静电纺丝方法和设备与流程

本发明涉及一种通过从静电纺丝设备的喷嘴出口喷射纺丝材料来对材料进行静电纺丝的方法，喷嘴出口具有外径。另外，本发明涉及一种静电纺丝设备，该静电纺丝设备包括：纺丝材料供应单元；喷嘴单元，与具有喷嘴出口的纺丝材料供应单元连通；收集器单元，用于收集在静电纺丝设备的操作期间形成的纤维；以及电压供应单元，用于在喷嘴单元与收集器单元之间施加电压差。

背景技术：

国际专利公开wo2017/182560描述了一种静电纺丝设备和方法。将包括聚合物熔体或聚合物溶液的液体供应到喷嘴，以及通过在喷嘴与目标电极之间施加电场，将形成非常纤薄和连续的纤维，该纤维可用于例如形成纤维结构。在该公开中，提供了一种光学测量系统，该光学测量系统布置成测量所形成的纤维结构的厚度。

中国专利公开cn-a-104309338公开了一种静电纺丝直接写技术的闭环控制方法。根据实际喷射时的流体变化，喷嘴处的液体分成泰勒锥和喷射流进行控制。利用高速摄像头进行形状检测，以及将信息直接反馈给控制器，以调节和控制基板移动速度和影响射流和泰勒锥的喷涂电压。

美国专利公开us2016/325480公开了一种用于生产移植物设备的自诊断移植物生产系统。提供了一种用于输送纺丝聚合物材料的纤维基质的聚合物输送组件。

中国专利公开cn-a-105839202公开了一种控制静电纺丝聚丙烯腈纤维直径和结构的方法。在聚丙烯腈的静电纺丝过程中，通过减小泰勒锥的尺寸，可减小制备的静电纺丝聚丙烯腈纤维的直径，以及可改善静电纺丝聚丙烯腈纤维的纤维结构。通过实时观察泰勒锥，可实时控制制备的纤维的直径和结构。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种改进的静电纺丝方法和设备，从而允许可再现的形成纺制纤维和纤维结构。

根据本发明的第一方面，提供了一种如上限定的方法，该方法包括：根据在静电纺丝设备的操作使用期间捕获的图像，确定从喷嘴出口出来的流体纺丝材料的圆锥部的形状，其中，确定圆锥部的形状包括：使用静电纺丝设备的参考部分(诸如喷嘴出口)的预定尺寸和捕获图像中的边缘检测来校准捕获图像，以及基于所确定的圆锥部的形状与圆锥部的期望形状之间的差，控制静电纺丝设备的操作参数。在另一组实施方式中，该方法还包括：根据圆锥部的形状确定捕获图像中的纺丝线直径确定区域，确定在纺丝线直径确定区域处的实际纺丝线直径，以及基于实际纺丝线直径与期望纺丝线直径之间的差，控制静电纺丝设备的操作参数。

根据本发明的第二方面，提供了一种如上所限定的静电纺丝设备，该设备还包括：成像装置，用于捕获在操作期间形成的圆锥部和纤维的图像；处理单元，连接至成像装置；纺丝材料供应单元和电压供应单元，其中，处理单元布置成通过使用静电纺丝设备的参考部分的预定尺寸和所述捕获的图像中的边缘检测来校准所述捕获的图像，确定圆锥部的形状，以及基于确定的圆锥部的形状，控制静电纺丝设备的操作。

本文所述的本发明实施方式可用于增强一般静电纺丝方法的纤维再现性，并且还允许对所形成的纤维结构的纤维形态进行质量控制。

附图说明

下面将参照附图来更详细地讨论本发明，在附图中：

图1示出根据本发明的实施方式的静电纺丝设备的框图；

图2示出根据本发明的静电纺丝设备的实施方式的喷嘴区域的局部剖视图；以及

图3a至图3e示出在本发明的静电纺丝设备实施方式的实际操作期间形成的各种形式的圆锥部的简化图像。

具体实施方式

本发明实施方式可应用于多个应用中，在该多个应用中，执行纤维或纤维材料的静电纺丝以获得(半成品)产品。纤维材料可具有不同的几何形状，诸如成纱的纤维、纤维板、纤维管等。

