电流体动力生产方法和系统
技术领域
本发明涉及电流体动力生产方法和用于执行这种方法的系统。更具体地，本发明涉及使用电流体动力过程的两种具体方法，即电纺丝和电喷涂。
背景技术
公布号为US2005/224999的美国专利公开了用于生产纤维材料的电纺丝装置。所述装置具有挤出元件、收集器以及包围所述收集器和挤出元件的腔室，其中挤出元件配置成使用物质在挤出元件的尖端处的电场提取物来对该物质进行电纺丝。存在离子生成器，以在装置的操作期间生成用于注入到腔室中的瑞利(Rayleigh)不稳定区中的离子。
公布号为WO2014/189375的国际专利公开了一种使用电喷涂涂层材料在医疗装置上沉积涂层材料的方法。所公开的方法还包括在喷涂腔室中提供离子，以使待涂覆的表面受到离子的作用，从而防止在沉积的涂覆材料中形成孔或裂纹。
电流体动力生产方法(具体地，电纺丝和电喷涂)是一种利用聚合物溶液的带电射流来生产微米、亚微米和纳米级的纤维或颗粒的容易、低成本且灵活的方法。电纺丝是一种生产直径范围为从数十纳米到数十微米的连续纤维的方法。为了对纤维进行电纺丝，可以通过导电(大多数情况下)的小型喷嘴来进给能够合适的带电的液化材料。通过在喷嘴与对电极之间施加高电压，可以使液化材料带电。所生成的电场使得喷嘴尖端处的液滴发生锥形变形。在临界电场下，液滴表面处的静电力超过液体表面张力，并且液体开始以带电的细射流的形式从喷嘴流到对电极。在朝向对电极飞射期间，作用在纤维射流上的不同的力将纤维射流连续地拉伸，从而减小其直径。在该飞射过程中，纤维射流固化(例如，通过溶剂的蒸发或材料的冷却)，使得固体纤维沉积在收集器(其可以放置在纤维飞射路径中，例如紧邻在对电极之前或者对电极直接用作收集器)上。
电纺丝使用由喷嘴与收集器之间的高电压电势生成的电场，从喷嘴尖端处的液滴生产纤维。在可替换的配置中，例如从液浴、由液体覆盖的球、由液体填充的开口或由液体覆盖的线中提取纤维。
所生成的电场和带电的纤维射流对其周围环境有一些不利影响。当电纺丝过程运行一段时间时，在纤维射流路径周围的设备的部件(例如，机器外壳)可能逐渐积聚静电。只要存在电场(即，只要电纺丝过程正在运行)，在装置的表面和外壳上积聚的电荷量就会随时间而增加。
纤维生产过程前后的电荷变化将影响电场的形状，并且这可能在电纺丝过程中出现偏差，例如(但不限于此)吸引射流或使射流偏转，从而使电纺丝射流的路径发生改变。尤其是，这可以改变纤维直径或纤维沉积的位置。静电荷的积聚可以在不同的电纺丝运行过程中有所不同，即电荷积聚也将在不同的运行过程中有所不同。类似的问题可能发生在电喷涂装置中。
由于电荷积累会改变每个运行过程的初始条件，因而当需要通过不同的电纺丝或电喷涂运行过程获得相同的结果时，不期望在设备周围具有积累的电荷。当尝试通过擦拭进行清洁来清除这种积累的电荷，或经由接触来转移电荷时，用户也将不幸地在电流体动力环境/系统中引入(局部化)静电荷，因此无法解决这一问题。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种电流体动力生产方法，该方法将在多个运行过程中给出更一致的结果。
本发明的第一方面提供了一种电流体动力生产方法，该方法包括：
-将电流体动力装置布置在外壳内部；
-在充电周期期间利用特定的限定电力量将正离子和/
或负离子分布在所述外壳内部，其中，执行将正离子和/
或负离子分布在所述外壳内部的步骤，使得在所述外壳的内部上设置预定的电荷量；
-在充电周期结束之后的预定时间段内，激活电纺丝装置以形成产品；
-从电纺丝装置移除产品。
本发明提供了一种解决由于随时间在设备上预先存在和积累的电荷而导致的用于电流体动力过程的初始工艺条件不一致的问题的解决方案。该方法可以用于在每个电流体动力过程之前在外壳内产生相同的电荷分布，由于在电荷分布方面具有预定且相同的初始条件，因而有效地产生更高的再现性。应注意的是，设置在外壳内部的电荷与外壳内的内部部件(的非导电和/或非消耗型表面)上的电荷有关，诸如与外壳的壁的内表面上的电荷有关。预定的电荷甚至可以用作电流体动力生产方法的静电透镜，甚至进一步增强生产方法的一致性。
