CN102879267B - 基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置，包括电热系统、驱动机构、拉伸机构与计算机。电热系统包括恒温箱，拉伸机构置于恒温箱内；拉伸机构包括底板及置于底板上的圆柱形滚筒、支架、滚动轴承、竖直槽、导轨、夹具与压板；圆柱形滚筒的两端通过滚动轴承设于支架上；竖直槽通过滑块设于导轨上并可沿导轨滑动，夹具设于竖直槽上；夹具上开有半圆柱凹槽，压板一面具有与半圆柱凹槽配合的半圆柱凸台；用于固定塑料薄膜试样；滚筒的主轴穿过恒温箱箱体与驱动机构连接，主轴上还设有拉力传感器，拉力传感器与计算机连接。本发明技术手段简便易行，具有积极的技术效果与推广应用价值。

Description

基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验方法与装置

技术领域

本发明涉及塑料薄膜的力学测量技术领域，特别涉及一种基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验方法与装置。

背景技术

塑料薄膜(厚度≤0.5mm)在恒定应变速率的变形过程中的真实应力σ和真实应变ε，是塑料薄膜的一项重要力学参数。

传统的塑料薄膜拉伸试验机上，在恒定拉伸速度V下是无法保证恒应变速率的。而要实现恒应变速率的拉伸只能通过以下两个方法：

一、通过计算在恒应变速率情况下的V，每隔一段时间，由操作者手动调整V，以实现近似的恒拉伸试验。

二、在普通拉伸试验机上附加程序控制设备以随时改变V而对进行自动控制。

以上两种方法的缺点是精度不高；特别是当V较大时，造成误差会过大。此外，塑料薄膜的高温力学性能测试存在如下困难：薄膜在玻璃化温度Tg以后，由于材料变软变粘，对材料的夹持将越来越困难。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有塑料薄膜单向拉伸试验方法与装置的技术不足，提供一种基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置。

进一步地，提供一种基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置，包括电热系统、驱动机构、拉伸机构与计算机；电热系统包括恒温箱，拉伸机构置于恒温箱内；所述拉伸机构包括底板及置于底板上的圆柱形滚筒、支架、滚动轴承、竖直槽、导轨、夹具与压板；所述圆柱形滚筒的两端通过滚动轴承设于支架上；所述竖直槽通过滑块设于导轨上并可沿导轨滑动，所述夹具设于竖直槽上；所述夹具上开有半圆柱凹槽，所述压板具有与半圆柱凹槽配合的半圆柱凸台；用于固定塑料薄膜试样；所述圆柱形滚筒的主轴穿过恒温箱箱体与驱动机构连接，所述主轴上还设有拉力传感器，所述拉力传感器与计算机连接。

优选地，所述拉伸机构还包括滚筒压板，所述圆柱形滚筒的中部设有用于与滚筒压板配合的平面，所述滚筒压板通过螺栓固定在该平面上。

优选地，所述夹具与压板的配合面之间设有薄膜垫片。

优选地，所述电热系统包括加热装置、测温装置及温度传感器，所述加热装置、测温装置及温度传感器均置于恒温箱内，且三者之间电连接；所述温度传感器还与计算机连接。

优选地，所述恒温箱包括箱体及箱体盖，恒温箱体及恒温箱体盖均包裹有泡沫。

优选地，所述夹具通过螺栓固定安装于竖直槽上。

优选地，所述压板通过螺栓固定安装于夹具上。

进一步地，提供一种采用基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置的单向拉伸试验方法，包括如下步骤：

(1)打开箱体盖，松开用于固定竖直槽与导轨的螺栓；以导轨上的刻度为基准，移动安装在导轨上的滑块，从而移动竖直槽，进而调整塑料薄膜的标距；标距确定后，捏紧螺栓；

(2)松开用于固定竖直槽与夹具的螺栓以及用于固定夹具与压板的螺栓，把塑料薄膜的一端夹持在夹具与压板之间，并在塑料薄膜和压板之间加上薄膜垫片使其紧密结合，接着，拧紧用于固定夹具与压板的螺栓；

(3)松开用于固定圆柱形滚筒和滚筒压板的螺栓，将塑料薄膜绕滚筒一周并穿在圆柱形滚筒及滚筒压板之间；接着，拧紧用于固定圆柱形滚筒和滚筒压板的螺栓；

(4)上下移动夹具，同时微微旋转圆柱形滚筒，使塑料薄膜和底面保持平行，拧紧用于固定竖直槽与夹具的螺栓；

(5)盖上箱体盖，使装置保持密封；开启电热系统的加热装置，然后通过温度传感器的数据确定瞬时温度值，并根据该瞬时温度值调节电热系统的功率；使恒温箱的内部温度在测量过程中保持不变；

