劉 健，劉延波，蔣秀明，馬 營(yíng)，宋學(xué)禮

(1.天津工業(yè)大學(xué)天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387;3.天津工業(yè)大學(xué)教育部先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387;4.浙江偉星實(shí)業(yè)發(fā)展股份有限公司，浙江 臺(tái)州 317025)

不完全齒輪橫動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)靜電紡絲膜均勻性的改善作用

劉 健1，劉延波2，3，蔣秀明1，馬 營(yíng)2，宋學(xué)禮4

(1.天津工業(yè)大學(xué)天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387;3.天津工業(yè)大學(xué)教育部先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387;4.浙江偉星實(shí)業(yè)發(fā)展股份有限公司，浙江 臺(tái)州 317025)

針對(duì)多針頭式靜電紡絲產(chǎn)品橫向均勻度較差的缺點(diǎn)，提出一種基于不完全齒輪齒條機(jī)構(gòu)的新型線性模組結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)式線性運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)紡絲頭的連續(xù)勻速橫動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)，簡(jiǎn)單可靠，且不需要控制系統(tǒng)。機(jī)構(gòu)由1個(gè)主動(dòng)不完全齒輪和1個(gè)從動(dòng)雙側(cè)齒條框組成，由于齒輪齒條傳動(dòng)具有恒定傳動(dòng)比的特性，使得主動(dòng)不完全齒輪的連續(xù)單向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成從動(dòng)雙側(cè)齒條框的勻速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)應(yīng)用于多針頭靜電紡絲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證了其功能性、有效性和可靠性，可使靜電紡絲膜的橫向均勻度從32.2%降低到2.7%，縱橫向強(qiáng)力比也由2.15下降為1.03。

不完全齒輪;雙側(cè)齒條框;參數(shù)化設(shè)計(jì);橫動(dòng);靜電紡絲

近年來，納米纖維在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，靜電紡絲是一種簡(jiǎn)單易行且成本較低的納米纖維制備方法［1－3］，而多針頭靜電紡絲技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)納米纖維膜的工業(yè)化生產(chǎn)的有效渠道［4］，長(zhǎng)期以來受到業(yè)界的高度重視并得到了深入研究，在國(guó)內(nèi)外少數(shù)企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了靜電紡絲膜的工業(yè)化生產(chǎn)。但在多針頭陣列式/直線式的紡絲過程中，存在著靜電紡絲膜沿橫向分布不勻的問題，制約了靜電紡絲技術(shù)在全球范圍的推廣與應(yīng)用。

靜電紡絲膜橫向出現(xiàn)條帶狀不勻主要是由于多針頭靜電紡絲射流間存在間隙，與相鄰紡絲射流間存在庫(kù)侖斥力造成，而且由于電場(chǎng)的疊加造成各針頭電場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻性，使得中間針頭的場(chǎng)強(qiáng)最弱、兩邊針頭的場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)，出現(xiàn)嚴(yán)重的邊緣效應(yīng)［5］。劉延波項(xiàng)目組通過對(duì)多針頭靜電紡絲過程中場(chǎng)強(qiáng)分布特性進(jìn)行理論分析研究，提出了場(chǎng)強(qiáng)大小及分布均勻性的改進(jìn)措施，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［6］，為解決邊緣效應(yīng)問題、提高靜電紡絲膜結(jié)構(gòu)均勻性提出了一條切實(shí)可行的思路。

目前規(guī)模化生產(chǎn)納米纖維的靜電紡絲膜制造商，采用橫動(dòng)機(jī)構(gòu)使載有多個(gè)針頭的靜電紡絲頭沿橫向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，來彌補(bǔ)針頭的間隙及射流間的靜電斥力造成的靜電紡絲膜橫向不勻［7］。常用的往復(fù)橫動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用四桿機(jī)構(gòu)(如曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、偏心輪機(jī)構(gòu)等)、凸輪導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)等，這些往復(fù)橫動(dòng)機(jī)構(gòu)利用單方向驅(qū)動(dòng)力就可以實(shí)現(xiàn)，但該類機(jī)構(gòu)很難保證勻速運(yùn)動(dòng)，并且在連桿尺寸計(jì)算或凸輪輪廓設(shè)計(jì)方面有難度，如果計(jì)算不正確可能會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)死點(diǎn)。除此之外，齒輪齒條機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)等也可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)橫動(dòng)，該類機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)穩(wěn)定，但如果要求產(chǎn)生精確的往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程，則需要準(zhǔn)確控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，即需要有控制系統(tǒng)。

