CN101149369B - 一种聚合物压力-比容-温度关系间接测试方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种聚合物压力-比容-温度关系间接测试方法及装置，采用了由传压介质水银、密封液、样品室、压力容器、加压系统、加热冷却系统、压力传感器、位移传感器、热电偶和数据处理系统组成的测试装置。此方法利用水银同密封液不会互溶的性质，可以简单、巧妙的排除聚合物P-V-T测试方法间接法中水银有毒性、易挥发等不利因素；同时应用了它能够使内部达到较高真空度，使试样受力均匀，压缩系数小，传递压力直接，计量精度高的一系列优点；也排除了需要借助真空排出空气的难题。可以用测试得到的聚合物压力-比容-温度关系来指导制定聚合物制品的注塑成型工艺参数或用于制品的模具设计和CAE分析。

Description

一种聚合物压力-比容-温度关系间接测试方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种聚合物压力(P)、比容(V)、温度(T)关系间接测试方法及装置，属于材料测试技术领域。

背景技术

压力、温度、时间是影响聚合物注塑成型工艺的主要因素。在聚合物原材料、模具结构一定的情况下，注塑成型工艺参数对制品质量有直接影响。聚合物的压力、比容、温度关系，即P-V-T之间的关系为注射模塑过程的参数的设置以及分析制品加工中产生翘曲、收缩、气泡疵点等缺陷的原因提供依据。

聚合物P-V-T测试仪是一种用于测定聚合物比容与压力、比容与温度的函数关系的仪器。比容与压力及比容与温度的函数关系是通过P-V-T曲线图反映的，从聚合物的P-V-T曲线图可获得直观的聚合物的密度、比容、压缩性、体积膨胀系数及状态方程等方面的信息。目前聚合物P-V-T参数测试技术有直接加压和间接加压两种测试方法，例如：德国SWO公司的Piston-cylinder技术和Gnomix公司的Confining fluid技术，可分别归结为直接加压和间接加压两种测试方法。钱汉英等人在“聚合物PVT关系测定技术”(中国塑料，1996，10(2)：63)中报道，这两种方法之区别在于仪器加压活塞是否直接与聚合物试样接触。

直接测试法就是在测试时，聚合物样品放入样品室中，并在其上下各放一密封垫，密封后通过柱塞直接对其进行加压。一般在直接法测定中，试样体积测定仪仅需测定位移高度，测定方法简单，但被测试样的半径面积存在温度梯度，而且要实现可靠的密封防止泄露，柱塞和炉体的间隙必须很小，密封的加工精度也要求很高。

间接测试法中，在活塞筒内充入液体介质，试样浮于液体中，活塞通过传压介质对聚合物试样间接进行加压或加热、冷却。此方法的最大优点是由于采用的传压介质处于静压状态下，可使筒体内部达到较高的真空度，而且可以使试样受力均匀。通常采用的传压介质是水银，采用水银的优点在于它和待分析流体之间的物理化学作用小，压缩系数小，传递压力直接，计量精度高等。但是缺点在于测定存在液体的毒性、渗透及所测定密度为相对值，被测试样的体积变化是通过对液体体积变化的测量分析获得的等问题。此外使用水银介质测定过程中，还需借助真空排出介质中可能存在的空气。

在当今CAD/CAE/CAM技术飞速发展的时代，聚合物的P-V-T数据愈能真实反映加工过程中聚合物的实际情况，计算机模拟的结果才会愈准确。分析两种测试方法直接加压法和间接加压法的优缺点，可知目前许多国外公司选用直接法的原因无非是在于水银的毒性和难以处理的问题。相比较之下，间接法对结果的准确性大于直接法，而只要能够解决水银毒性、挥发性这一难点问题就可以实现一种最佳的测试方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以用于测试聚合物压力-比容-温度关系的方法及装置，本发明能够解决测试介质水银有毒、易挥发问题，仍采用柱塞式加压，得到一种简单而有效的聚合物P-V-T参数间接测试方法。

