D2轴驱动器-ENA-Y16X1

18、5X16面板航插-红色指示灯X17面板航插-绿色指示灯一X20面板航插-黄色指示灯卡X21报警灯柱航插-一红色-X22报警灯柱航插-绿色一X23报警灯柱航插-黄色一X24高压排插固态维电器-X25Y27X2624V-COM5X27图4PLC电气接线图2.4人机操作界面针对系统集成化自动化的特点，设计了如下操作界面，主要包括初始界面、管理员控制界面、普通用户控制界面及运动模式选择界面等，其结构关系如图5所示。人机界面分为两种控制模式：一种是普通用户模式；一种是开发人员模式。打开纺丝机电源按钮，人机界面通电后会显示如图6 所示的开机初始界面，用户可通过操作触控板选择进入普通用户模式或管理员模式。X

19、轴脉冲参数设置管理员控制界面Y轴脉冲参数设置Z轴脉冲参数设置脱机设置初始界面高压参数控制界面普通用户控制界面喷头参数控制界面X，Y轴手动操作界面运动模式选择界面单轴自动运动操作界面供液系统控制界面双轴自动运动操作界面图5系统结构图欢迎使用多功能静电纺丝控制系统普通用户管理员图6用户初始化使用界面普通用户的操作主界面如图7 所示。在参数设置主页面，用户可以通过屏幕右侧的各个按钮来控制相应的执行器的电源通断。在屏幕左侧，可分别设置高压参数、喷头高度参数及供液参数等纺丝参数，并且还可以选择运动模式，同时还可以监控纺丝机内部的温湿度状况。多功能静电纺丝控制系统纺丝参数设置常用按键开关高压参教设置喷头高

20、度设置供液速度设置送动镜式设置温湿度参收实验时间0.00.00.08RH志温成0.0RH定供气女03/#气安0图7参数设置主界面54第4 0 卷第10 期机计设械开发人员操作界面如图8 所示，在该界面中，可以设置X,Y,Z轴手动运动的脉冲及各个轴在回零过程中的速度脉冲、零位减速脉冲和校正中点的行程脉冲管理员参数设置区轴脉汁艾轴脉汁乙轴脉冲机设李动进盛手动边度手动速度四逸度本仕诚造幸位减造四中行程四中行收纸图：管理员参数设置界面3多射流图案化静电纺丝试验搭建如图9所示的多射流图案化静电纺丝试验系统。采用质量分数为10%、溶剂为乙醇与去离子水（体积比3：1）的聚氧化乙烯（PEO）溶液开展多射流图案

21、化静电纺丝试验图9多射流图案化静电纺丝试验系统3.1图案化静电纺丝系统测试开展了系统的行程误差及重复图案沉积时的射流位置偏移探究。其中，极间距为2 cm，极间电压为4kV,供液速度为2 0 0 L/h。喷头以50 0 mm/min的速度作行程为10 0 mm的X，Y轴直线往复运动，可使PEO射流持续稳定沉积在基底上。5min后，得到1条PEO沉积直线，如图10 所示。经测量，沉积直线长为100mm，单轴行程差低于0.0 5%345678910(a)X轴直线往复m34568910(b)Y轴直线往复图10直线往复试验结果通过X轴、Y轴的单独运作或两轴联动，实现了任意二维图案的绘制及纳米纤维图案化沉

22、积。为验证系统进行图案化轨迹运动的完成度及稳定性，选取3种特定的轨迹：平行线轨迹、矩形轨迹和形轨迹。喷头以50 0 mm/min的速度作长、宽皆为50 mm的平行线轨迹、矩形轨迹和形轨迹运动，10 min后得到如图11所示纤维结构。由此看出本系统可按需求完成特定图案的沉积，并在长时间沉积后图案并未产生明显变形，纤维定位精度优于10 m，具有较好的稳定性。50(a)平行线轨迹沉积结果5010(b)矩形轨迹沉积结果50(c)o形轨迹沉积结果图11图案化轨迹沉积结果55李文望，等射流图案化静电纺丝系统开发及试验研究2023年10 月3.2单射流图案化静电纺丝试验在极间距为10 cm、极间电压为12

23、kV及供液速度为3 0 0 L/h的条件下进行了矩形轨迹的单射流沉积试验，喷头沿X，Y轴运动，以速度50 0 mm/min、往复行程为8 0 mm的参数进行远场图案化沉积，沉积结果如图12 所示，从左往右分别为经过2，10,5次沉积后的纤维图案。由图12 可看出，喷头可严格按照设定轨迹运动，并在运动时持续均匀地在收集板上喷射纤维，纤维的沉积量随沉积时间的增长而增大。5cm图12单喷头图案化沉积3.3多射流图案化静电纺丝试验在前述的喷头运动控制、供液机构及电压控制系统基础上，引人了多喷头图案化静电纺丝技术，开展了多射流图案化静电纺丝试验。在喷头不做机械运动的情况下，进行10 min的定点沉积，收

24、集板上的沉积形成了3 块圆形的PEO纤维膜，如图13 所示。其中，极间距为10 cm，极间电压为12 kV，单组喷头供液速度为 3 0 0 L/h。2cm图133喷头定点沉积在喷头做速度为50 0 mm/min、往复距离为50 mm的Y轴直线往复运动的情况下，进行10 min的定点沉积，收集板上的沉积形成了3 块条状PEO纤维膜，如图14所示通过控制喷头的机械运动实现了纤维沉积的稳定性。如图15所示，在喷头组数为3、喷头速度为500mm/min的情况下，通过系统对多个喷头的机械运动控制实现了电纺纤维的矩形轨迹沉积，具有良好的重复度和稳定性。2cm图143喷头前后往复沉积图153喷头矩形轨迹循环

25、沉积4结论通过研究多射流图案化静电纺丝工作原理，以PLC为主控制器，利用HMI实现人机交互，结合组块通信与运动控制编程，设计了一套集高压参数控制、供液控制、辅助供气、喷头运动轨迹控制及收集板运动控制为一体的多射流图案化静电纺丝系统，实现了静电纺丝多射流喷射图案化沉积的自动控制。经试验验证：此系统通过运动控制实现了多射流纳米纤维的图案化沉积，满足了目前实验室研究与产业化应用对图案化静电纺丝纳米纤维生产效率提升的需求，为大批量纳米纤维的图案化自动生产提供了一种行之有效的解决方案。参考文献1也广弟，力尚昆，卢晓峰，等静电纺丝技术制备无机纳米纤维材料的应用 J.高等学校化学学报，2 0 13，3 4(

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