文獻(xiàn)［8］提出一種利用不完全圓柱齒輪及標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪跟齒條嚙合的方法實(shí)現(xiàn)了連續(xù)往復(fù)直動(dòng)，能夠有效解決上述問題，但該方法需要三組齒輪跟齒條嚙合，并且2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪也同時(shí)嚙合，這樣對(duì)于尺寸設(shè)計(jì)、加工精度，特別是裝配過程都有較大難度。

針對(duì)上述問題，本文提出一種利用不完全齒輪齒條跟雙側(cè)齒條框嚙合的新型機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)連續(xù)勻速往復(fù)橫動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)過程簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)，利用設(shè)計(jì)過程非常簡(jiǎn)單的C++Builder軟件對(duì)該橫動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，最后，將設(shè)計(jì)的橫動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用到多針頭靜電紡絲實(shí)驗(yàn)中，檢驗(yàn)靜電紡絲產(chǎn)品的橫向均勻效果。

1 往復(fù)橫動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

基于往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的單向行程要求確定不完全主動(dòng)齒輪的齒數(shù)、雙側(cè)齒條框上下齒條的間距及齒條齒數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

1.1 不完全主動(dòng)齒輪齒數(shù)的確定

不完全主動(dòng)齒輪齒數(shù) z對(duì)應(yīng)的分度圓弧長(zhǎng)L(單位為mm)等于往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的單向行程d，因?yàn)長(zhǎng)=pz=πmz，其中，p為齒距(單位為mm)，m 為齒輪模數(shù)，所以不完全主動(dòng)齒輪的齒數(shù)滿足:

根據(jù)直線運(yùn)動(dòng)行程d及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性選擇合適的模數(shù)m，在靜電紡絲設(shè)備小型樣機(jī)中，模數(shù)取2即可滿足要求。

1.2 不完全主動(dòng)齒輪形狀參數(shù)的確定

主動(dòng)齒輪的齒頂圓與從動(dòng)齒條框的上側(cè)齒頂線交點(diǎn)為A和B，對(duì)應(yīng)的圓心角為α，與從動(dòng)齒條框的下側(cè)齒頂線交點(diǎn)為C和D，對(duì)應(yīng)的圓心角也是α。主動(dòng)齒輪的有齒形BC弧段對(duì)應(yīng)的圓心角為β，由上面分析的傳動(dòng)過程可以得出α+β=180°。不完全齒輪齒條運(yùn)動(dòng)情況，如圖1所示。

圖1 不完全齒輪齒條運(yùn)動(dòng)情況Fig.1 Movement of incomplete gear and rack mechanism

假設(shè)主動(dòng)齒輪為完全齒輪，設(shè)其齒數(shù)為Z，則不完全主動(dòng)齒輪齒數(shù)z對(duì)應(yīng)的分度圓弧長(zhǎng)L=×πmZ，由此可得

根據(jù)齒輪嚙合條件可知，齒條分度線與齒輪分度圓相切［9］，所以有

又 α +β=180°，所以有

式中h*a=1。

聯(lián)立式(1)、(3)，可得:

齒輪傳動(dòng)中如果要穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，則同時(shí)嚙合的齒數(shù)應(yīng)至少有3個(gè)，所以若利用不完全齒輪在齒條框中間旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，則不完全齒輪的全齒數(shù)Z應(yīng)大于等于(2z+6)。根據(jù)式(4)，利用C++Builder軟件編寫函數(shù)f，得到式(5)。