本发明测试聚合物压力-比容-温度关系的间接测试方法的技术方案采用了由传压介质水银、密封液、样品室、压力容器、加压系统、加热冷却系统、压力传感器、位移传感器、热电偶和数据处理系统组成的测试装置。样品由上下两个柱塞密封在样品腔中，加压系统通过柱塞对传压介质及样品进行加压，样品腔内的压力由其内部的压力传感器测定，体积的变化通过位移传感器测出柱塞的位移计算得到，样品腔内的温度由压力容器内部的热电偶测定并通过加热冷却系统进行控制，数据处理系统对测得的数据进行处理，可测得比容变化相对温度或压力的对应关系。

本聚合物P-V-T参数间接测试法的原理是在传压介质水银上附一层密封液体，密度比水银轻、没有毒性且不易挥发。操作步骤是：

(1)测试前，被测样品通常是颗粒状，先将其进行处理，加热熔融排除出气泡，最后冷却成一球状或圆柱状固体；

(2)开始测试时，先将处理过的被测样品放入样品室，将样品室密封，样品室上腔有一小的引出孔同外界相通，样品室下腔有传压介质水银，在传压介质水银上附一层密封液，密度比水银轻、没有毒性且不易挥发；

(3)驱动下柱塞上移，由于压力作用，样品室下腔的附有一层密封液的水银上移，并浸没被测样品，被测样品由上下隔料片封在中间，不会因浮力作用而随液体上浮，密封液密度小，一直保持在水银上层，最后通过引出孔连同一部分水银被挤出样品室，将引出孔关闭，此时，传压介质水银完全将被测样品包裹在样品室中了；

(4)根据测试过程设置参数，通过加压系统驱动柱塞进行加压，利用加热器对压力容器进行加热，通过冷却系统对压力容器进行冷却，通过压力传感器、热电偶和位移传感器适时采集被测聚合物的压力、温度和位移数据，利用数据处理系统将位移数据进行换算得到比容数据；

(5)测试实验结束后，控制压力、温度恢复初始值，再将引出孔打开，下柱塞下移，水银及密封液一起下移，回复原位，打开样品室，将被测样品取出；

(6)再单独对传压介质水银作一次测试，将得到的结果同放入被测样品得到的结果作一个差值，消除比容相对值，汇总得到被测样品的压力、比容、温度数据。

如此，实验从起始到结束，都能够保持水银不与外界空气接触；并且不必通过抽真空排除气体这样复杂而不易实现的操作过程。

本发明方法，测试聚合物压力-比容-温度关系的测试过程为等压降温-升压、等压降温-降压、等压升温-升压、等压升温-降压、等温升压-降温、等温升压-升温、等温降压-降温、等温降压-升温。

本发明的测试装置由传压介质水银、密封液、样品室、压力容器、加压系统、加热冷却系统、压力传感器、位移传感器、热电偶和数据处理系统组成。其特征是：样品室由两个腔组成，下腔给传压介质水银连同密封水银用的液体留有足够的储存空间；在上腔的一侧钻一小的引出孔，外侧接一引出管，出口由一开关阀控制；在上腔和下腔的阶梯处焊一薄的隔料片，片上开满小孔，作用是载住被测样品，并能使液体通过；样品室上下由两个柱塞密封，柱塞端部都有密封措施；下柱塞由加压系统驱动在样品室下腔内作上下直线运动，下柱塞设置有位移传感器，上柱塞端部装有压力传感器；压力容器筒壁设置有热电偶，并开有冷却水道，外边由加热器包裹。

本发明水银的密封液要求不会同水银互溶，密度比水银小。可以选水。首先，水同水银不会互溶，是密封水银的常用液体；其次，水的粘性很低，不会附着在筒体内壁或被测试样的表面。但对于实验时排出在外的那小部分水银和水要与测试容器隔离，以免水在测试温度高时蒸发；或在排出的水和小部分水银的储存部分采取冷却措施。