在图1中，给出了根据本发明的静电纺丝设备的示例性实施方式的一般示意图。在底部，设置有收集器单元1(也用作反电极)，该收集器单元1布置成在其上形成纤维材料。存在(高)电压供应单元2，电压供应单元在操作中在收集器单元与喷嘴单元3之间施加(高)电压差。喷嘴单元3与纺丝材料供应单元6连通，并保持一定量的流体或流化纺丝材料，诸如聚合物溶液或聚合物组合物。通过施加高电压并向喷嘴单元3供应纺丝材料，在喷嘴单元3的尖端形成圆锥部(或泰勒锥)7、以及细纤维8。另外，在该示例性实施方式中，提供了与处理单元5接触的成像装置4，该处理单元5连接至纺丝材料供应单元6和电压供应单元2，并且可控制纺丝材料供应单元6和电压供应单元2的操作参数。

图2中示出了根据本发明的静电纺丝设备的实施方式的喷嘴区域的部分剖视图，其中喷嘴单元3包括喷嘴出口3a(例如，使用针或管状元件实现的喷嘴出口)。喷嘴出口3a具有外径(或宽度)en，并且从喷嘴单元3的表面在喷嘴突起距离wn上延伸至静电纺丝设备的处理室中。在所示的实施方式中，示出了围绕喷嘴出口3a的可选存在的气流通道3b。根据从气流通道3b流出的、用作围绕形成的圆锥部7和纤维8的屏蔽的气体的类型和量，在静电纺丝设备的操作期间可控制纤维8的固化过程。

静电纺丝是一种生产直径范围从几十纳米到几十微米的连续纤维8的方法。为了静电纺丝纤维8，可通过喷嘴单元3的小喷嘴出口3a供应合适的(液化的)纺丝材料。(液化的)材料可通过在喷嘴3中的材料与收集器单元1或反电极1之间施加高电压而带电。所产生的电场在喷嘴出口或尖端3a处引起液滴7的锥形变形。一旦电力克服了该液滴的表面张力，就从液滴中形成射流，并且形成朝向收集器单元1移动的纤维8。在朝向收集器单元1飞行期间，纤维8通过作用在其上的不同的力连续地拉伸和伸长，从而减小纤维直径，并允许纤维固化(例如通过溶剂的蒸发或材料的冷却)，使得固体纤维8沉积在收集器单元1上。注意，收集器单元1可包括平板，该平板正好放置在连接至电压供应单元2的反电极的前面，作为连接至电压供应单元2的收集器单元1的替代。

成像装置4(例如，高分辨率相机)添加到静电纺丝设备，以允许在(基于针的)静电纺丝过程期间，借助于智能视觉反馈系统实现，稳定和/或控制静电纺丝圆锥部7。

一般地，根据本发明的一方面，提供了一种通过从静电纺丝设备的喷嘴出口3a喷射(流体或流化)纺丝材料来静电纺丝材料的方法，喷嘴出口3a具有外径en。该方法包括：根据在静电纺丝设备的操作使用期间捕获的图像(例如，使用视频处理，诸如边缘检测)，确定从喷嘴出口3a出来的流体纺丝材料的圆锥部7的形状；以及基于所确定的圆锥部7的形状与圆锥部7的期望形状之间的差，控制静电纺丝设备的操作参数。在另一实施方式中，该方法包括控制操作参数的不同步骤，即，通过根据圆锥部7的形状确定捕获图像中的纺丝线直径确定区域，确定在纺丝线直径确定区域的实际纺丝线直径d(使用例如边缘检测技术)，以及基于实际纺丝线直径d与期望纺丝线直径之间的差，控制静电纺丝设备的操作参数。