可选地，重复该方法的第二步骤、第三步骤和第四步骤来形成多个产品。以这种方式，由于在每次重复电流体动力过程之前初始电荷分布条件相同，因而可以生产相同的产品。
可选地，该方法包括：
-测量电流体动力装置和/或外壳上的电荷，以获得指示所测量的电荷的电荷参数；
-使用电荷参数来控制正离子和负离子的分布。
通过测量装置和/或外壳上的电荷，可以精确地控制带电离子的分布，以获得用于施加电荷的所需的精度或速度。
可选地，该方法还包括交替地生成正离子和负离子。通过交替地生成正负离子，控制系统能够一次性中和预先存在的正电荷和负电荷。
可选地，该方法包括控制正离子和负离子的生成，以便在重复的循环周期期间生成离子，其中，一个循环周期包括在期间生成正离子的时间段Tp和在期间生成负离子的时间段Tn。
可选地，正离子和负离子分布在外壳内，以便在外壳内部的一个或多个部件上形成电荷Venc，其中，Venc＜100kV或Venc＞-100kV。该范围已经显示出良好的结果，其中可以改变精确的电压来改变射流性能、沉积面积、沉积扩散面积，和/或吸引射流或使射流偏转。
可选地，外壳具有多个壁，多个壁中的至少一个由非导电或非消耗型材料制成。由这些材料制成的壁不会作为收集器易于粘附飞行的纤维(射流)，即纤维不易沉积在这些壁上。
根据另一方面，提供了一种电流体动力系统，其包括：
-外壳；
-电流体动力装置，在外壳内部；
-一个或多个电荷产生装置，其布置成在外壳中分布正离子和负离子，其中，在所述外壳内部执行正离子和/或负离子的分布，使得在外壳的内部上设置预定量的电荷。外壳的内部例如包括外壳壁的(非导电/非消耗型的)内表面。
该装置还可以包括电荷控制器，其布置成控制电荷产生装置，以在每次运行之前在外壳内部的部件上形成预定的电荷水平。该装置可以是电纺丝装置或电喷涂装置。
附图说明
本发明的这些和其它方面从下文描述的实施方式中是显而易见的，并且将参考下文描述的实施方式进行阐述。在附图中，
图1示出了根据本发明的实施方式的制造纤维结构的方法的流程图；
图2示意性地示出了用于执行所描述的方法的系统的实施方式的立体图；
图3示出了根据实施方式的电荷控制器；
图4A和图4B示出了用于控制电荷产生装置的输出的控制信号；
图5示意性地示出了根据现有技术布置在外壳内的电纺丝装置的俯视图；
图6示出了在尚未使用所描述的实施方式的情况下，在图5的外壳的壁上可能积聚的电荷的曲线图；
图7示出了在使用上述实施方式的情况下，在外壳壁上可能积聚的电荷的曲线图。
应注意的是，在不同附图中具有相同附图标记的项具有相同的结构特征和相同的功能，或者是相同的信号。在已对该项的功能和/或结构进行了说明的情况下，在详细描述中不需要对其进行重复说明。
具体实施方式
图1示出了根据实施方式的电流体动力生产方法10的流程图。在该实施方式中，该方法包括使用电纺丝工艺生产纤维结构的方法。方法10包括将电纺丝装置布置在外壳内部的步骤11。图1中的下一方框12表示在特定的时间段内将正离子和/或负离子分布在外壳内部的步骤。当经过一段时间后，接着进行步骤13，在步骤13中激活电纺丝装置来形成纤维结构。最后，在步骤14中将所形成的产品从电纺丝装置中移除。可以重复步骤12、步骤13和步骤14(参见箭头15)，以制造多个产品，其中在每次运行之前，都将外壳的内部暴露于正离子和/或负离子。
本发明提供了一种解决由于随时间在设备上预先存在和积累的电荷而导致的用于电纺丝过程的初始工艺条件不一致的问题的解决方案。由于离子的分布，设备上积聚的电荷可以被均质化/中和/设置成规定的电荷水平。这将使初始工艺条件相同或几乎相同。
图2示意性地示出了用于执行所述方法的系统的实施方式的立体图。电纺丝装置布置在外壳20内。电纺丝装置可以包括容器1，其用于容纳包括聚合物融化物或聚合物溶液的液体，并且可选地，可以包括喷嘴(在图2中不可见)，其布置成液体流从容器流出的出口。电纺丝装置还包括收集器2，其用于收集在电纺丝过程中来自喷嘴的电纺丝材料。电压供应系统可以布置成在至少一个喷嘴与至少一个收集器之间形成电压差。电压供应系统可以包括至少一个交流(AC)或直流(DC)高压电源，以在至少一个喷嘴与收集器之间形成电压差。由于施加的电压，形成了从喷嘴飞射到收集器2的电纺丝纤维，其中在收集器2上收集电纺丝纤维以形成电纺丝纤维结构3。在替代性配置中，可以使用多个喷嘴形成多根纤维。