式中:d為已知量，m取2，Z的初始值為(2z+6)，令Z=Z+1，采用代入法，當(dāng)f=1時(shí)，確定主動(dòng)齒輪的全齒數(shù)Z，結(jié)合不完全齒輪的有效齒數(shù)z即可獲得不完全齒輪的整體輪廓。

1.3 雙側(cè)齒條框的參數(shù)設(shè)計(jì)

齒條框上下2個(gè)齒條齒根之間的間距D=m(Z+h*a)，每個(gè)齒條的齒數(shù)比不完全齒輪多6個(gè)齒，齒的兩端沿齒根延伸，長(zhǎng)度大于mZ;不完全齒輪在安裝時(shí)，中心處于齒條框中間的位置。

2 往復(fù)橫動(dòng)機(jī)構(gòu)在靜電紡絲中的應(yīng)用

2.1 往復(fù)橫動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加工

將本文提出的連續(xù)勻速往復(fù)橫動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用到多針頭靜電紡絲設(shè)備中，往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程取L=130mm，模數(shù)m取2，利用編寫的軟件計(jì)算得不完全齒輪包含21個(gè)齒(全齒數(shù)為54個(gè)齒)，齒條框上下2個(gè)齒條齒根之間的間距D=110mm。

2.2 靜電紡絲實(shí)驗(yàn)

2.2.1 紡絲實(shí)驗(yàn)材料與裝置

聚乙烯醇(PVA，上海石油化學(xué)股份有限公司)，醇解度為99%，聚合度為1700，相對(duì)分子質(zhì)量為74800;蒸餾水，自制。多針頭靜電紡絲裝置由實(shí)驗(yàn)室自行搭建，圖2(a)示出無橫動(dòng)機(jī)構(gòu)的靜止式多針頭靜電紡絲裝置，圖2(b)示出有橫動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)式多針頭靜電紡絲裝置。其中的紡絲頭橫動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)接收滾筒由天津工業(yè)大學(xué)工程教學(xué)實(shí)習(xí)訓(xùn)練中心加工制作，表1示出其他相關(guān)儀器型號(hào)和來源。

圖2 多針頭靜電紡絲裝置Fig.2 Devices for multi-needle electro-spinning.(a)Static device;(b)Dynamic device

表1 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備列表Tab.1 Experimental instruments and equipment

2.2.2 紡絲實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)已有研究結(jié)果［10］所得PVA靜電紡絲的最佳條件為:電壓32 kV，紡針內(nèi)徑0.52mm，紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù) 26%，纖維接收距離 12cm，喂液速率1.1 mL/h。

2.2.3 靜電紡絲測(cè)試

在最佳條件下利用無橫動(dòng)機(jī)構(gòu)和有橫動(dòng)機(jī)構(gòu)的6針頭靜電紡絲裝置采用旋轉(zhuǎn)滾筒連續(xù)紡絲、接收1 h，將得到的2種靜電紡絲膜用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍照，并對(duì)靜電紡絲膜沿橫向的厚度(10個(gè)采樣點(diǎn))分布進(jìn)行測(cè)試分析，最后對(duì)2種靜電紡絲膜的縱橫向拉伸強(qiáng)力進(jìn)行了測(cè)試。采用GB 13022—1991《塑料拉伸性能實(shí)驗(yàn)方法》，利用Instron 3699型萬(wàn)能材料強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行強(qiáng)力測(cè)試。采用ASTM D－1777《紡織品的厚度測(cè)試》，利用CHY-C2型薄膜測(cè)厚儀測(cè)試厚度。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 結(jié)構(gòu)形貌分析

采用無橫動(dòng)機(jī)構(gòu)和有橫動(dòng)機(jī)構(gòu)靜電紡絲裝置獲取的納米纖維膜表面形貌照片如圖3所示。

圖3 靜電紡絲膜照片對(duì)比Fig.3 Comparing of different electrospun membrane.(a)Without traverse mechanism;(b)With traverse mechanism

由圖3發(fā)現(xiàn)，采用橫動(dòng)機(jī)構(gòu)后，多針頭靜電紡絲產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)均勻性得到了有效改善，靜電紡絲膜表面沿橫向的條帶狀結(jié)構(gòu)完全消失，表面光潔平整，具有塑料薄膜/涂層的感覺效果。

