CN102590346A - 管材的环向取向度测试方法 - Google Patents

Abstract

管材的环向取向度的测试方法将无损检测手段应用于塑料管材生产领域。在加工过程中，塑料管材内部的高分子链在外力的作用下产生取向。取向后的管材，沿取向方向的超声波速度会发生变化。管材的环向取向度测试方法的特点在于：利用瑞利波探头测量管材沿环向传播的超声波速度，通过测得环向超声波速度和相同材料完全未取向时的超声波速度计算出管材的环向的取向度。本发明可以沿着环向方向测量超声波速度，从而更加简便的表征管材的环向取向度，克服了以往取向度测试样品制样苛刻、取向方向不明确、测试费用高等不足。本方法更适合表征塑料管材取向的平均水平，为塑料管材性能的表征提供了更为科学的依据，更利于简单、有效的实现在线检测。

Description

管材的环向取向度测试方法

技术领域

管材的环向取向度的测试方法属于塑料管材取向度检测领域。

背景技术

高分子材料通过取向加工使高分子链在产品中规则的排列，从而提高产品的整体性能。双轴取向PVC管材的加工就是利用这一原理，通过相应的扩张装置对PVC-U管材进行轴向的拉伸和环向的扩张。加工后的PVC管材，其产品性能和质量与管材的取向度密切相关。对于承受内压的薄壁管材，其环向的应力是轴向应力的二倍。管材的环向力学性能的好坏直接影响到管材的寿命。因此，环向的取向度的测试对于管材性能的研究就显得更加重要。然而，由于管材形状的特殊性，如何准确表征管材的环向取向，一直以来是困扰双轴取向塑料管材发展的主要难题之一。

目前，较为成熟的高分子材料取向度测试方法主要应用于纺丝、薄膜以及片材等。主要的方法有广角X射线衍射法(WAXS)、双折射法、红外二向色性法、声速法等。这些方法可以有效的应用于相关的工业产品的检测当中。与其他三种方法相比，声速法可以在不破坏被测件结构的前提下表征材料的平均取向性能，因此，更利于应用在塑料管材的取向度测试中。声速法的原理是，超声波沿着分子链方向的传播是依靠分子内键合原子的振动，传播速度较快；在垂直于分子链的方向，超声波的传播主要依靠非键合原子间的振动，速度较慢。因此，若测得超声波在取向方向的速度为v，在未取向方向的速度为v_未，那么，取向度可以由公式：

计算得出。这种传统的测试取向度的方法采用横波测试，只能沿直线测得取向纤维的超声波速度，对于管材的环向测试却无能为力。

目前，相关的研究利用红外二向色性法测得的管材取向度同管材径向方向的速度进行关联，从而得到管材的取向度。然而，该方法必须对样品进行切片测试，不利于在线检测，更重要的是，该方法所测得的取向度的取向方向并不明确。

瑞利波是由横波和纵波干涉而成，在深度方向上衰减较快，在垂直于深度的方向上衰减很慢。因此，瑞利波可适用于测量管材的环向的超声波速度。采用合理的瑞利波测试方法，可以更加直接、方便的测试管材的环向取向度。

发明内容

本发明的目的是解决双轴取向管材生产过程中环向取向度表征的困难。通过利用瑞利波换能器，测定超声波在环向方向上、一定圆心角所对应的弧长中的传播速度，进而计算得到管材在环向方向的取向度。为管材生产过程中的在线控制提供相应的依据，对产品质量进行评价。