在图2的示例中，外壳20包括底壁21、顶壁22和四个侧壁23、24、25、26。这些壁21至26中的一个或多个可以是透明的，以使得用户可以通过观察外壳20中的纺丝装置来监控纺丝过程。在实施方式中，至少一个侧壁由诸如例如玻璃、聚合物等非导电或非消耗性材料制成。通过非导电或非消耗性材料来制成这些壁中的至少一个，降低了将纤维不期望地沉积在这些壁上的风险。应注意的是，导电或消耗型表面产生了将纤维沉积在特定表面上的风险。负面影响是非导电材料具有随时间累积电荷的趋势。
在实施方式中，图2所示的系统包括一个或多个电荷产生装置31、32和电荷控制器40。每个电荷产生装置31、32可以包括能够产生正离子和/或负离子的至少一个电离发射器。电离发射器中的每个均由向发射器施加特定电力(即，特定电压)的电荷控制器40控制。在实施方式中，电荷产生装置31、32被控制成通过它们相应的负、正或双极性电离发射器在外壳20内交替生成正离子和负离子。
通过以交替方式提供正离子和负离子，可以将外壳20内的所有部件均设置成预定的电荷水平。外壳20内的部件可以包括内部部件的非导电和/或非消耗型表面(包括外壳20的非导电和/或非消耗型内壁)。例如，图2所示的侧壁23至26可以这样设置成预定的电荷水平，然后实际上充当明确限定的、用于流体的静电透镜，从而也在操作期间对纺丝喷嘴的(初始)性能产生影响。
图3示意性地示出了根据实施方式的电荷控制器40。在该实施方式中，电荷控制器40包括CPU 41和高压电源42。CPU 41布置成向高压电源42提供诸如电压和时序的设置。在实施方式中，CPU 41能够接收至少一个测量信号43作为反馈信号，以将外壳20内部的相关部件的静电电荷设置成预定水平。
在实施方式中，电荷产生装置31、32被控制成使得在重复的循环周期期间生成正离子和负离子，其中，一个循环周期被划分成在期间生成正离子的时间段Tp以及在期间生成负离子的时间段Tn。
电荷产生装置31、32可以包括可通过脉冲DC源控制的电离发射器。也可以使用具有变化振幅的AC电源(虽然其效率较低)，将不再对其进行详细描述。当在+离子与-离子之间存在脉冲DC平衡时，可以在外壳20内的所有零件上生成接近中性的特定的低电平电荷(例如，＜+/-0.5kV)。由此，电纺丝射流(至少)受到除了由施加在喷嘴和收集器上的电压生成的电场之外的电场的影响。
当+离子与-离子之间的DC平衡发生变化时，电荷产生装置31、32也可以用于在外壳20内的所有相关零件上生成特定的非中性电荷。在外壳的内部中设置非中性的初始电荷能够影响电纺丝工艺的性能。通常，所形成的纤维以渐增的锥形包络的形式朝向收集器2盘旋。周围设备和外壳上的(初始)电荷量会影响此锥形体/包络的大小(宽度、直径)，因此将电荷设置成一个特定的值能够对该过程进行另外的控制(形成更宽或更小的锥形体/包络，并使得在收集器上沉积的纤维被分散得更大/更小，从而导致不同的行进距离以及拉伸和干燥)。
离射流的飞射路径越近，周围环境的感应电荷越有效。在实施方式中，该设备还包括一个或多个电荷传感器45(参见图2)，其布置成测量一个或多个相邻表面的电荷。可以通过使用电荷传感器45对外壳20的在预期的射流路径附近的内部零件的表面的电荷进行测量，来评估控制电离发射器的电荷控制器40的设置，并主动操控特定的控制器设置(例如，电压和持续时间)。
图4A和图4B示出了用于控制正离子发射器(图4A)和负离子发射器(图4B)的输出的控制信号的示例。在该示例中，通过在开始生产过程之前将外壳20内的所有零件设置为带正电荷，形成更多的阳离子。应注意的是，在该示例中，绝对值是相等，因此|V+|＝|V-|但Tp>Tn。
在实施方式中，Tp和Tn的值在0秒至数分钟之间，优选地在1秒至30秒之间，例如8秒。优选地，Tp的值大于1秒，并且Tn的值大于1秒。时间段Tp和Tn越长，电荷产生装置使所积聚的电荷平衡得越远。
在实施方式中，幅度V+和V-由电荷控制器40确定。幅度可以在DC脉冲序列期间是恒定量，可替代地，幅度可以随时间变化。如果为恒定量，则V+的绝对值可能高于V-的绝对值，从而在外壳内的所有零件上生成正电荷，或补偿在步骤13中积聚的通常更大的负电荷。