2.3.2 產(chǎn)品橫向厚度分析

采用無橫動(dòng)機(jī)構(gòu)和有橫動(dòng)機(jī)構(gòu)紡絲裝置分別制得靜電紡絲膜各3張，對(duì)其橫向10個(gè)位置進(jìn)行厚度測(cè)試，根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)計(jì)算無橫動(dòng)機(jī)構(gòu)和有橫動(dòng)機(jī)構(gòu)制得的靜電紡絲膜橫向厚度的變異系數(shù)(CV值)，變異系數(shù)=(標(biāo)準(zhǔn)差/均值)×100%，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，橫動(dòng)機(jī)構(gòu)將靜電紡絲膜橫向厚度的平均變異系數(shù)從32.2%降到2.7%，有效地提高了靜電紡絲膜的橫向均勻度，提高了靜電紡絲膜的品質(zhì)。

表2 靜電紡絲膜橫向厚度的變異系數(shù)Tab.2 Variation coefficients of electrospun membrane thickness %

2.3.3 拉伸強(qiáng)力分析

采用無橫動(dòng)機(jī)構(gòu)和有橫動(dòng)機(jī)構(gòu)紡絲裝置分別制得靜電紡絲膜各3張，對(duì)其進(jìn)行縱橫向拉伸強(qiáng)力測(cè)試，根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)計(jì)算無橫動(dòng)機(jī)構(gòu)和有橫動(dòng)機(jī)構(gòu)所制得的靜電紡絲膜縱橫向拉伸強(qiáng)力比，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 靜電紡絲膜縱橫向強(qiáng)力比Tab.3 Longitudinal and transverse strength ratio of electrospun membrane

從計(jì)算結(jié)果可以看出，由于橫動(dòng)機(jī)構(gòu)的存在，靜電紡絲膜平均縱橫向強(qiáng)力比由2.15降為1.03，其原因主要是，無橫動(dòng)機(jī)構(gòu)的靜電紡絲膜橫向厚薄不勻，所以靜電紡絲膜容易在較薄的地方發(fā)生斷裂從而降低了橫向的拉伸強(qiáng)力。有橫動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)備，消除了靜電紡絲膜橫向厚薄不勻的狀況，從而提高了靜電紡絲膜橫向的強(qiáng)力，使得靜電紡絲膜縱橫向的強(qiáng)力基本一致，提高了靜電紡絲膜的各向同性。

3 結(jié)論

本文針對(duì)多針頭靜電紡絲過程提出了基于不完全齒輪齒條機(jī)構(gòu)的新型線性模組結(jié)構(gòu)，所得靜電紡絲膜結(jié)構(gòu)均勻，視覺上完全消除了條狀橫向不勻的問題，橫向不勻率由無橫動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)的32.2%降低到2.7%，靜電紡絲膜的均勻度可以達(dá)到相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品的要求;靜電紡絲膜的縱橫向強(qiáng)力比也由2.15降為1.03，很好地提高了靜電紡絲膜的各向同性。因此，這種基于不完全齒輪齒條機(jī)構(gòu)的新型線性模組結(jié)構(gòu)具有理論和實(shí)踐可行性，可為靜電紡絲技術(shù)的工業(yè)化實(shí)施提供理論和實(shí)驗(yàn)參考。

［1］ 漆東岳，劉延波.規(guī)?；∠蜢o電紡絲技術(shù)的現(xiàn)狀與展望［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31(4):22 －26.QI Dongyue，LIU Yanbo.Status and outlook for large-scale oriented electrospinning technology［J］.Journal of Tianjin Polytechnic University，2012，31(4):22－26.

［2］ 楊大祥，李恩重，郭偉玲，等.靜電紡絲制備納米纖維及其工業(yè)化研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2011，25(8):64－68.YANG Daxiang，LI Enzhong，GUO Weiling，et al.Research and industrialdevelopmentofnanofibers prepared by electrospinning［J］.Materials Review，2011，25(8):64－68.