本发明通过如下技术手段实现：

采用两个瑞利波探头，使用收发模式测量管材的超声波速度。其中，所使用的瑞利波探头的压电晶片的角度范围为45°-90°，中心频率范围为0.45-5.0Mhz

管材的环向取向度测试方法，其特征在于：

1)、测量取向的塑料管材的超声波速度；

采用两个瑞利波探头，将瑞利波探头按一定角度置于取向管材的同一环向截面内，并与管材外壁相切，探头1位置固定，探头2处于初始位置，测量此时超声波在取向管材中的传播时间；然后，将探头2以管材截面圆心为中心，以圆心与切点位置的连线为半径旋转一定角度；确保长度a和角度A不变——长度a为探头最前端至探头与管材切点的距离，角度A为切点处的切线与半径的夹角，等于90°；测量旋转一定角度后超声波在管材中的传播时间；将旋转的角度n和管材半径R以及壁厚s代入弧长公式L＝nπR/180，则有效传播距离为L＝nπ(2R-s)/360，确定超声波在取向管材中的有效传播距离；通过两次测量结果的时间差确定超声波传播在有效传播距离中传播的时间；由此，计算出超声波在取向管材中沿环向的传播速度V；

2)、测量与被测取向管材材料相同的完全未取向管材的超声波速度

将瑞利波探头按一定角度置于完全未取向管材的同一环向截面内，并与管材外壁相切，探头1位置固定，探头2处于初始位置，测量此时超声波在完全未取向管材中的传播时间；然后，将探头2以管材截面圆心为中心，以圆心与切点位置的连线为半径旋转一定角度；确保长度a和角度A不变——长度a为探头最前端至探头与管材切点的距离，角度A为切点处的切线与半径的夹角，等于90°；测量旋转一定角度后超声波在完全未取向管材中的传播时间；将旋转的角度n和管材半径R以及壁厚s代入弧长公式L＝nπR/180，则有效传播距离为L＝nπ(2R-s)/360，确定超声波在取向管材中的有效传播距离；通过两次测量结果的时间差确定超声波传播在有效传播距离中传播的时间；由此，计算出超声波在完全未取向管材中沿环向的传播速度V_未；

3)、根据以下取向度公式计算取向管材的环向取向度F

将计算得到的取向管材的超声波速度与完全未取向管材的超声波速度代入公式(1)，计算出管材的环向取向度。

本发明与传统的管材取向度的测试方法具有下列明显的优势：

传统的方法需要对管材进行切片测定，且制样苛刻，测试费用高，所得到取向度方向不明确，且测试手段受人为因素的影响较大，只能应用于离线测定。本发明使用瑞利波换能器直接测量管材的环向的超声波速度，因此可应用于在线生产检测，达到对产品的生产进行控制的目的。测试结果更为科学准确、更有利于在管材的生产过程中实现自动化和智能化，提高生产效率，为产品的性能评价提供准确的参考依据。解决了管材取向方向取向度测试困难的难题。

附图说明

图1.管材的环向测试示意图

图2：可旋转探头两次测量时的方位角及位置

图3：传统管材取向度测试方式示意图

具体实施方式

管材的环向取向度测试方法主要包括如下实施步骤：

1)探头初始位置夹角角度适中即可，约为10°，不影响结果。设定旋转角度、测定管材外径、壁厚。

2)测试取向管材的环向超声波速度。

3)测试与被测管材材料相同的完全未取向管材的环向超声波速度。

4)按照超声波取向度公式(1)计算得到管材的环向取向度。

实际操作过程及结果如下：

一、选取外径为90mm、壁厚为4mm的取向PVC管材，完全未扩张前PVC管材的外径为50mm、壁厚为8mm，探头的旋转角度为5°。

二、测试外径为90mm、壁厚为4mm的取向PVC管材的超声波速度

1)测试探头2处于初始位置时，外径为90mm取向管材的超声波飞跃时间(TOF)。每个位置测试三次，取平均值。如表1所示：

	第一次测试	第二次测试	第三次测试	平均值
					TOF/微秒	4.070307	4.069844	4.069264	4.06981

表1.90mm外径取向管材在初始位置时的飞跃时间TOF

2)将探头2旋转5°，确保长度a和角度A不变，测量此时的飞跃时间(TOF)。每次个位置测试三次，取平均值。如表2所示：

	第一次测试	第二次测试	第三次测试	平均值
					TOF/微秒	5.85778	5.858907	5.85901	5.85857

表2.旋转5°后，90mm取向管材的飞跃时间TOF3)计算2次测试的飞跃时间差为：

T₉₀＝5.85857-4.06981＝1.78876(微秒)

