CN102830132A - 基于应力监控的纤维/聚合物界面剪切结晶在线检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于应力监控的纤维/聚合物界面剪切结晶在线检测仪，在半结晶性聚合物熔体中牵引纤维，并在线监控界面应力和界面结晶过程，得到牵引速率、界面剪切应力、界面结晶形貌以及多晶态的关系的检测仪。本发明具有集成化程度高、位移精度高、可以实时监控界面剪切应力和界面结晶形貌等特点。牵引速度控制精确稳定，并通过测力传感器测得界面剪切应力，以及通过偏光显微镜实时记录界面结晶形貌的变化，同时，通过计算机采集数据、图像并处理。将牵引纤维所引入的界面剪切应力与相应的结晶形貌进行对照，定量的深入研究剪切诱导聚合物结晶。

Description

基于应力监控的纤维/聚合物界面剪切结晶在线检测仪

 

技术领域

本发明涉及一种在半结晶性聚合物熔体中牵引纤维，并在线监控界面应力和界面结晶过程，得到牵引速率、界面剪切应力、界面结晶形貌以及多晶态的关系的检测仪。

背景技术

复合材料的力学性能由基体、增强相以及界面相共同决定，其中界面相对材料整体力学性能有至关重要的影响。对半结晶性聚合物基复合材料而言，界面结晶行为对材料力学性能的提高有着非常重要的影响。任何聚合物材料必须经过成型加工才能变成有使用价值的制品，成型加工过程中的剪切应力影响了聚合物的结晶结构和结晶形态，并对纤维增强复合材料的性能产生着重要的影响。因此，控制其所经历的剪切作用以控制界面形态，是提高半晶性聚合物基复合材料力学性能的重要途径，也是材料科学与工程的研究和应用领域的重要课题之一。

在聚合物熔体中牵引纤维而引入的剪切应力对界面结晶具有显著的影响，它不仅能改变其界面结晶形貌，而且可以促进其结晶动力学。更重要的是，特定的界面结晶形貌必然会影响复合材料的界面性能，进而影响其整体性能。同时，类似的剪切诱导界面结晶在聚合物成型加工过程中也广泛存在。因此，以单纤维/聚合物复合材料为模型，通过在熔体中牵引纤维来研究剪切诱导半晶聚合物的界面结晶行为，在工程实践上能实现提高复合材料力学性能的目的，在理论上还有助于理解聚合物成型加工工艺-结构-性能的关系，兼具了工程和理论意义。

目前，在实验室中，纤维在熔体中牵引装置是一种研究剪切诱导聚合物基复合材料界面结晶的模型化实验仪器。实验结果已经证明，很多半晶聚合物能够通过控制纤维牵引实验条件而得到期望的界面结晶形态，这也为通过牵引纤维来研究界面剪切应力与界面结晶形貌之间的关系提供了理论和实验基础。此类设备的实验操作如下：首先热压制备一定厚度的聚合物薄膜，然后将三明治状（单根纤维夹在两片薄膜之间）的试样放在一热台上加热到平衡熔点以上并保持一段时间以消除热历史，再降温到一定温度牵引纤维来施加剪切作用，然后降温到结晶温度进行等温结晶，借助偏光显微镜在线观察结晶形貌的变化。最后，研究者结合纤维牵引条件来研究其对界面结晶的影响。但是，这种方法有很多的缺陷，最重要的是，虽然研究者都认为牵引纤维首先影响了剪切诱导结晶的本质因素，即界面剪切作用，进而影响其界面结晶，但却仅仅尝试建立牵引速率（或牵引时间）和界面结晶的关系，对于界面剪切作用如何影响界面结晶的定量描述却力不从心，在无法回避时只能采用简易的热力学模型来进行大致说明；同时，纤维的牵引速度不能精确控制，例如，以往此类设备中常手动牵引纤维，或者采用悬挂砝码的方法（松开砝码后砝码由于重力作用而下降，从而带动纤维运动）；此外，以往此类装备中常采用单一热台控温，需要较长的时间才能从消除热历史温度降低到等温结晶温度，长时间的降温不符合严格意义上的等温结晶。