注意，静电纺丝技术使用由大致喷嘴与收集器之间的高电压电势产生的电场，以从喷嘴尖端/出口3a处的液滴产生纤维8。当静电纺丝工艺运行一段时间时，所提供的纺丝材料可能在组成(预期的或非预期的)方面发生变化，并且这种变化对所得纤维8的形态和尺寸产生影响。通过纺丝圆锥部7的尺寸的变化，也可在喷嘴出口3a的尖端看到这种材料变化。通过由成像装置4(例如，视觉相机)和处理单元5在喷嘴出口3a的尖端处检测这些变化，可对该过程施加补偿，以保持纤维变化受控制。

在纺丝材料(主要是聚合物)用于在纺丝过程进行期间改变组成(例如由于温度、粘度或溶剂蒸发变化)的情况下，纺丝行为可受到剧烈影响，这导致纤维形态变化或乃至完全停止纺丝过程。

当前提出的方法实施方式使用智能视觉相机(成像装置4)，成像装置具有例如定制的透镜和相关联的视频/图像处理软件，该相关联的视频/图像处理软件在处理单元5上执行，以对纺丝圆锥部7执行实时测量。在材料行为改变的情况下，这可通过所执行的测量来检测。通过材料特定的算法，测量偏差用作纺丝过程的反馈信号，以补偿所发生的偏差。这些补偿可为例如材料流量的变化和/或纺丝电压和/或纺丝距离的变化。在本发明的另一实施方式中，静电纺丝设备的操作参数包括以下中的一个或多个：喷嘴出口3a与收集器单元1之间的电压；流过喷嘴出口3a的纺丝材料的量；静电纺丝设备的处理室中的环境条件(例如温度、湿度等)；喷嘴单元3的环境条件，诸如温度；流过围绕喷嘴出口3a的气流通道3b的气体的量；喷嘴出口3a的延伸至静电纺丝设备的处理室中的喷嘴突起距离wn。在另一示例性实施方式中，喷嘴出口3a设置有可调节孔，流体在操作过程中流过该可调节孔，以及可控制该可调节孔以影响孔，从而影响圆锥部7的形状。

用于补偿静电纺丝工艺中的材料变化(例如粘度)的基于视觉的反馈可使用处理单元5中足够容量的处理资源以足够快和具有鲁棒性的方式来实现。纺丝材料(或纺丝溶液组合物)的不同材料性质和加工参数设置导致具有特定形状的纺丝圆锥部7。例如，为了处理纳米纤维8，圆锥部7相对内凹且薄(例如参见图3d)，以及对于微米纤维8，圆锥部7更外凸且更宽(参见例如图3c)。圆锥部7的尺寸也可在产生任何稳定的纤维8的边缘上。圆锥部可为上外凸的(参见图3a)或上内凹的(参见图3e)，或甚至圆锥部可缩回到喷嘴尖端内部，这主要导致在喷嘴出口3a的尖端处的不稳定的材料喷射。

在静电纺丝设备的操作期间，可使用成像装置4来捕获圆锥部7的形状，并且使用在处理单元5中实现的图像处理技术来处理圆锥部7的形状。通过捕获包括喷嘴单元3(和纤维8)的部分或静电纺丝设备的任何其它参考部分的图像，可例如使用喷嘴出口3a的预定(即已知)尺寸(例如喷嘴突起距离wn和外径en)来校准来自所捕获图像的测量。为此，在另一实施方式中，确定圆锥部7的形状包括使用静电纺丝设备的参考部分(诸如喷嘴出口3a)的预定尺寸和在所捕获的图像中的边缘检测来校准所捕获的图像。