(6)启动驱动机构的电机，设定电机转速，使圆柱形滚筒以匀角速度转动；

(7)在恒应变速率的拉伸作用下，塑料薄膜发生塑性变形，拉力传感器将拉力数据传输给计算机，计算机分析后得出精确数据。

优选地，设滚筒中心线与夹具左端面之间的距离为塑料薄膜标定线的初始长度L₀，瞬时长度为L；拉伸初始时间为0，拉伸瞬时时间为t；塑料薄膜初始宽度为B₀，初始厚度为T₀，初始截面面积为A₀，瞬时截面面积为A(t)；圆柱形滚筒直径为D，转速为W，圆周线速度为V，瞬时测量得到的扭矩为M(t)；塑料薄膜瞬时受到的单向拉伸力为P(t)，瞬时真实应变为ε_t(t)，瞬时真实应力为σ_t(t)，Hencky应变速率为；假设滚筒在恒定转速W下旋转运动，则：

${\mathrm{\ϵ}}_t=\frac{\mathrm{dL}}{L}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L_0}=\frac{\mathrm{Vt}}{L_0}=\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0}---\left(1\right);$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{\mathrm{d\ϵ}}_t}{\mathrm{dt}}=\frac{d\left(\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0}\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{W\πD}}{L_0}---\left(2\right);$

根据力学平衡关系可知，塑料薄膜两端受到的瞬时拉伸力P(t)为：

$P\left(t\right)=\frac{2M\left(t\right)}{D}---\left(3\right);$

忽略工程应变速率与真实应变速率的偏差，塑料薄膜瞬时截面积A将会随着时间t呈指数变化。在恒定的Hencky应变速率条件下，则有：

$A\left(t\right)=A_0\exp (-\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}t)=A_0\exp \left({-\mathrm{\ϵ}}_t\right)=A_0\exp (-\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0})---\left(4\right);$

联合(3)式和(4)式可得：

${\mathrm{\σ}}_t\left(t\right)=\frac{P\left(t\right)}{A\left(t\right)}=\frac{2M\left(t\right)}{{\mathrm{DA}}_0\exp (-\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0})}---\left(5\right);$

假设塑料薄膜接近熔融状态时近似为牛顿流体，则材料瞬时流变粘度η(t)可表示为：

$\mathrm{\η}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_t\left(t\right)}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}=\frac{{2L}_{0}M\left(t\right)}{{\mathrm{W\πD}}^2{A}_0\exp (-\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0})}---\left(6\right);$

由(1)～(6)式可知，在拉伸过程中，只要记录瞬时时间t，并测出该时刻滚筒扭矩M(t)和恒定的滚筒转速W，即可直接计算相应的真实应力、真实应变或流变粘度值。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置结构简单，操作便捷，与拉伸试验方法相互配合，通过拉力传感器将数据传输给计算机后，精确得出塑料薄膜的拉伸数据。另外，本发明技术手段简便易行，具有积极的技术效果与推广应用价值。

附图说明

图1是本发明的拉伸机构结构示意图；

图2为图1中夹具9的放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。

如图1所示，一种基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置，包括电热系统、驱动机构、拉伸机构与计算机。电热系统包括恒温箱，拉伸机构置于恒温箱内。拉伸机构包括底板1及置于底板1上的圆柱形滚筒4、支架2、滚动轴承3、竖直槽7、导轨6、夹具9与压板10。圆柱形滚筒4的两端通过滚动轴承3设于支架2上。竖直槽7通过滑块设于导轨6上并可沿导轨6滑动，夹具9设于竖直槽7上。夹具9上开有半圆柱凹槽，压板10具有与半圆柱凹槽配合的半圆柱凸台，用于固定塑料薄膜11。圆柱形滚筒4的主轴穿过恒温箱箱体与驱动机构连接；主轴上还设有拉力传感器，所述拉力传感器与计算机连接。电热系统包括加热装置、测温装置及温度传感器，加热装置、测温装置及温度传感器均置于恒温箱内，且三者之间电连接；温度传感器还与计算机连接。恒温箱包括箱体及箱体盖，恒温箱体及恒温箱体盖均包裹有泡沫夹具通过螺栓固定安装于竖直槽上。

拉伸机构还包括滚筒压板5，所述圆柱形滚筒4的中部设有用于与滚筒压板5配合的平面，滚筒压板5通过螺栓固定在该平面上。夹具9与压板10的配合面之间设有薄膜垫片8。压板10通过螺栓固定安装于夹具9上。

进一步地，提供一种采用基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置的单向拉伸试验方法，包括如下步骤：

(1)打开箱体盖，松开用于固定竖直槽7与导轨6的螺栓；以导轨6上的刻度为基准，移动安装在导轨6上的滑块，从而移动竖直槽7，进而调整塑料薄膜的标距；标距确定后，捏紧螺栓；

