不完全齒輪橫動機構對靜電紡絲膜均勻性的改善作用

劉 健，劉延波，蔣秀明，馬 營，宋學禮

(1.天津工業大學天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387;2.天津工業大學紡織學院，天津 300387;3.天津工業大學教育部先進紡織復合材料重點實驗室，天津 300387;4.浙江偉星實業發展股份有限公司，浙江 臺州 317025)

不完全齒輪橫動機構對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2，宋學禮4

(1.天津工業大學天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387;2.天津工業大學紡織學院，天津 300387;3.天津工業大學教育部先進紡織復合材料重點實驗室，天津 300387;4.浙江偉星實業發展股份有限公司，浙江 臺州 317025)

針對多針頭式靜電紡絲產品橫向均勻度較差的缺點，提出一種基于不完全齒輪齒條機構的新型線性模組結構。該結構能夠實現往復式線性運動，可實現紡絲頭的連續勻速橫動，運行平穩，簡單可靠，且不需要控制系統。機構由1個主動不完全齒輪和1個從動雙側齒條框組成，由于齒輪齒條傳動具有恒定傳動比的特性，使得主動不完全齒輪的連續單向轉動轉化成從動雙側齒條框的勻速往復直線運動。這種機構應用于多針頭靜電紡絲的實驗結果論證了其功能性、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%，縱橫向強力比也由2.15下降為1.03。

不完全齒輪;雙側齒條框;參數化設計;橫動;靜電紡絲

近年來，納米纖維在很多領域得到廣泛應用，靜電紡絲是一種簡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被認為是實現納米纖維膜的工業化生產的有效渠道［4］，長期以來受到業界的高度重視并得到了深入研究，在國內外少數企業已經實現了靜電紡絲膜的工業化生產。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在全球范圍的推廣與應用。

靜電紡絲膜橫向出現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侖斥力造成，而且由于電場的疊加造成各針頭電場強度的不均勻性，使得中間針頭的場強最弱、兩邊針頭的場強最強，出現嚴重的邊緣效應［5］。劉延波項目組通過對多針頭靜電紡絲過程中場強分布特性進行理論分析研究，提出了場強大小及分布均勻性的改進措施，并得到了實驗驗證［6］，為解決邊緣效應問題、提高靜電紡絲膜結構均勻性提出了一條切實可行的思路。

目前規模化生產納米纖維的靜電紡絲膜制造商，采用橫動機構使載有多個針頭的靜電紡絲頭沿橫向進行往復運動，來彌補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］。常用的往復橫動機構是利用四桿機構(如曲柄滑塊機構、偏心輪機構等)、凸輪導桿機構等，這些往復橫動機構利用單方向驅動力就可以實現，但該類機構很難保證勻速運動，并且在連桿尺寸計算或凸輪輪廓設計方面有難度，如果計算不正確可能會產生運動死點。除此之外，齒輪齒條機構、螺旋機構等也可以實現往復橫動，該類機構設計簡單、傳動穩定，但如果要求產生精確的往復運動行程，則需要準確控制電機正反轉，即需要有控制系統。

文獻［8］提出一種利用不完全圓柱齒輪及標準圓柱齒輪跟齒條嚙合的方法實現了連續往復直動，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個標準圓柱齒輪也同時嚙合，這樣對于尺寸設計、加工精度，特別是裝配過程都有較大難度。

針對上述問題，本文提出一種利用不完全齒輪齒條跟雙側齒條框嚙合的新型機構來實現連續勻速往復橫動，機械傳動過程簡單，不需要復雜的控制系統，利用設計過程非常簡單的C++Builder軟件對該橫動機構實現參數化設計，最后，將設計的橫動機構應用到多針頭靜電紡絲實驗中，檢驗靜電紡絲產品的橫向均勻效果。

1 往復橫動機構的設計

基于往復直線運動的單向行程要求確定不完全主動齒輪的齒數、雙側齒條框上下齒條的間距及齒條齒數，從而實現連續往復直線運動。

1.1 不完全主動齒輪齒數的確定

不完全主動齒輪齒數 z對應的分度圓弧長L(單位為mm)等于往復直線運動的單向行程d，因為L=pz=πmz，其中，p為齒距(單位為mm)，m 為齒輪模數，所以不完全主動齒輪的齒數滿足:

根據直線運動行程d及機構運動的穩定性選擇合適的模數m，在靜電紡絲設備小型樣機中，模數取2即可滿足要求。

1.2 不完全主動齒輪形狀參數的確定

主動齒輪的齒頂圓與從動齒條框的上側齒頂線交點為A和B，對應的圓心角為α，與從動齒條框的下側齒頂線交點為C和D，對應的圓心角也是α。主動齒輪的有齒形BC弧段對應的圓心角為β，由上面分析的傳動過程可以得出α+β=180°。不完全齒輪齒條運動情況，如圖1所示。

圖1 不完全齒輪齒條運動情況Fig.1 Movement of incomplete gear and rack mechanism

假設主動齒輪為完全齒輪，設其齒數為Z，則不完全主動齒輪齒數z對應的分度圓弧長L=×πmZ，由此可得

根據齒輪嚙合條件可知，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。

聯立式(1)、(3)，可得:

齒輪傳動中如果要穩定運動，則同時嚙合的齒數應至少有3個，所以若利用不完全齒輪在齒條框中間旋轉實現連續往復直線運動，則不完全齒輪的全齒數Z應大于等于(2z+6)。根據式(4)，利用C++Builder軟件編寫函數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f=1時，確定主動齒輪的全齒數Z，結合不完全齒輪的有效齒數z即可獲得不完全齒輪的整體輪廓。

1.3 雙側齒條框的參數設計

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

2 往復橫動機構在靜電紡絲中的應用

2.1 往復橫動機構的設計和加工

將本文提出的連續勻速往復橫動機構應用到多針頭靜電紡絲設備中，往復運動行程取L=130mm，模數m取2，利用編寫的軟件計算得不完全齒輪包含21個齒(全齒數為54個齒)，齒條框上下2個齒條齒根之間的間距D=110mm。

2.2 靜電紡絲實驗

2.2.1 紡絲實驗材料與裝置

聚乙烯醇(PVA，上海石油化學股份有限公司)，醇解度為99%，聚合度為1700，相對分子質量為74800;蒸餾水，自制。多針頭靜電紡絲裝置由實驗室自行搭建，圖2(a)示出無橫動機構的靜止式多針頭靜電紡絲裝置，圖2(b)示出有橫動機構的動態式多針頭靜電紡絲裝置。其中的紡絲頭橫動機構、旋轉接收滾筒由天津工業大學工程教學實習訓練中心加工制作，表1示出其他相關儀器型號和來源。

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 實驗儀器與設備列表Tab.1 Experimental instruments and equipment

2.2.2 紡絲實驗條件

根據已有研究結果［10］所得PVA靜電紡絲的最佳條件為:電壓32 kV，紡針內徑0.52mm，紡絲液質量分數 26%，纖維接收距離 12cm，喂液速率1.1 mL/h。

2.2.3 靜電紡絲測試

在最佳條件下利用無橫動機構和有橫動機構的6針頭靜電紡絲裝置采用旋轉滾筒連續紡絲、接收1 h，將得到的2種靜電紡絲膜用數碼相機進行拍照，并對靜電紡絲膜沿橫向的厚度(10個采樣點)分布進行測試分析，最后對2種靜電紡絲膜的縱橫向拉伸強力進行了測試。采用GB 13022—1991《塑料拉伸性能實驗方法》，利用Instron 3699型萬能材料強力機進行強力測試。采用ASTM D－1777《紡織品的厚度測試》，利用CHY-C2型薄膜測厚儀測試厚度。

2.3 結果與討論

2.3.1 結構形貌分析

采用無橫動機構和有橫動機構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 靜電紡絲膜照片對比Fig.3 Comparing of different electrospun membrane.(a)Without traverse mechanism;(b)With traverse mechanism

由圖3發現，采用橫動機構后，多針頭靜電紡絲產品的結構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構完全消失，表面光潔平整，具有塑料薄膜/涂層的感覺效果。

2.3.2 產品橫向厚度分析

采用無橫動機構和有橫動機構紡絲裝置分別制得靜電紡絲膜各3張，對其橫向10個位置進行厚度測試，根據測試的數據計算無橫動機構和有橫動機構制得的靜電紡絲膜橫向厚度的變異系數(CV值)，變異系數=(標準差/均值)×100%，計算結果如表2所示。

從計算結果可以看出，橫動機構將靜電紡絲膜橫向厚度的平均變異系數從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。

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

2.3.3 拉伸強力分析

采用無橫動機構和有橫動機構紡絲裝置分別制得靜電紡絲膜各3張，對其進行縱橫向拉伸強力測試，根據測試的數據計算無橫動機構和有橫動機構所制得的靜電紡絲膜縱橫向拉伸強力比，測試結果如表3所示。

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

從計算結果可以看出，由于橫動機構的存在，靜電紡絲膜平均縱橫向強力比由2.15降為1.03，其原因主要是，無橫動機構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生斷裂從而降低了橫向的拉伸強力。有橫動機構的設備，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力，使得靜電紡絲膜縱橫向的強力基本一致，提高了靜電紡絲膜的各向同性。

3 結論

本文針對多針頭靜電紡絲過程提出了基于不完全齒輪齒條機構的新型線性模組結構，所得靜電紡絲膜結構均勻，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機構時的32.2%降低到2.7%，靜電紡絲膜的均勻度可以達到相關領域產品的要求;靜電紡絲膜的縱橫向強力比也由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構的新型線性模組結構具有理論和實踐可行性，可為靜電紡絲技術的工業化實施提供理論和實驗參考。

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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

國家自然科學基金資助項目(51373121)

劉健(1985—)，男，講師，博士生。主要研究方向為CAD/CAM一體化技術、新型紡織機械設計。劉延波，通信作者，E-mail:yanboliu@gmail.com。