对于不同的产品，纤维尺寸应该尽可能地整体恒定，或纤维应该随时间具有一定的尺寸或形态变化。根据时间帧(即，作为时间的函数)改变处理设置起作用，但不补偿材料行为中未预见的干扰。本发明的方法实施方式将克服这些问题。通过利用智能视觉相机(成像装置4)使纺丝圆锥部7可视化，其中智能视觉相机能够对圆锥部7的捕获图像执行(实时)测量，可测量由于材料变化引起的偏差，并将该偏差馈送到算法中，以(实时)调整纺丝过程。可通过例如改变材料流、纺丝电压、纺丝距离或保护气体流来影响该过程。

在一个方法实施方式中，确定圆锥部7的形状包括：(动态地)确定沿着静电纺丝设备的主轴线的基点xb，如图3b的剖视图所示。可替代地，确定圆锥部7的形状包括：(动态地)确定沿着纺丝圆锥部7的中心线的基点xb。主轴线/中心线可定义为垂直于喷嘴出口3a的端面的线，或定义为形成的纤维8的纺丝材料的轨迹。这可使用图像检测和处理算法在处理单元5中实现，例如使用边缘检测和/或像素化技术。

在一个具体实施方式中，使用所捕获的图像中的圆锥部7的边缘的曲线匹配来确定基点xb。可通过例如使用直线(即，从喷嘴出口3a的边缘的三角锥与顶角α的最佳匹配)找到如图3b至图3d所示的顶角α来在捕获的图像中应用曲线匹配。可替代地，可使用所捕获图像中的圆锥部7的所检测边缘的二阶或高阶曲线匹配来应用曲线匹配。换言之，通过确定纺丝圆锥部7的尖端点且在纺丝圆锥部7的边缘上应用线性(或更高阶)拟合，可确定圆锥部7的角度α和作为圆锥部7的中心轴线上的基点的交叉点。然后，该相交点提供距喷嘴出口3a尖端的距离xb。

在另一组实施方式中，喷射直径d(即，在操作期间形成的纤维8的直径)在距圆锥部的确定尖端(即，基点xb)的固定距离xd处测量。关于上述一般方法实施方式，在另一实施方式中，将纺丝线直径确定区域确定为沿着主轴线在距基点xb预定距离xd处的点。预定距离xd例如取决于纺丝材料的组成。使用距基点xb的预定距离xd给出了稳定的射流直径测量，这导致可靠的材料流信息。注意，基点xb的信息结合锥角α提供了关于圆锥部7的形状及其稳定性的信息。

在替代实施方式中，将纺丝线直径确定区域确定为沿着主轴线位于预定因子i乘以从所捕获的图像中的喷嘴出口3a的边缘到基点xb的基点距离处的点。与前面的实施方式类似，使用因子i来确定测量纤维8直径d的位置将导致可靠和相关的测量。在示例性实施方式中，i＝2。

在基本测量之后，可从图像中提取更多的信息(例如，喷嘴直径、喷嘴突起距离、形成的纤维8的角位移)，这在使连续图像之间的测量过程自动化中是有利的，并且甚至可提供质量控制信息。在另一方法实施方式中，随着时间的推移周期性地测量基点xb(和/或光纤8的直径d)。

在从经由平移运动移动的喷嘴单元3拍摄图像的情况下，由成像装置4拍摄连续的图像可产生后续图像，其中，圆锥部体7的顶点可相对于喷嘴出口3a改变一点。通过在图像中寻找某些标记，诸如喷嘴出口3a的边缘，可在进行一般测量之前校正(小)失真。在这种移动喷嘴单元3的实施方式中，周期性测量也可与上下(平移)运动同步，例如(假定成像装置4的固定位置)每上下循环一次或两次处理捕获的图像。

通过如上所述的一个或多个实施方式的测量，可确定圆锥部7的所有偏差并将其用于反馈。每种材料和/或产品均需要一定的圆锥部状形状，以产生所需的纤维形态。通过使用(或学习)所需的圆锥部形状作为(时间相关的)基准，可将根据该基准的所有偏差馈送到计算过程设置中的所需变化的算法中。

