CN110658071B - 一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置及方法，该装置主要包括：左气缸、右气缸、基板、测试腔、内衬、上活塞、上密封圈、下盖、导光块、下活塞、垫片、密封圈、试样、短波长光源、长波长光源、压板和位移传感器。首先将试样填充入上活塞与下活塞中间的圆柱状空间，然后为气缸充入气体，当试样充分压实后，打开短波长光源和长波长光源，使树脂试样光照固化，实时采集位移传感器随时间的位移，得到试样的动态收缩率曲线。本发明通过在固化过程中实时采集柱塞位移，获得动态收缩曲线，测试原理简单，可靠性高。长波与短波紫外线通过不同的光源发出，叠加成同一道固化光线，有利于探索真实模塑制品的收缩特性，并可优化相关成型工艺。

Description

一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置及方法，属于测量测试领域。

背景技术

光聚合模塑成型技术是一种新型的化学反应成型技术，这个技术是通过将光聚合树脂注射到特殊设计的透明模具内，然后使用紫外光照射模具，诱导树脂固化，最终形成制品。光聚合注射成型的最大问题就是树脂的收缩，这是因为在聚合过程中分子间的作用由洛伦兹力的作用距离转化为共价键距离，收缩会严重影响制品的尺寸精确性。目前，由于光聚合模塑成型属于聚合物加工的前沿技术，收缩相关的研究鲜有提及，有必要开发一种装置，动态地测量整个光聚合过程中材料的收缩演化。

在光聚合模塑成型中，影响收缩的一大关键因素是制品的厚度，因为用于引发光聚合反应的光引发剂对紫外光有很强的吸收作用，因此大部分紫外光的能量都被表层的树脂吸收，只有很少的能量到达深层，因此深层树脂十分不容易固化。为了解决这个问题，研究者采用使用短波和长波两种波长的紫外线共同作用的方法，利用穿透能力强，但是能量低的长波紫外线，促使深层树脂固化；利用波长较短，但是能量较高的短波紫外线，使表层树脂固化。因此，测试光聚合模塑成型收缩演化的装置，必须满足以下几个特点：1.树脂固化厚度可以调节，以衡量不同厚度树脂的固化特征；2.装置可以同时照射长波与短波两种波长的紫外线，并且两种波长光线的光照强度分别可以调节，以探索最佳成型光照条件。目前，能满足以上要求的测试装置不论国内还是国外都未见提及。