此方法利用水银同密封液不会互溶的性质，可以简单、巧妙的排除聚合物P-V-T测试方法间接法中水银有毒性、易挥发等不利因素，同时应用了它能够使内部达到较高真空度，使试样受力均匀，压缩系数小，传递压力直接，计量精度高的一系列优点。也排除了需要借助真空排出空气的难题。

附图说明

图1是本发明聚合物压力-比容-温度关系间接测试装置测量部分剖面图。

图中：1.下柱塞，2.下柱塞密封，3.压力容器，4.冷却水道，5.下隔料片，6.被测样品，7.上隔料片，8.上柱塞密封，9.压力传感器，10.上柱塞，11.引出管，12.开关阀，13.引出孔，14.热电偶，15.加热器，16.密封液，17.水银。

具体实施方式

本发明的测试装置如图1所示，由传压介质水银17、密封液16、样品室、压力容器3、加压系统、加热冷却系统、压力传感器9、位移传感器、热电偶14和数据处理系统组成。压力容器3内部是样品室，样品室由两个腔组成。下腔给传压介质水银17连同密封水银用的密封液16留有足够的储存空间。在上腔的一侧钻一引出孔13，外侧接引出管11，引出孔13的开闭由一开关阀12控制。在上腔和下腔的阶梯处焊一薄的隔料片为下隔料片5，片上开满小孔，作用是载住被测样品，并能使液体通过；将样品放入后，还要一上隔料片7，也开满小孔，直径大于上腔的内径，作用是利用弹力将被测样品6限定在腔体中心，防止传压介质水银上移时由于水银的浮力使其浮起并附着在上柱塞10塞头表面。样品室上下由两个柱塞密封。柱塞端部都有密封措施。下柱塞1由加压系统驱动在样品室下腔内作上下直线运动，下柱塞1设置有位移传感器，上柱塞10端部装有压力传感器9。压力容器3筒壁内部设置有热电偶14，并开有冷却水道4，外边由加热器15包裹。冷却水道4外接控温冷却水，用加热器15和冷却水道4中的冷却水来控制压力容器3的温度。

测试前的初始状态是，下柱塞1在最低点即初始位置，下腔中充有传压介质水银17和少量密封液16，水平面位于隔料板以下。测试前，被测样品通常是颗粒状，先将其进行处理，加热熔融排除出气泡，最后冷却成一球状或圆柱状固体。测试时，先使上柱塞10移出腔体，以便将处理过的被测样品6从上腔口放入样品室，被测样品6即处在下隔料片5上。再将上隔料片7塞入上腔，压住被测样品6。然后上柱塞10下移入上腔中，使上柱塞10的塞头面同引出孔13轴线在同一平面上，以便液体通过并引入引出管11时不会有气泡被封在腔体内部，此位置作为上柱塞10的上限位置。接着，下柱塞1开始上移，将密封液16和水银17上推达上柱塞10塞头处的引出孔13，继续将密封用的全部密封液层和少量水银压出腔体后，下柱塞1停在其上限位置。然后，开关阀12将引出孔13关闭，这样，整个样品室内完全充满了水银，被测样品6完全由传压介质水银17包裹在其中了。根据测试过程设置参数，通过加压系统驱动下柱塞1对水银及样品进行加压，利用加热器15对压力容器3进行加热，通过冷却系统对压力容器3进行冷却，通过压力传感器9、热电偶14和位移传感器适时采集被测聚合物的压力、温度和位移数据。将位移值进行换算，得到相应的比容。即得到被测聚合物的压力-比容-温度关系。测试实验结束后，控制压力、温度恢复初始值，再将引出孔13打开，下柱塞1下移，水银17及密封液16一起下移，回复原位；打开样品室，将被测样品6取出。由于传压介质水银的存在，测得的聚合物比容值是相对值，因此还需要不放入被测样品单独对传压介质水银作一次测试，将得到的结果同放入被测样品得到的结果作一个差值就得到了实际的比容结果。

