CN104089941A - 一种聚合物熔体性质的拉曼光谱在线测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚合物熔体性质的拉曼光谱在线测量装置与方法，包括挤出机、设置在挤出机出口的检测模具，检测模具形成熔体通道；检测模具上设置有光纤探头，光纤探头依次连接拉曼光谱仪、计算机。通过将在线拉曼光谱仪的光纤探头安装在检测模具上，让熔体通过模具中的熔体通道，然后光纤探头通过模具上开设孔将不同波长的光射入到待测熔体中，通过光纤探头接收反馈回来的光信号，再利用计算机数据采集处理器，对数据进行采集与分析处理，将这些含有待测熔体性质信息的光谱信号导入到已建立的相关模型中，通过该模型便可计算得出被测熔体各组分分散性、含量及与基体的结合力，实现聚合物共混物或聚合物基复合材料熔体性质的实时测量。

Description

一种聚合物熔体性质的拉曼光谱在线测量装置与方法

技术领域

本发明涉及聚合物在线测量，尤其涉及一种聚合物熔体性质的拉曼光谱在线测量装置与方法。

背景技术

聚合物共混，聚合物填充及增强的方式是对单纯的聚合物进行改性的重要手段。熔融共混是上述改性过程重要工艺方法，通过将各个组分在聚合物熔融状态下进行混合，实现各组分的均匀分布，控制分散相粒子的平均粒径及粒径分布，可以得到性能优异的聚合物改性材料。

熔融共混加工过程中的材料的熔体性质决定了加工结束后得到的材料的微观结构及性能。熔体性质包括添加组分在熔体中的分散性、含量及其与基体的结合力，然而目前的相关仪器中由于没有这些熔体性质的实时检测功能，共混过程对于制品质量的影响必须通过对制品的抽样检测来分析，测量的严重滞后不仅制约了对物料分散混合时发生的物理化学变化过程的研究，更可能会产生因为分析的不及时而导致控制的延迟所造成的制品不合格现象，也会造成能源和原料的浪费，增加生产成本。所以说开发一种能够实时检测聚合物共混生产过程中熔体性质参数的装置是迫切需要的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种聚合物熔体性质的拉曼光谱在线测量装置与方法；解决了当前聚合物加工领域无法实时定量测量添加组分的分散性、含量及与基体之间的结合力等熔体性质的问题。

通过将在线拉曼光谱仪的光纤探头安装在检测模具上，让熔体通过检测模具中的熔体通道，然后光纤探头通过模具上开设的孔(透明窗口)将不同波长的光射入到待测熔体中，通过光纤探头接收反馈回来的光信号，再利用计算机数据采集处理器，对数据进行采集与分析处理，将这些含有待测熔体性质信息的光谱信号导入到已建立的相关模型中，通过该模型便可计算得出被测熔体各组分分散性、含量及与基体的结合力，实现聚合物共混物或聚合物基复合材料熔体性质的实时测量。

本发明通过下述技术方案实现：

一种聚合物熔体性质的拉曼光谱在线测量装置，包括挤出机、设置在挤出机出口的检测模具，检测模具包括上模5和下模4，上模5和下模4之间形成熔体通道；上模5设置有光纤探头6，光纤探头6依次连接拉曼光谱仪8、计算机9。

所述挤出机包括料筒3、设置在料筒3内的螺杆2、设置在料筒3上的料斗1。

所述聚合物为聚合物共混物或聚合物基复合材料。

上述拉曼光谱在线测量装置测量聚合物熔体性质的方法如下：

(1)、在拉曼光谱仪8上设置所需波长范围与扫描次数；

(2)、启动挤出机，将待测聚合物加入料斗1，聚合物经过挤出机挤出后变为熔体，熔体经过检测模具，待熔体稳定后打开拉曼光谱仪8的激光器，设置激光器强度；

(3)、被测熔体通过检测模具的狭道，拉曼光波由光纤探头6中的发射光纤射入熔体，光波在其内部传播，之后携带聚合物的样品信息由接收光纤传输至阵列探测器，被其探测到并转变为电信号，再通过A/D转变为数字形式，由计算机内置的数据采集器采集，并代入至模型，最后计算出熔体性质指标，直至测试结束。

所述的模型为拉曼光谱数据与聚合物共混物或聚合物基复合材料熔体性质指标的校正模型；

该模型的建模方法为：利用挤出机在同一温度，不同螺杆转速，不同组分比例下制备若干个聚合物共混物或聚合物基复合材料样本，采集所有样本的拉曼光谱，通过与标准试样的拉曼光谱相比较计算得出添加组分的含量和与基体的结合力；

按照标准方法测试所有样本的拉伸强度、储能模量和损耗模量的参数，将这3个参数归一化后取平均值作为一种条件下制得的样品的分散性指标，依次算出每个样品的分散性指标；再利用偏最小二乘法建立拉曼光谱数据与熔体性质参数之间的定量模型。模型建好之后导入计算机。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明为聚合物共混物或聚合物基复合材料加工过程中熔体性质的实时检测提供了手段，解决了当前聚合物加工领域无法实时定量测量添加组分的分散性、含量及与基体之间的结合力等熔体性质的问题，具有无损快速、实时性强、适用体系广、可靠性高等优点。

附图说明

图1为本发明聚合物熔体性质的拉曼光谱在线测量方法流程示意图。

图2为本发明聚合物熔体性质的拉曼光谱在线测量装置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1-2所示。本发明聚合物熔体性质的拉曼光谱在线测量装置，包括挤出机、设置在挤出机出口的检测模具，检测模具包括上模5和下模4，上模5和下模4之间形成熔体通道；上模5设置有光纤探头6，光纤探头6依次连接拉曼光谱仪8、计算机9。