发明内容

本发明的目的是提供一种在半结晶性聚合物熔体中牵引纤维，并在线监控界面剪切应力和界面结晶过程的实验工具，具体涉及到不同牵引速率和不同牵引温度下，监控纤维与聚合物界面剪切应力的变化，并监控界面结晶过程，以最终得到牵引速率、界面剪切应力、界面结晶形貌以及多晶态的关系。

技术方案：一种基于应力监控的纤维/聚合物界面剪切结晶在线检测仪，包括可控牵引机构，测力传感器，双温热台，偏光显微镜，控制箱，计算机。由双温热台控制样品温度，可控牵引机构牵引纤维施加剪切作用，测力传感器检测牵引过程中纤维和聚合物熔体的相互作用力，传输给控制箱和并由计算机处理，偏光显微镜观察结晶形貌的变化，结合计算得到的界面剪切应力和结晶形貌，定量的研究两者之间的关系。

其中，在可控牵引机构的上安装有测力传感器，监控纤维在聚合物熔体中牵引时的界面剪切应力，测力传感器前端设置有纤维固定装置，可将被牵引纤维的一端固定（纤维被包裹在聚合物熔体中，另一端自由）；双温热台内并列设置两个热台，每个热台内设置热电偶和温度感应器，以实现从消除热历史温度到结晶温度的快速转换，两热台之间用聚四氟乙烯作为绝热材料限制散热；热台中心设置透光孔；双温热台可放在偏光显微镜的载物台上与其配合使用；在双温热台内部设置有可移动的滑板，滑板位于热台上侧，滑板内嵌装有样品池（滑板上有一孔与样品池外缘配合），位于样品池内的聚合物熔体中的纤维从双温热台被引出后固定在纤维固定装置上；所述可控牵引机构的中的步进电机、双温热台和测力传感器通过接线与控制箱输出端连接，控制箱与计算机端口连接，偏光显微镜直接与计算机连接。

由所述可控牵引机构对聚合物熔体施加可控的剪切作用，可控牵引机构包括步进电机，导向装置和同步连接块，所述步进电机的转轴上安装有行星减速器，该行星减速器的输出端上通过联轴器连接一个传动丝杠，该传动丝杠与同步连接块的一端螺纹连接；在同步连接块的另一端设置有导向装置。

所述导向装置内设置有导向槽，所述导向杆与导向槽配合滑动。

在双温热台内部的滑板一侧设置有拉杆，该拉杆的一端从壳体末端伸出；在壳体一侧设置有能使拉杆固定的锁紧螺母，拧紧锁紧螺母后可使样品池位置固定。

双温热台的壳体与可控伸缩机构相邻的侧壁上设置有能使纤维穿过的小孔，可使纤维一端被引出连接于纤维固定装置。

在两个热台之间和周围，用聚四氟乙烯作为绝热材料。

有益效果：1、本发明具有集成化程度高、位移精度高、可以实时监控界面剪切应力和界面结晶形貌等特点。牵引速度控制精确稳定，并通过测力传感器测得界面剪切应力，以及通过偏光显微镜实时记录界面结晶形貌的变化，同时，由计算机采集数据、图像并处理。将牵引纤维所引入的界面剪切应力与相应的结晶形貌进行对照，定量的深入研究剪切诱导聚合物结晶。

