直线型电极静电纺丝技术及装备的研究与实现

摘要

静电纺丝纳米纤维具有纤维直径小、比表面积大、孔隙率高等优异的特性，使得其在高效过滤、新能源、生物医药等应用领域得到快速的发展，因而高质量的纳米纤维膜的需求不断增加。因此，如何实现大规模批量化生产高质量的纳米纤维成为当前研究的热点。直线型电极静电纺丝技术以其纺丝效率高、连续生产能力好、设备可操作性好等突出优点，是目前最有可能将纳米纤维推向工业化量产的技术。
　　直线型电极静电纺丝装备是一个集机、电、液等领域技术于一体的高端自动化装备，该装备紧密融合了静电纺丝多射流工艺与智能化控制平台，如何实现连续生产高质量纳米纤维是该装备的关键所在。由于直线型电极静电纺丝装备过程控制参数多元混杂、各模块紧密耦合等因素导致该装备仍然有一些关键技术没有解决，主要包括缺乏全局控制系统导致纳米纤维膜质量参差不齐问题，纤维成型过程中涂覆参数调控策略不明确导致纳米纤维沉积不均匀问题，卷绕收集过程中缺乏张力控制系统导致成品纳米纤维膜力学性能差问题，这些问题成为直线型电极静电纺丝技术批量制备高质量的纳米纤维膜的技术瓶颈。
　　针对上述问题，本文以直线型电极静电纺丝装备为研究对象，以研发能够批量生产高质量的纳米纤维膜的装备及控制系统为目标，对相关工艺参数控制策略及控制算法进行了研究，并应用于所开发的控制系统。本文主要工作如下：
　　（1）依据直线型电极静电纺丝制备纳米纤维膜的纺丝机理，分析其技术路线得出装备关键技术，进一步提出装备设计架构，分析装备各子系统功能并设计直线型电极静电纺丝装备各功能模块硬件，同时搭建以运动控制器为硬件平台的全局控制系统，并设计全局控制系统软件。
　　（2）为解决纤维成型过程中涂覆参数调控策略不明确导致的纳米纤维沉积不均匀问题，首先结合纺丝实验现象与定量分析阐述溶液涂覆过程对纤维沉积不均匀的影响机理，在此基础上建立电极丝表面溶液量的数学模型，得出影响纳米纤维沉积均匀性的主要因素，同时提出涂覆均匀性评价方法；其次，为改善纳米纤维沉积不均匀问题，提出一种Logistic型涂覆运动规划模型，并基于平台技术参数完成模型参数辨识，进一步得到涂覆过程参数的规划控制模型；最后，涂覆均匀性评价方法与实验分析表明该运动规划模型能够有效提高纤维沉积的均匀性。
　　（3）针对卷绕收集过程中缺乏张力控制系统导致成品纳米纤维膜力学性能差问题，设计浮动辊张力机构并分析张力波动产生的原因，进一步建立张力控制系统各部分的数学模型，获得张力控制系统的传递函数；针对张力控制系统非连续、时变的特点，提出将模糊自适应PID控制算法应用于张力控制系统，进一步的设计张力系统的模糊自适应PID控制器，最后由仿真测试与实验验证表明采用模糊自适应PID控制算法的张力控制系统满足设计要求。

目录

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景与意义

1.3课题国内外研究现状分析

1.4 课题研究目标、内容及结构安排

第二章 直线型电极静电纺丝制备纳米纤维膜关键技术分析与装备总体设计

2.1 引言

2.2 直线型电极静电纺丝制备纳米纤维膜关键技术分析

2.3 直线型电极静电纺丝装备总体设计架构

2.4 装备子系统硬件设计与实现

2.5 控制系统软件设计与实现

2.6 本章小结

第三章 溶液涂覆过程参数控制方法优化

3.1 引言

3.2 溶液涂覆过程对纤维沉积均匀性的影响分析

3.3 溶液涂覆过程建模与分析

3.4 涂覆过程参数控制模型建立

3.5 模型评价

3.6 本章小结

第四章 收放卷系统张力控制方法建立与实现

4.1 引言

4.2 张力波动的原因探究

4.3 张力控制系统数学模型的建立

4.4 张力控制系统控制算法研究

4.5 模糊自适应PID控制算法仿真

4.6 本章小结

第五章 系统实验与分析

5.1 直线型电极静电纺丝系统实现

5.2 涂覆过程参数控制方法实验验证

5.3 张力控制实验验证

5.4 本章小结

总结与展望

全文总结

工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和专利

声明

致谢

附录