所述挤出机包括料筒3、设置在料筒3内的螺杆2、设置在料筒3上的料斗1。

所述聚合物为聚合物共混物或聚合物基复合材料。

上述拉曼光谱在线测量装置测量聚合物熔体性质的方法如下：

(1)、在拉曼光谱仪8上设置所需波长范围与扫描次数；

(2)、启动挤出机，将待测聚合物加入料斗1，聚合物经过挤出机挤出后变为熔体，熔体经过检测模具，待熔体稳定后打开拉曼光谱仪8的激光器，设置激光器强度；

(3)、被测熔体通过检测模具的熔体通道，拉曼光波由光纤探头6中的发射光纤(通过上模5开设的孔)射入熔体，光波在其内部传播，之后携带聚合物的样品信息由接收光纤传输至阵列探测器，被其探测到并转变为电信号，再通过A/D转变为数字形式，由计算机内置的数据采集器采集，并代入至模型，最后计算出熔体性质指标，直至测试结束。

所述的模型为拉曼光谱数据与聚合物共混物或聚合物基复合材料熔体性质指标的校正模型；

该模型的建模方法为：利用挤出机在同一温度，不同螺杆转速，不同组分比例下制备若干个聚合物共混物或聚合物基复合材料样本(通常大于50个)，采集所有样本的拉曼光谱，通过与标准试样的拉曼光谱相比较计算得出添加组分的含量和与基体的结合力；

按照标准方法测试所有样本的拉伸强度、储能模量和损耗模量的参数，将这3个参数归一化后取平均值作为一种条件下制得的样品的分散性指标，依次算出每个样品的分散性指标；100％表示分散性最好，0％表示分散性最差。再利用偏最小二乘法建立拉曼光谱数据与熔体性质参数之间的定量模型。模型建好之后导入计算机。

实施实例步骤参如图1所示，具体如下：

先选取一批聚乙烯粒料和碳酸钙粉体，利用挤出机在190℃下按照不同比例的物料、螺杆转速混合一系列聚乙烯基碳酸钙复合材料(一般大于50个)，同时在挤出过程中采集各样品的拉曼光谱信号值，分别通过与标准试样的添加组分的拉曼光谱特征峰强度和添加组分与基体结合的化学键的拉曼光谱特征峰相比较(标准试样为190℃下制备得到的已知添加组分含量和与基体的结合力的试样)，计算得出添加组分的含量和与基体的结合力；分别按照GB/T1042、ASTM E2254-2009和ASTM E2425-2005测试所有样品的拉伸强度、储能模量和损耗模量，并各自归一化后取三者的平均值作为表示分散性的指标。其中，分散性最好的表示为100％，聚合物基体表示为0％，即分散性最差。然后利用偏最小二乘法建立光谱信号值与熔体性质参数之间的关联模型。再把模型导入计算机数据采集与处理软件。

接着就可以对未知聚合物熔体性质进行实时表征了。将聚乙烯粒料与碳酸钙粉体加入料斗，启动挤出机，物料开始熔融混合，待挤出熔体稳定之后，打开激光器；熔体通过检测模具的熔体通道，由光纤探头中的发射光纤将光波射入熔体，光波在熔体内传播，并携带样品信息返回光纤探头，由接收光纤传输至阵列探测器；探测器将光信号转换为电信号，再通过A/D转变为数字信号，被计算机数据采集并将光谱信号值带入模型计算得出熔体性质指标数据，指标数据保存并显示在界面上，直至测试结束。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种聚合物熔体性质的拉曼光谱在线测量装置，包括挤出机、设置在挤出机出口的检测模具，其特征在于：检测模具包括上模和下模，上模和下模之间形成熔体通道；上模设置有光纤探头，光纤探头依次连接拉曼光谱仪、计算机。

2.根据权利要求1所述的聚合物熔体性质的拉曼光谱在线测量装置，其特征在于：所述挤出机包括料筒、设置在料筒内的螺杆、设置在料筒上的料斗。

3.根据权利要求1所述的聚合物熔体性质的拉曼光谱在线测量装置，其特征在于：所述聚合物为聚合物共混物或聚合物基复合材料。

4.采用权利要求1至3中任一项所述拉曼光谱在线测量装置测量聚合物熔体性质的方法，其特征在于如下步骤：

(1)、在拉曼光谱仪上设置所需波长范围与扫描次数；

(2)、启动挤出机，将待测聚合物加入料斗，聚合物经过挤出机挤出后变为熔体，熔体经过检测模具，待熔体稳定后打开拉曼光谱仪的激光器，设置激光器强度；

(3)、被测熔体通过检测模具的狭道，拉曼光波由光纤探头中的发射光纤射入熔体，光波在其内部传播，之后携带聚合物的样品信息由接收光纤传输至阵列探测器，被其探测到并转变为电信号，再通过A/D转变为数字形式，由计算机内置的数据采集器采集，并代入至模型，最后计算出熔体性质指标，直至测试结束。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的模型为拉曼光谱数据与聚合物共混物或聚合物基复合材料熔体性质指标的校正模型；

该模型的建模方法为：利用挤出机在同一温度，不同螺杆转速，不同组分比例下制备若干个聚合物共混物或聚合物基复合材料样本，采集所有样本的拉曼光谱，通过与标准试样的拉曼光谱相比较计算得出添加组分的含量和与基体的结合力；

按照标准方法测试所有样本的拉伸强度、储能模量和损耗模量的参数，将这3个参数归一化后取平均值作为一种条件下制得的样品的分散性指标，依次算出每个样品的分散性指标；再利用偏最小二乘法建立拉曼光谱数据与熔体性质参数之间的定量模型；模型建好之后导入计算机。