2、设计了结构紧凑的纤维熔体牵引装置，采用高精度步进电机控制牵引速度和位移，可精确控制牵引速度和牵引位移，提高了所施加界面剪切作用的可控性。

3、在纤维牵引装置上集成了测力传感器，实时测量出纤维在牵引过程中与聚合物熔体的相互作用力，计算得到剪切应力，使定量研究界面剪切对聚合物结晶的作用成为可能。

4、采用双温热台，实现了从消除热历史温度到等温结晶温度的快速转换，使聚合物结晶过程更严格的接近等温结晶。

附图说明

图l是本发明在线检测仪的结构示意图；

图2是实施例1的实验1所获得的拉力-时间曲线图；

图3是由图2所示曲线计算得到的界面剪切应力-时间曲线图；

图4是图3中在以150 μm/s牵引纤维过程中，iPP熔体在界面处成核随剪切应力演化图；

图5是图2实验条件下，样品等温结晶30分钟时的结晶形貌图；

图6是图5中d图条件下继续结晶到55分钟后，加热到158 ^oC的熔融实验图；

图7是实施例1的实验2所获得的拉力-时间曲线图；

图8是由图7所示曲线计算得到的界面剪切应力-时间曲线图。

图9是图7所述实验条件下，样品等温结晶30分钟时的结晶形貌图。

图中标号1为步进电机，2为行星减速器，3为传动丝杠，4为同步连接块，5为导向装置，6为测力传感器，7为纤维固定装置，8为双热台的壳体，9为绝热材料，10为样品池，11为拉杆，12为试验用热台，13为预处理用热台，14为偏光显微镜，15为控制箱，16为计算机，17为滑板，18为锁紧螺母，19为导向杆，20为透光孔。

具体实施方式

实施例一：纤维/聚合物复合材料界面剪切诱导结晶在线检测仪，包括双温热台，可控牵引机构，测力传感器，偏光显微镜，控制箱，计算机等。由双温热台控制样品温度，可控牵引机构牵引纤维施加剪切作用，测力传感器检测牵引过程中纤维和聚合物熔体的相互作用力，传输给控制箱和并由计算机处理，偏光显微镜观察结晶形貌的变化。

下面对主要部件进行详细介绍。

参见图1，该在线检测仪包括可控牵引机构，双温热台8，偏光显微镜14，控制箱15（为热台、步进电机以及传感器的集成控制装置），计算机16（由基于LabVIEW的控制软件给控制箱15下达指令继而控制步进电机1和测力传感器6）。

所述可控牵引机构包括步进电机1（转速为0~1500 r/min），导向装置5和同步连接块4。其中步进电机1的转轴上安装有行星减速器2（减速比为1：27），该行星减速器2的输出端上通过联轴器（图中略去）连接一个传动丝杠3 （螺距为1 mm），所述同步连接块4的一端内侧安装有传动螺母19，与所述传动丝杠3配合安装，将旋转运动转化同步连接块4的直线运动。当选择步进电机在1 r/min的匀速转动时，纤维固定装置做出0.62 mm/s的匀速轴向运动，当选择步进电机在1500 r/min的匀速转动时，纤维固定装置做出925.93 mm/s的匀速轴向运动。

在同步连接块的另一端固定有导向装置5，所述导向装置5内设置有导向槽，同步连接块上固定有导向杆20，导向杆与导向槽配合滑动，从而限定同步连接块的移动方向。可控牵引机构的牵引部分设置有测力传感器6，即将测力传感器6安装在同步连接块的前端，测力传感器6上设置有纤维固定装置7。位于样品池中的纤维一端自由，另一端固定在纤维固定装置7上。双温热台8可放在偏光显微镜14载物台上与其配合使用，双温热台8中设有预处理用热台13和试验用热台12，两个热台中心设置有透光孔，以保证光线通过，所对应壳体上下透光孔位置为两透明玻片。在两个热台之间和周围，用聚四氟乙烯作为绝热材料9以限制散热。试验用热台12一侧壳体上设置有小孔，纤维能从小孔中引出。两个热台的结构和元件均相同，可分别设定温度，并受所述控制箱15控制，所述控制箱15与计算机16端口相互连接。

在双温热台8（上盖略去）中设有可沿纵向平移滑动的滑板17，滑板17中间有配合使用的样品池10，滑板17与拉杆11相连，该拉杆11的一端从壳体8端部伸出，滑板17在壳体内部的移动通过手动控制拉杆11实现，而滑板17的固定则需要拧紧与拉杆11配合的锁紧螺母18。样品放在样品池10中，通过牵引拉杆11来控制样品在两个热台之间的位置转换。

偏光显微镜14为Olympus BX51，用来观察聚合物的结晶过程和结晶形貌，最大放大倍数为500倍。偏光显微镜14的CCD摄像机为Pixelink pl-a662，用来实时采集聚合物结晶图像，分辨率1280×1024，每秒传输帧数为5，可程序控制拍摄。

操作时，双温热台8位于偏光显微镜14的载物台上，所述可控牵引机构位于双温热台8的一侧。可控牵引机构中的电机，以及双温热台8和测力传感器6均与控制箱15通过接线连接。