平衡偏移会改变正离子与负离子的比例。由此可以将外壳内的所有零件都设置成特定的电荷，其根据在步骤13中积聚的电荷而得到的初始启动条件进行定制。
在实施方式中，离子的量由电荷控制器40控制。通过控制负离子与正离子之间的平衡(例如60％的正离子和40％的负离子)，能够最有效、最快速地将外壳内的所有零件设置成根据步骤13中积聚的电荷定制的特定电荷。
在实施方式中，控制正电离发射器或负电离发射器的数量。
在另一实施方式中，对正离子与负离子的平衡进行控制，以最有效、最快地将外壳20内的所有零件/部件设置成根据步骤13中积累的电荷定制的特定电荷。
发射之间的频率可以由电荷控制器40控制，以改变脉冲持续时间和电压，从而改变发射深度(即，离子云的有效距离/离子云到达多远)。
应注意的是，电荷产生装置31、32可以布置在外壳20内部，或者布置在具有通向外壳20内部的用于暴露离子的通道的外壳20的外部。电荷产生装置31、32可以如图2所示地布置成阵列，但是也可以有替代性方案。当电荷产生装置31、32布置在外壳20内部时，电荷产生装置31、32可以布置在外壳20内的、除了其能够阻挡纤维从喷嘴喷出并到达收集器2的位置之外的任何位置。
图5示意性地示出了根据现有技术的布置在外壳50内部的电纺丝装置的俯视图。图5所示的系统类似于图2的实施方式，但是不具有电荷产生装置31、32。图5中所示的加号指示积聚的电荷。这种积聚的电荷可能影响纺丝过程。如果积聚的电荷充足，则会对纺丝过程造成一定程度的影响，使得在收集器2上形成的纤维状结构(参见虚线锥形体52)的宽度W2小于前一制造阶段期间在收集器2上形成的纤维状结构(参见锥形体51)的宽度W1。因此，第二运行过程的产品将与第一运行过程的产品是不相同的。
图6示出了在尚未使用上述实施方式的情况下，在外壳20的壁的内表面上可能积聚的电荷的曲线图。从图6可以看出，电荷在纺丝步骤13期间积聚，并且电荷在将产品从电纺丝装置中移出的步骤14期间缓慢减少。
图7示出了在使用上述实施方式的情况下，在外壳20的壁的内表面上可能积聚的电荷的曲线图。由附图标记71表示未知的初始设备状态。在上述步骤12中，在充电期间利用特定的限定电力量将正离子和/或负离子分布在外壳20内部。由此，在纺丝步骤13之前，将装置和外壳设置为恒定的状态。电荷的最佳生成量取决于电纺丝工艺自身在加工过程中转移到内部的电荷量，并且可以取决于纺丝时间和使用的喷嘴数量。在该示例中，使用一个喷嘴的过程随时间将电荷转移到外壳20的内部，但是本领域技术人员将理解的是，使用多个喷嘴的过程将导致不同的电荷转移。
在充电周期12结束之后的预定时间段内，将电纺丝装置激活以形成产品。在图7的示例中，预定时间段是约0秒，但是该时间段可以取决于环境。在步骤12结束时，电荷处于水平72处。该水平可以通过对电荷产生装置31、32的适当控制来控制，并且如果需要的话，将在多个运行过程中保持恒定。
在步骤12之后，开始纺丝运行过程13，在该过程中电荷增加到特定的不可控的水平。这一不可控的水平取决于过程设置、运行持续时间、喷嘴数量等。
在步骤14中，将产品从装置中移除。从图7可以看出，电荷略微降低到同样不可控的水平。因此，通过再次执行步骤12，电荷水平将恢复到已知水平，即水平72。在图7中，Tp+Tn表示的是在步骤12中同时使用了正离子和负离子。
应注意的是，以上提及的实施方式对本发明进行说明，而非对其进行限制，并且应注意的是，本领域技术人员将能够设计许多替代性实施方式。在权利要求中，放在括号之间的任何附图标记不应解释为对权利要求的限制。动词“包括”及其词形变化的使用不排除权利要求中所陈述的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件之前的冠词“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。在装置权利要求中，列举了多种器件。这些器件可以由硬件或软件中的一个或者由相同的硬件或软件进行实施。在互不相同的从属权利要求中记载某些技术方案的事实并不表示不能有利地使用这些技术方案的组合。