(2)松开用于固定竖直槽7与夹具9的螺栓以及用于固定夹具9与压板10的螺栓，把塑料薄膜11的一端夹持在夹具9与压板10之间，并在塑料薄膜11和压板10之间加上薄膜垫片8使其紧密结合，接着，拧紧用于固定夹具9与压板10的螺栓；

(3)松开用于固定圆柱形滚筒4和滚筒压板5的螺栓，将塑料薄膜11绕圆柱形滚筒4一周并穿在圆柱形滚筒4及滚筒压板5之间；接着，拧紧用于固定圆柱形滚筒4和滚筒压板5的螺栓；

(4)上下移动夹具9，同时微微旋转圆柱形滚筒4，使塑料薄膜11和底板1保持平行，拧紧用于固定竖直槽7与夹具9的螺栓；

(5)盖上箱体盖，使装置保持密封；开启电热系统的加热装置，然后通过温度传感器的数据确定瞬时温度值，并根据该瞬时温度值调节电热系统的功率；使恒温箱的内部温度在测量过程中保持不变；

(6)启动驱动机构的电机，设定电机转速，使圆柱形滚筒以匀角速度转动；

(7)在恒应变速率的拉伸作用下，塑料薄膜发生塑性变形，拉力传感器将拉力数据传输给计算机，计算机分析后得出精确数据。

优选地，设圆柱形滚筒4中心线与夹具9左端面之间的距离为塑料薄膜标定线的初始长度L₀，瞬时长度为L；拉伸初始时间为0，拉伸瞬时时间为t；塑料薄膜初始宽度为B₀，初始厚度为T₀，初始截面面积为A₀，瞬时截面面积为A(t)；滚筒直径为D，转速为W，圆周线速度为V，瞬时测量得到的扭矩为M(t)；塑料薄膜瞬时受到的单向拉伸力为P(t)，瞬时真实应变为ε_t(t)，瞬时真实应力为σ_t(t)，Hencky应变速率为；假设滚筒在恒定转速W下旋转运动，则：

${\mathrm{\ϵ}}_t=\frac{\mathrm{dL}}{L}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L_0}=\frac{\mathrm{Vt}}{L_0}=\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0}---\left(1\right);$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{\mathrm{d\ϵ}}_t}{\mathrm{dt}}=\frac{d\left(\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0}\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{W\πD}}{L_0}---\left(2\right);$

根据力学平衡关系可知，塑料薄膜两端受到的瞬时拉伸力P(t)为：

$P\left(t\right)=\frac{2M\left(t\right)}{D}---\left(3\right);$

忽略工程应变速率与真实应变速率的偏差，塑料薄膜瞬时截面积A将会随着时间t呈指数变化。在恒定的Hencky应变速率条件下，则有：

$A\left(t\right)=A_0\exp (-\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}t)=A_0\exp \left({-\mathrm{\ϵ}}_t\right)=A_0\exp (-\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0})---\left(4\right);$

联合(3)式和(4)式可得：

${\mathrm{\σ}}_t\left(t\right)=\frac{P\left(t\right)}{A\left(t\right)}=\frac{2M\left(t\right)}{{\mathrm{DA}}_0\exp (-\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0})}---\left(5\right);$

假设塑料薄膜接近熔融状态时近似为牛顿流体，则材料瞬时流变粘度η(t)可表示为：

$\mathrm{\η}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_t\left(t\right)}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}=\frac{{2L}_{0}M\left(t\right)}{{\mathrm{W\πD}}^2{A}_0\exp (-\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0})}---\left(6\right);$

由(1)～(6)式可知，在拉伸过程中，只要记录瞬时时间t，并测出该时刻滚筒扭矩M(t)和恒定的滚筒转速W，即可直接计算相应的真实应力、真实应变或流变粘度值。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置，其特征在于：包括电热系统、驱动机构、拉伸机构与计算机；电热系统包括恒温箱，拉伸机构置于恒温箱内；所述拉伸机构包括底板及置于底板上的圆柱形滚筒、支架、滚动轴承、竖直槽、导轨、夹具与压板；所述圆柱形滚筒的两端通过滚动轴承设于支架上；竖直槽通过滑块设于导轨上并可沿导轨滑动，夹具设于竖直槽上；所述夹具上开有半圆柱凹槽，所述压板具有与半圆柱凹槽配合的半圆柱凸台，用于固定塑料薄膜试样；所述圆柱形滚筒的主轴穿过恒温箱箱体与驱动机构连接，所述主轴上还设有拉力传感器，所述拉力传感器与计算机连接；

所述拉伸机构还包括滚筒压板，所述圆柱形滚筒的中部设有用于与滚筒压板配合的平面，所述滚筒压板通过螺栓固定在该平面上。

2.根据权利要求1所述的基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置，其特征在于：所述夹具与压板的配合面之间设有薄膜垫片。