本发明的方法是在由传压介质水银包裹的聚合物密封在样品室后，测试样品室中聚合物的压力、温度、位移参数，能够适时的收集到压力、温度、位移的数据，得到压力、温度、比容的变化情况。将所测得的数据记录完毕，对数据进行处理，绘制聚合物的P-V-T关系曲线图；或将传感器通过AD/DA转换器同计算机连接，利用计算机处理数据，再通过软件编程，生成聚合物的P-V-T关系曲线图。根据得出的聚合物P-V-T曲线图，以此可以直观的了解聚合物的密度、比容、压缩性、体积膨胀系数及状态方程等方面的信息。可以以其验证所研究的高分子热力学模型及状态方程等的准确性，同时可以用测得的数据计算其它的相关性能参数，建立数据库，以指导像Moldflow/Mold等CAE软件的计算机模拟，最终实现指导制定注塑成型工艺，减少制品的成型缺陷，提高制品质量。

本发明提供的聚合物P-V-T参数测试方法，具有以下优点：

(1)利用水银同密封液不互溶的性质，可以简单、巧妙的排除聚合物P-V-T测试方法间接法中水银有毒性、易挥发等不利因素；

(2)应用了水银能够使内部达到较高真空度，使试样受力均匀，压缩系数小，传递压力直接，计量精度高的一系列优点；

(3)排除了需要借助真空排出空气的难题。

本发明的测试方法及装置可以实现对聚合物的压力、体积、温度参数进行等压降温-升压、等压降温-降压、等压升温-升压、等压升温-降压、等温升压-降温、等温升压-升温、等温降压-降温、等温降压-升温等多种不同的测试过程，得到相应的聚合物P-V-T参数曲线图。

以等压降温-升压测试过程为例子对测试过程进行说明，在被测样品由传压介质水银包裹而引出孔关闭后，开始对被测聚合物的P-V-T参数的测定，按等压降温-升压测试过程的温度与位移的变化，根据测试过程设置参数，通过加压系统驱动下柱塞进行加压，利用测试装置的加热器对压力容器进行加热，通过压力传感器、热电偶和位移传感器适时采集被测聚合物的压力、温度和位移数据。初始压力设为0MPa，通过热电偶和位移传感器适时测得恒定压力在0MPa下温度和位移的数值，每次温度降低值设为定值，记录一次位移值，将位移值进行换算，得到相应的比容。根据需要，通常初始温度最高可设置为400℃，每次温度降低值可设为20℃，最后得到一条恒定压力在0MPa的温度与比容的关系曲线。然后可以再升高恒定压力到下一个设定值，即测得到一组不同恒定压力下温度和位移的数值。一般最高压力可设置为200MPa，每次压力升高值可设为40MPa。测试结束，再单独对传压介质水银作一次测试，将得到的结果同放入被测样品得到的结果作一个差值，消除比容相对值，汇总这一组曲线，即最终得到被测聚合物的P-V-T关系曲线图。

上述测试过程称为等压降温-升压的测试过程，该等压降温-升压过程与制品加工过程的工艺过程相一致。得到的测试P-V-T关系最为符合注塑机实际注塑成型工艺条件，因此所得到的数据是最能反映聚合物在成型过程中P-V-T的变化。