［3］ MUNIR M M， ISKANDAR F. Highperformance electrospinning system for fabricating highly uniform polymer nanofibers［J］.RevSciInstrum，2009，80(2):2－6.

［4］ 郝明磊，郭建生.國(guó)內(nèi)外靜電紡絲技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.紡織導(dǎo)報(bào)，2013(1):58－60.HAO Minglei， GUO Jiansheng. Latest progress on electrospinning at home and abroad［J］.China Textile Leader，2013(1):58 －60.

［5］ RULISON A J.Scale-up of electrospray atomization using linear arrays of Taylor cones［J］.Review of Scientific Instruments，1993，64(3):683 －686.

［6］ 張澤茹，劉延波，馬營(yíng).多針頭靜電紡場(chǎng)強(qiáng)分布的研究［J］.現(xiàn)代紡織技術(shù)，2012(6):9－11.ZHANG Zeru，LIU Yanbo，MA Ying.Study of electric field distribution of multi needle electrospinning［J］.Advanced Textile Technology，2012(6):9－11.

［7］ 山下義裕，劉輔庭.靜電紡絲法制造納米纖維的工業(yè)化［J］.合成纖維，2010(1):44－47.YAMASHITA Yoshihiro，LIU Futing.The industrialization of manufacturing nano fiber using electro spinning［J］.Synthetic Fiber in China，2010(1):44 －47.

［8］ 徐勤花，史文譜，徐芹亮，等.實(shí)現(xiàn)往復(fù)直動(dòng)的一種旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)［J］.煤礦機(jī)械，2007，28(2):133 －134.XU Qinhua， SHIWenpu， XU Qinliang， et al.Reciprocating uniform moving mechanism of gear and gear rack［J］.Coal Mine Machinery，2007，28(2):133－134.

［9］ 孫桓.機(jī)械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006，207－211.SUN Huan.Mechanical Principle［M］.Beijing:Higher Education Press，2006:207 －211.

［10］ 郭嶺嶺.規(guī)?；o電紡納米纖維技術(shù)基礎(chǔ)理論研究［D］.天津:天津工業(yè)大學(xué)，2012，49 －56.GUO Lingling.Fundamental research about large scale electro spinning nanofiber technology［D］.Tianjin:Tianjin Polytechnic University，2012，49－56.

Improvement of electrospun membrane uniformity by non-circular gear traverse mechanism

LIU Jian1，LIU Yanbo2，3，JIANG Xiuming1，MA Ying2，SONG Xueli4
(1.Tianjin Key Laboratory of Modern Technology＆ Equipment，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China;2.School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China;3.Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China;4.Zhejiang Weixing Industriat Development Co.，Ltd.，Taizhou，Zhejiang 317025，China)

In order to improve the poor uniformity in cross machine direction(CD)of the nanofibrous web during electro spinning process，a new linear module structure based on the incomplete gear and rack mechanism was proposed and applied in this study，which is simple and reliable，making the spinneret on it to reciprocate continuously at uniform speeds，and moving stably along CD without a control system.The proposed mechanical structure consists of an incomplete driving gear and a slave bilateral rack box，with the continuous unidirectional movement of the former transforming to the continuous uniform reciprocating traverse motion of the latter，based on the constant transmission ratio which is the feature of gear and rack drive.The results from the electro spinning experiments using the proposed mechanism as linear traverse system indicated its function，validity and reliability，which could improve the CD uniformity of the electrospun membrane from 32.2%to 2.7%，and the strength ratio of MD/CD from 2.15 to 1.03.

incomplete gear;bilateral rack box;parametric design;traverse;electro spinning

TS 174.8

A

10.13475/j.fzxb.20140700205

2014－07－02

2015－03－24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51373121)

劉健(1985—)，男，講師，博士生。主要研究方向?yàn)镃AD/CAM一體化技術(shù)、新型紡織機(jī)械設(shè)計(jì)。劉延波，通信作者，E-mail:yanboliu@gmail.com。