3.根据权利要求1所述的基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置，其特征在于：所述电热系统包括加热装置、测温装置及温度传感器，所述加热装置、测温装置及温度传感器均置于恒温箱内，且三者之间电连接；所述温度传感器还与计算机连接。

4.根据权利要求1所述的基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置，其特征在于：所述恒温箱包括箱体及箱体盖，恒温箱体及恒温箱体盖均包裹有泡沫。

5.根据权利要求1所述的基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置，其特征在于：所述夹具通过螺栓固定安装于竖直槽上。

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置，其特征在于：所述压板通过螺栓固定安装于夹具上。

7.采用如权利要求1至6任一项所述的基于恒定应变速率的塑料薄膜单向拉伸试验装置的单向拉伸试验方法，其特征在于：

(1)打开箱体盖，松开用于固定竖直槽与导轨的螺栓；以导轨上的刻度为基准，移动安装在导轨上的滑块，从而移动竖直槽，进而调整塑料薄膜的标距；标距确定后，捏紧螺栓；

(2)松开用于固定竖直槽与夹具的螺栓以及用于固定夹具与压板的螺栓，把塑料薄膜的一端夹持在夹具与压板之间，并在塑料薄膜和压板之间加上薄膜垫片使其紧密结合，接着，拧紧用于固定夹具与压板的螺栓；

(3)松开用于固定圆柱形滚筒和滚筒压板的螺栓，将塑料薄膜绕滚筒一周并穿在圆柱形滚筒及滚筒压板之间；接着，拧紧用于固定圆柱形滚筒和滚筒压板的螺栓；

(4)上下移动夹具，同时微微旋转圆柱形滚筒，使塑料薄膜和底面保持平行，拧紧用于固定竖直槽与夹具的螺栓；

(5)盖上箱体盖，使装置保持密封；开启电热系统的加热装置，然后通过温度传感器的数据确定瞬时温度值，并根据该瞬时温度值调节电热系统的功率；使恒温箱的内部温度在测量过程中保持不变；

(6)启动驱动机构的电机，设定电机转速，使圆柱形滚筒以匀角速度转动；

(7)在恒应变速率的拉伸作用下，塑料薄膜发生塑性变形，拉力传感器将拉力数据传输给计算机，计算机分析后得出精确数据。

8.根据权利要求7所述的单向拉伸试验方法，其特征在于：

设滚筒中心线与夹具左端面之间的距离为塑料薄膜标定线的初始长度L₀，瞬时长度为L；拉伸初始时间为0，拉伸瞬时时间为t；塑料薄膜初始宽度为B₀，初始厚度为T₀，初始截面面积为A₀，瞬时截面面积为A(t)；圆柱形滚筒直径为D，转速为W，圆周线速度为V，瞬时测量得到的扭矩为M(t)；塑料薄膜瞬时受到的单向拉伸力为P(t)，瞬时真实应变为ε_t(t)，瞬时真实应力为σ_t(t)，Hencky应变速率为假设滚筒在恒定转速W下旋转运动，则：

${\mathrm{\ϵ}}_t=\frac{\mathrm{dL}}{L}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L_0}=\frac{\mathrm{Vt}}{L_0}=\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0}---\left(1\right);$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{\mathrm{d\ϵ}}_t}{\mathrm{dt}}=\frac{d\left(\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0}\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{W\πD}}{L_0}---\left(2\right);$

根据力学平衡关系可知，塑料薄膜两端受到的瞬时拉伸力P(t)为：

$P\left(t\right)=\frac{2M\left(t\right)}{D}---\left(3\right);$

忽略工程应变速率与真实应变速率的偏差，塑料薄膜瞬时截面积A将会随着时间t呈指数变化。在恒定的Hencky应变速率条件下，则有：

$A\left(t\right)=A_0\exp (-\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}t)=A_0\exp \left({-\mathrm{\ϵ}}_t\right)=A_0\exp (-\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0})---\left(4\right);$

联合(3)式和(4)式可得：

${\mathrm{\σ}}_t\left(t\right)=\frac{P\left(t\right)}{A\left(t\right)}=\frac{2M\left(t\right)}{{\mathrm{DA}}_0\exp (-\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0})}---\left(5\right);$

假设塑料薄膜接近熔融状态时近似为牛顿流体，则材料瞬时流变粘度η(t)可表示为：

$\mathrm{\η}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_t\left(t\right)}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}=\frac{{2L}_{0}M\left(t\right)}{{\mathrm{W\πD}}^2{A}_0\exp (-\frac{\mathrm{W\πDt}}{L_0})}---\left(6\right);$

由(1)～(6)式可知，在拉伸过程中，只要记录瞬时时间t，并测出该时刻滚筒扭矩M(t)和恒定的滚筒转速W，即可直接计算相应的真实应力、真实应变或流变粘度值。