可以根据需要对上述测试过程进行改变，就可以进行等压降温-降压。例如按照下述操作：初始压力设为200MPa，通过热电偶和位移传感器适时测得恒定压力在200MPa下温度和位移的数值，每次温度降值设为定值，记录一次位移值，将位移值进行换算，得到相应的比容。根据需要，通常初始温度最高可设置为400℃，每次温度降低值可设为20℃，最后得到一条恒定压力在200MPa的温度与比容的关系曲线。然后可以再降低恒定压力到下一个设定值，即测得到一组不同恒定压力下温度和位移的数值。每次压力降低值可设为40MPa。测试结束，再单独对传压介质水银作一次测试，将得到的结果同放入被测样品得到的结果作一个差值，汇总得到的一组曲线，即最终得到被测聚合物的P-V-T关系曲线图。以此类推，还可得到等压升温-升压、等压升温-降压、等温升压-降温、等温升压-升温、等温降压-降温、等温降压-升温等过程的被测聚合物的P-V-T关系曲线图。

Claims (4)

1.一种聚合物压力、比容、温度关系间接测试方法，其特征在于：采用了由传压介质水银、密封液、样品室、压力容器、加压系统、加热冷却系统、压力传感器、位移传感器、热电偶、控制和计算系统组成的测试装置；测试方法的操作步骤是：

(1)测试前，被测样品是颗粒状，先将其进行处理，加热熔融排除出气泡，最后冷却成一球状或圆柱状固体；

(2)开始测试时，先将处理过的被测样品放入样品室，将样品室密封，样品室上腔有一小的引出孔同外界相通，样品室下腔有传压介质水银，在传压介质水银上附一层密封液，密度比水银轻、没有毒性且不易挥发；

(3)加压系统驱动下柱塞上移，由于压力作用，样品室下腔的附有一层密封液的水银上移，并浸没被测样品，被测样品由上下隔料片封在中间，不会因浮力作用而随液体上浮，密封液密度小，一直保持在水银上层，最后通过引出孔连同一部分水银被挤出样品室，然后将引出孔关闭，此时，传压介质水银完全将被测样品包裹在样品室中了；

(4)根据测试过程设置参数，通过加压系统驱动柱塞进行加压，利用加热器对压力容器进行加热，通过冷却系统对压力容器进行冷却，通过压力传感器、热电偶和位移传感器适时采集被测聚合物的压力、温度和位移数据，利用数据处理系统将位移数据进行换算得到比容数据；

(5)测试实验结束后，控制压力、温度恢复初始值，再将引出孔打开，下柱塞下移，水银及密封液一起下移，回复原位，打开样品室，将被测样品取出；

(6)再单独对传压介质水银作一次测试，将得到的结果同放入被测样品得到的结果作一个差值，消除比容相对值，汇总得到被测样品的压力、比容、温度数据。

2.根据权利要求1所述的聚合物压力、比容、温度关系间接测试方法，其特征在于：聚合物压力-比容-温度关系的测试过程为等压降温-升压、等压降温-降压、等压升温-升压、等压升温-降压、等温升压-降温、等温升压-升温等温降压-降温、等温降压-升温。

3.用于权利要求1所述的聚合物压力、比容、温度关系间接测试方法的测试装置，其特征在于：测试装置由传压介质水银、密封液、样品室、压力容器、加压系统、加热冷却系统、压力传感器、位移传感器、热电偶和数据处理系统组成；样品室由两个腔组成，传压介质水银连同密封液储存在下腔中，下腔给其留有足够的储存空间，在上腔的一侧钻一小的引出孔，外侧接一引出管，出口由一开关阀控制；在上腔和下腔的阶梯处焊一薄的隔料片，片上开满小孔；样品室上下由两个柱塞密封，柱塞端部都有密封措施；下柱塞由加压系统驱动在样品室下腔内作上下直线运动，下柱塞设置有位移传感器，上柱塞端部装有压力传感器；压力容器筒壁设置有热电偶，并开有冷却水道，外边由加热器包裹。

4.根据权利要求1所述的聚合物压力、比容、温度关系间接测试方法，其特征在于：传压介质水银的密封液要求不会同水银互溶，密度比水银小；但对于实验时排出在外的那小部分水银和密封液要与测试容器隔离，或对排出的密封液和小部分水银的储存部分冷却。

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