发明内容

本发明提出一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置及方法，该装置主要基于柱塞圆筒式膨胀计的测试原理，主要包括一个管状的测试腔以及与之相配合的上下一对柱塞：上柱塞与施加压力的装置相连接，为树脂施加压力；下柱塞是透明材质，可以透过光线，从而可以从下方对树脂施加紫外光照，以诱导光聚合树脂固化；通过在光照的同时对柱塞的位移进行实时采集可以得到树脂的动态收缩曲线。因为树脂的高度就是紫外光线需要穿过的厚度，因此可以通过改变试样的总体积，直接改变试样的固化厚度；本发明中紫外线照射的光路经过特殊设计：在紫外线入射光路上，通过下表面切成45°的下柱塞与上表面切成45°的导光块相配合，构成了一个特殊的透镜系统，使两个光源发出的短波长紫外线与长波长紫外线分别经过全反射和折射的作用，可以叠加成同一道光线照射树脂，两种组分紫外线的光照强度可以方便地分别调节。基于该装置，本发明还提出了相关测试方法，用于衡量长波长与短波长紫外线组分对具有一定厚度光聚合制品固化收缩的影响。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置，该装置主要包括：左气缸、右气缸、基板、测试腔、内衬、上活塞、上密封圈、下盖、导光块、下活塞、垫片、密封圈、试样、短波长光源、长波长光源、压板和位移传感器。其中：左气缸、右气缸是两个能提供拉力的气缸，它们的气缸杆朝上，缸体竖直放在一平面上；基板是一个长方形的平板，摆放在左气缸和右气缸缸体的上表面，左气缸和右气缸分别位于基板左右两端，并通过螺钉与基板连接，基板与两个气缸连接的位置有孔，气缸杆穿过孔伸出上方，基板的正中央有上面粗下面细的阶梯通孔，上面粗孔有内螺纹；测试腔是一个内表面精密加工光滑的圆管，圆管竖直摆放，上端外圆有一小段带有外螺纹的加粗段，测试腔的上端加粗部分通过此螺纹固定在基板正中央的螺纹孔上，并卡在阶梯孔的台阶位置，测试腔的下端穿过基板的孔悬垂在基板下方，并且最下端有外螺纹，外螺纹上方有一个朝左开的孔；测试腔内表面镀有一层聚四氟乙烯材质的薄膜状的内衬；上活塞的上部是一个圆杆，圆杆顶端有外螺纹，下部是一个圆柱形的活塞头，活塞头从上插入测试腔的管内，且与测试腔内壁良好配合，活塞头圆柱面有一圈环形凹槽；上密封圈是O型密封圈，套在上活塞的环形凹槽中；下盖是一个圆柱形的盖子，上表面有内螺纹凹槽，凹槽底部有一个直径小于测试腔内径的通孔；下盖通过内螺纹旋紧固定在测试腔底部的外螺纹上；导光块是一个透明材质(例如玻璃)的垂直放置的圆柱，其折射率需满足对于某一中等波长的紫外线，折射率等于1.414，(即某一中等波长的紫外线从这种材质中射向真空中时，当入射角等于45°时，刚好会发生全反射)，导光块上表面切成一个45°的斜面，导光块的直径与测试腔的内径紧密配合，从下插入测试腔中，下表面被下盖托住，45°的斜表面高度与测试腔下端朝左开的孔的高度一致，且斜面方向向左；下活塞材质与导光块完全相同，是一个透明的垂直放置的圆柱，下活塞插入测试腔中，直径与测试腔的内径紧密配合，且在导光块上方，下活塞上端有环形凹槽，下活塞的下表面切成45°的斜面，并与导光块的斜面相隔一个微小的空隙并保持平行，下活塞正对测试腔下端朝左开的孔的位置的圆柱立面磨成平面；垫片是一个与下活塞与导光块的斜面形状相同的环形薄片，夹在下活塞与导光块的斜面之间，把活塞与导光块的斜面隔开一个微小的空隙；下密封圈是O型密封圈，套在下活塞的环形凹槽中；试样是需要测试的光聚合树脂，填充在上活塞与下活塞中间的圆柱状空间内；短波长光源是紫外线光光源，可以发射短波长的紫外线平行光线，短波长光源插入测试腔下部朝左开的孔中，且照射方向向右；长波长光源是紫外线光光源，可以发射长波长的紫外线平行光线，长波长光源插入下盖的通孔中，且照射方向向上；压板是一个长条状的长方形板，板两端有内螺纹孔分别与左气缸和右气缸的气缸杆通过螺纹连接，压板中心有内螺纹通孔，与上活塞上端的外螺纹连接；位移传感器是顶杆具有回弹的位移传感器，传感器外壳固定在基板上开的通孔中，测试顶杆垂直向上，顶在压板的下表面。

本发明提出一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的方法，其特征在于，首先将试样填充入上活塞与下活塞中间的圆柱状空间，试样的填充量应保证试样的总高度等于所需测试的厚度；为气缸充入气体，给试样施加压力，气体压力应根据试样所需压紧力计算得出；当试样充分压实后，打开短波长光源和长波长光源，使树脂试样光照固化，实时采集位移传感器随时间的位移，各个时间点位移与试样总高度的比值即是试样在各个时间点的收缩率，将各点收缩率连成曲线，即得到试样的动态收缩率曲线；对于某一固化厚度的试样，应通过调节短波长光源和长波长光源的光照强度，改变总光照强度以及长短波长光线的比例，研究光照强度以及光线不同波长组分的比例对试样固化收缩的作用规律。

本发明提出一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的方法，其测试时短波长光源和长波长光源发射的总光照能量可以保持一定，只改变短波长光源和长波长光源发射能量的比例，探索不同波长比例对材料收缩的影响。

本发明提出一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的方法，其测试时短波长光源和长波长光源发射功率的比值可以保持一定，只改变短波长光源和长波长光源发射能量的总量，探索不同光照强度对材料收缩的影响。

本发明提出一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的方法，其测试时短波长光源发射的功率可以保持一定，只改变长波长光源发射功率，探索不同长波长光照能量对材料收缩的影响。

本发明提出一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的方法，其测试时长波长光源发射的功率可以保持一定，只改变短波长光源发射功率，探索不同短波长光照能量对材料收缩的影响。