计算机的控制及数据处理软件基于LabVIEW编程设计，可根据实验需要控制轴向移动、在线采集处理传感器数据。测力传感器量程为1 N，精度为0.0001N，采集数据的频率由软件控制，依据位移设定，常用为10 μm/次。

本实施例在使用过程中，由控制箱15控制双温热台8的温度，带有CCD的偏光显微镜14采集图像，达到实验温度条件后，由计算机16下达指令给控制箱15控制步进电机1的转动，进而带动可控伸缩机构运动，即牵引纤维，牵引过程所受的纤维和聚合物熔体的反作用力，由测力传感器6采集得到并传输给控制箱15，继而传输给计算机16并处理。

实验进行中，可得到拉力-位移曲线并可转化为界面剪切应力的变化曲线（力除以有效作用面积）。由14获得的图像可得到样品的结晶成核、生长及形貌变化。实验1和实验2中给出界面剪切应力变化曲线的获得和结晶过程的观测，并分别揭示界面结晶和界面剪切应力、界面剪切作用时间的关系。

实验1：参见图2～图6，134 ^oC时，各速度（10 μm/s、30 μm/s、60 μm/s、90 μm/s、150 μm/s）下，玻璃纤维（GF）在等规聚丙烯（iPP）熔体中牵引15 s后等温结晶30分钟。

(1)   纤维在聚合物熔体中牵引时，相互作用力一般不大，所以量程为1 N的测力传感器一般能达到要求。

(2)   实验装置准备：

a)       接通计算机16与控制箱15的接口以及控制箱15与可控牵引机构、双热台机构、测力传感器之间的接口：共有4根接线，按照各接头和接口形状匹配的原则连接即可；

b)      计算机16开机后，打开控制箱上的按钮，启动伺服电机、测力传感器；

c)       运行步进电机1使纤维固定装置处于最小行程处，或按照实验需要调整其位置。

(3)   放置试样：

预先制取一定厚度（本例为30 μm）的iPP薄膜，并按照样品池内侧底部的形状（20mm×20mm）剪裁。打开双温热台8的上盖，调整样品池10位置使其处于热台13的中心位置，即图1中虚线位置。将一盖玻片置于样品池中，放上一张薄膜，再放上纤维，纤维一端自由，另一端从双温热台8壳体侧壁上小孔22穿出，放在纤维固定装置7上（暂时不固定），然后将另一张薄膜置于纤维上，呈三明治样，盖上盖玻片。盖上双温热台8上盖。

(4)   装样完毕后，开启偏光显微镜，调整双温热台8位置，使光线能通过热台12和样品池上的通光孔，调焦并调整视野。

(5)   按下控制箱15上的两个绿色按钮，开启两个热台，热台13温度设置为200 ℃，热台12温度设置依结晶温度而定。

(6)   点击计算机桌面上纤维熔体牵引装置的快捷方式，进入控制软件主界面，清零计数器，依据实验参数设置测量步长、牵引速度和牵引位移。

(7)   热台13达到设定温度后，保持10分钟以消除iPP的热历史。然后推动11将样品池移动到实验用热台12上，迅速将纤维固定在纤维固定装置7上，同时a：点击主界面上“开始测量”，开始牵引测试；b：在显微镜控制程序中设定曝光时间（10 s），点击“开始拍照”记录图像。

(8)   牵引结束后，在主界面右侧设置数据保存路径，然后点击“数据保存”以保存数据；在图形区域右击，在弹出菜单中选择“导出简化图形 ”，选择保存到文件，设置导出路径，点击“确定”，以保存简化图形；整个实验结束后，点击显微镜控制程序中的“停止拍照”并保存图像。

本实验采用相同的牵引时间，五个不同的牵引速度，所得的拉力-位移曲线如图2所示，图中横坐标为时间，纵坐标为拉力大小。经过计算得到的界面剪切应力-时间曲线如图3所示。等温结晶30分钟后，所得到的结晶形貌如图5所示。图6所述d图条件下继续结晶到55分钟后，加热到158 ^oC熔融验证的结果，以从熔融特征上鉴别β晶（β晶熔点153 ^oC低于一般条件下形成的α晶的熔点170 ^oC）。箭头指示部位为β晶，在加热到158 ^oC后熔融消失。