4)管材的外径为90mm、壁厚为4mm，则有效测试距离L₉₀，以及超声波速度V₉₀分别为

L₉₀＝nπ(2R-s)/360，V₉₀＝L₉₀/T₉₀

则，计算得到的90mm管材的环向的超声波速度V₉₀＝2096.73414m/s

三、测试外径为50mm、壁厚为8mm的未取向PVC管材的超声波速度

1)测试探头2处于初始位置时，外径为50mm未取向管材的超声波飞跃时间(TOF)。每个位置测试三次，取平均值。如表3所示：

	第一次测试	第二次测试	第三次测试	平均值
					TOF/微秒	3.083494	3.093983	3.101937	3.09314

表3.50mm未取向管材在初始位置时的飞跃时间TOF

2)将探头2旋转5°，确保长度a和角度A不变，测量此时的飞跃时间(TOF)。每个位置测试三次，取平均值。如表4所示：

	第一次测试	第二次测试	第三次测试	平均值
					TOF/微秒	4.016367	4.000283	4.002386	4.00635

表4.旋转5°后，50mm未取向管材的飞跃时间TOF

3)计算2次测试的飞跃时间差为

T_未＝4.00635-3.09314＝0.91321(微秒)

4)管材的外径为50mm、壁厚为8mm，则有效测试距离L_未，以及超声波速度V_未分别为

L_未＝nπ(2R-s)/360，V_未＝L_未/T_未

则，计算得到的50mm未取向管材的环向的超声波速度V_未＝2005.75116m/s.

四、按照超声波取向度公式(1)，计算得到管材的环向取向度

根据取向度公式，取向度为

Claims (1)

1.管材的环向取向度测试方法，其特征在于：

1)、测量取向的塑料管材的超声波速度；

采用两个瑞利波探头，将瑞利波探头按一定角度置于取向管材的同一环向截面内，并与管材外壁相切，探头1位置固定，探头2处于初始位置，测量此时超声波在取向管材中的传播时间；然后，将探头2以管材截面圆心为中心，以圆心与切点位置的连线为半径旋转一定角度；确保长度a和角度A不变——长度a为探头最前端至探头与管材切点的距离，角度A为切点处的切线与半径的夹角，等于90°；测量旋转一定角度后超声波在管材中的传播时间；将旋转的角度n和管材半径R以及壁厚s代入弧长公式L＝nπR/180，则有效传播距离为L＝nπ(2R-s)/360，确定超声波在取向管材中的有效传播距离；通过两次测量结果的时间差确定超声波传播在有效传播距离中传播的时间；由此，计算出超声波在取向管材中沿环向的传播速度V；

2)、测量与被测取向管材材料相同的完全未取向管材的超声波速度

将瑞利波探头按一定角度置于完全未取向管材的同一环向截面内，并与管材外壁相切，探头1位置固定，探头2处于初始位置，测量此时超声波在完全未取向管材中的传播时间；然后，将探头2以管材截面圆心为中心，以圆心与切点位置的连线为半径旋转一定角度；确保长度a和角度A不变——长度a为探头最前端至探头与管材切点的距离，角度A为切点处的切线与半径的夹角，等于90°；测量旋转一定角度后超声波在完全未取向管材中的传播时间；将旋转的角度n和管材半径R以及壁厚s代入弧长公式L＝nπR/180，则有效传播距离为L＝nπ(2R-s)/360，确定超声波在取向管材中的有效传播距离；通过两次测量结果的时间差确定超声波传播在有效传播距离中传播的时间；由此，计算出超声波在完全未取向管材中沿环向的传播速度V_未；

3)、根据以下取向度公式计算取向管材的环向取向度F

将计算得到的取向管材的超声波速度与完全未取向管材的超声波速度代入公式(1)，计算出管材的环向取向度。

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