在另一示例性实施方式中，该方法还包括在检测到圆锥部7的形状变化后调整静电纺丝设备的操作参数。例如，当在靠近喷嘴出口3a的圆锥部7的根部检测到直径增大的恒定部分时，可假定纤维8的形成过程将受到负面影响，并且需要调节，例如通过经由气流通道3b开始或调节圆锥部7周围的气流。

在另一实施方式中，视觉反馈检测用于检测存在从喷嘴出口3a出来的多个纺丝圆锥部7。导致多个纤维8在操作期间进行纺丝的多个纺丝圆锥部7的存在可为静电纺丝设备的期望或不期望的操作模式，以及视觉反馈可用于检测或甚至稳定这种操作模式。

从捕获的图像得到的测量数据也可用于质量控制或甚至用于由静电纺丝设备制造的产品的认证。为此，另一方法实施方式包括存储测量数据。

在另一方面，本发明涉及一种静电纺丝设备，该静电纺丝设备包括：(流体)纺丝材料供应单元6；喷嘴单元3，与纺丝材料供应单元6连通，具有喷嘴出口3a；收集器单元1，用于收集在静电纺丝设备的操作期间形成的纤维8；电压供应单元2，用于在喷嘴单元3与收集器单元1之间施加电压差；成像装置4，用于在操作期间捕获形成的圆锥部7和纤维8的图像；以及处理单元5，连接至成像装置4、纺丝材料供应单元6和电压供应单元2，其中，处理单元5布置为确定圆锥部7的形状，并且基于所确定的圆锥部7的形状来控制静电纺丝设备的操作。在另一实施方式中，处理单元5布置为执行根据在此描述的方法实施方式中的任何一个的方法。

这种静电纺丝设备的优点在于工艺再现性方面的增益。在例如通过静电纺丝制造医疗植入物的情况下，网眼和纤维形态的所有变化对于产品性能和认证都是大问题，这可由本发明实施方式解决。本发明的实施方式能够对纺丝圆锥部7进行达到新水平的控制，这提供了更好的工艺再现性，从而产生更好质量的医疗植入物和更少的材料废料(从纺丝的网孔到完整的植入物)。

在另一实施方式中，静电纺丝设备还包括连接至处理单元5的环境控制单元，用于控制静电纺丝设备的处理室中的环境条件。实际纺丝(纤维成形)空间的环境控制是相关的，但是本发明实施方式还通过在需要时对工艺参数进行恒定的监控和调节允许基于反馈的控制。

如图2的实施方式所示，喷嘴单元3还可包括围绕喷嘴出口3a的气流通道3b。然后，静电纺丝设备还包括气流控制单元，该气流控制单元连接至处理单元5，用于控制流过气流通道3b的气体量。附加地或替代地，静电纺丝设备还包括喷嘴位置控制单元，喷嘴位置控制单元连接至处理单元5，用于控制喷嘴出口3a延伸至静电纺丝设备的处理室中的喷嘴突起距离wn。这允许直接影响纺丝处理距离(从喷嘴单元3到收集器单元1)，但也允许微调电参数，即喷嘴单元3与收集器单元1之间的场强和场强分布。

在另一示例性实施方式中，喷嘴出口3a包括多个流体流的混合物，例如呈同轴或并排配置。如以上参考其它实施方式所述的视觉反馈可用于控制各个材料流中的每一个的混合比。

在另一实施方式中，视觉反馈也可用于控制突起距离或材料流出口之间的相对距离，以控制纤维形态。

在另一实施方式中，静电纺丝设备可包括位于喷嘴单元3中的注射器，注射器连接至处理单元5，用于控制注射器操作。注射器可以以类似脉冲的方式施加，以控制喷嘴出口3a的材料流，例如基于使用成像装置4的视觉反馈。

上面已参照附图中所示的多个示例性实施方式描述了本发明。可进行一些部件或元件的修改和替换实现，并且包括在所附权利要求所限定的保护范围内。