实验1结果表明：相同的牵引时间，不同牵引速度，所对应的相界面剪切应力大小不同，对应生成的等温结晶30分钟时的形貌也不相同，表现出晶体密度由小到大、形貌上从可分辨的球晶到α横晶到α-β晶型共存的一个过渡的过程。

实验1结果同时表明：本发明能精确控制纤维的牵引速度和位移，能得到纤维与聚合物基体之间相互作用力的变化，并能得到界面剪切应力-时间曲线以监控这一过程中的界面剪切作用，还能在线检测结晶信息，并最终得到界面剪切应力与结晶形貌之间的关系。

实验2：参见图7～图9，134 ^oC时，30 μm/s 速度下，玻璃纤维（GF）在等规聚丙烯（iPP）熔体中牵引8 s、15 s、30 s、50 s、85 s后等温结晶30分钟。

本实验的操作过程见事例1。

本事例采用相同的牵引速度，六个不同的牵引时间，所得的拉力-位移曲线如图7所示，图中横坐标为时间，纵坐标为拉大小。经过简化计算后得到的界面剪切应力-时间曲线如图8所示。等温结晶30分钟后，所得到的结晶形貌如图9所示。

实验2结果表明：相同的牵引速度，界面剪切应力基本相等，不同的牵引时间，对应生成的等温结晶30分钟时的形貌也不相同，表现出晶体密度由小到大、形貌上从可分辨的球晶到α横晶再到α-β两种晶型共存的一个过渡的过程。

实验2结果同时表明：本发明能精确控制纤维的牵引速度和位移，能得到纤维与聚合物基体之间相互作用力的变化，并能得到界面剪切应力-时间曲线以监控这一过程中的界面剪切作用，还能在线检测结晶信息，并最终得到界面剪切应力与结晶形貌之间的关系。

Claims (6)

1.一种基于应力监控的纤维/聚合物界面剪切结晶在线检测仪，包括可控牵引机构，测力传感器，双温热台，偏光显微镜，控制箱，计算机，其特征是：在可控牵引机构上安装有测力传感器，监控纤维在聚合物熔体中牵引时的界面剪切应力，测力传感器前端设置有纤维固定装置；双温热台内并列设置两个热台，每个热台内设置热电偶和温度感应器，热台中心设置透光孔；双温热台放置在偏光显微镜的载物台上与其配合使用；在双温热台内部设置有可移动的滑板，滑板位于热台上侧，滑板内嵌装有样品池，位于样品池内的聚合物熔体中的纤维从双温热台被引出后固定在纤维固定装置上；所述可控牵引机构的中的步进电机，双温热台内的热电偶和温度感应器，以及测力传感器分别通过接线与控制箱输出端连接，控制箱与计算机端口连接，偏光显微镜与计算机端口连接。

2.根据权利要求1所述的基于应力监控的纤维/聚合物界面剪切结晶在线检测仪，其特征是：所述可控牵引机构包括步进电机，导向装置和同步连接块，所述步进电机的转轴上安装有行星减速器，该行星减速器的输出端上通过联轴器连接一个传动丝杠，该传动丝杠与同步连接块的一端螺纹连接；在同步连接块的另一端设置有导向装置。

3.根据权利要求2所述的基于应力监控的纤维/聚合物界面剪切结晶在线检测仪，其特征是：所述导向装置内设置有导向槽，所述导向杆与导向槽配合滑动。

4.根据权利要求1所述的基于应力监控的纤维/聚合物界面剪切结晶在线检测仪，其特征是：滑板一侧设置有拉杆，该拉杆的一端从壳体末端伸出；在壳体一侧设置有能使拉杆固定的锁紧螺母，拧紧锁紧螺母后可使样品池位置固定。

5.根据权利要求1所述的基于应力监控的纤维/聚合物界面剪切结晶在线检测仪，其特征是：双温热台的壳体与可控伸缩机构相邻的侧壁上设置有能使纤维穿过的小孔。

6.根据权利要求1所述的基于应力监控的纤维/聚合物界面剪切结晶在线检测仪，其特征是：在两个热台之间和周围，用聚四氟乙烯作为绝热材料。

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