本发明一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置，其具有如下优点：

1.利用柱塞圆筒加压试样，通过在固化过程中实时采集柱塞位移，获得动态收缩曲线，测试原理简单，可靠性高，并且测试条件接近于模塑过程的压力条件。

2.紫外光需要穿透的制品厚度可以方便地调节，有利于测试不同厚度制品的收缩特点。

3.长波与短波紫外线通过不同的光源发出，叠加成同一道固化光线，长波与短波可以同时施加给试样，并且照射入试样的位置完全相同，改变长波与短波的强度以及比例，并结合制品所需的固化厚度，有利于探索真实模塑制品的收缩特性，并优化相关成型工艺。

本发明提出一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置及方法，该装置主要基于柱塞圆筒式膨胀计的测试原理，主要包括一个管状的测试腔以及与之相配合的上下一对柱塞：上柱塞与施加压力的装置相连接，为树脂施加压力；下柱塞是透明材质，可以透过光线，从而可以从下方对树脂施加紫外光照，以诱导光聚合树脂固化；通过在光照的同时对柱塞的位移进行实时采集可以得到树脂的动态收缩曲线。因为树脂的高度就是紫外光线需要穿过的厚度，因此可以通过改变试样的总体积，直接改变试样的固化厚度；本发明中紫外线照射的光路经过特殊设计：在紫外线入射光路上，通过下表面切成45°的下柱塞与上表面切成45°的导光块相配合，构成了一个特殊的透镜系统，使两个光源发出的短波长紫外线与长波长紫外线分别经过全反射和折射的作用，可以叠加成同一道光线照射树脂，两种紫外线的光照强度可以方便地分别调节。

附图说明

图1是本发明一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置的示意图；

图2是本发明一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置的主视方向全剖图；

图3是本发明一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置的主视方向测试腔部位局部全剖图；

图4是本发明一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置短波长光源射出光线的光路示意图；

图5是本发明一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置长波长光源射出光线的光路示意图。

图中：1-左气缸、2-右气缸、3-基板、4-测试腔、5-内衬、6-上活塞、7-上密封圈，8-下盖、9-导光块，10-下活塞、11-垫片、12-密封圈、13-试样，14-短波长光源，15-长波长光源，16-压板，17-位移传感器。

具体实施方式

本发明提出一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置，如图1、图2和图3所示，该装置主要包括：左气缸1、右气缸2、基板3、测试腔4、内衬5、上活塞6、上密封圈7、下盖8、导光块9、下活塞10、垫片11、密封圈12、试样13、短波长光源14、长波长光源15、压板16和位移传感器17。其中：左气缸1、右气缸2是两个能提供拉力的气缸，它们的气缸杆朝上，左右并排摆放在摆放本装置的平面上；基板3是一个长方形的平板，摆放在左气缸1和右气缸2缸体的上表面，左气缸1和右气缸2分别位于基板3左右两端，并通过螺栓与基板3连接，基板3与左气缸1、右气缸2连接的位置有孔，气缸杆穿过孔伸出上方，基板3的正中央有上面粗下面细的阶梯通孔，上面粗孔有内螺纹；测试腔4是一个内表面精密加工光滑的圆管，圆管竖直摆放，上端外圆有一小段带有外螺纹的加粗段，测试腔4的上端加粗部分通过此螺纹固定在基板3正中央的螺纹孔上，并卡在阶梯孔的台阶位置，测试腔4的下端穿过基板3的孔悬垂在基板3下方，并且最下端有外螺纹，外螺纹上方有一个朝左开的孔；测试腔4内表面镀有一层聚四氟乙烯材质的薄膜状的内衬5；上活塞6的上部是一个圆杆，圆杆顶端有外螺纹，下部是一个圆柱形的活塞头，活塞头从上插入测试腔4的管内，且与测试腔4内壁良好配合，活塞头圆柱面有一圈环形凹槽；上密封圈7是O型密封圈，套在上活塞6的环形凹槽中；下盖8是一个圆柱形的盖子，上表面有内螺纹凹槽，凹槽底部有一个直径小于测试腔4内径的通孔；下盖8通过内螺纹旋紧固定在测试腔4底部的外螺纹上；导光块9是一个透明材质的垂直放置的圆柱，其需满足的对于某一中等波长的紫外线，折射率等于1.414，(即某一中等波长的紫外线从这种材质中射向真空中时，当入射角等于45°时，刚好会发生全反射)，导光块9上表面切成一个45°的斜面，导光块9的直径与测试腔4的内径紧密配合，从下插入测试腔4中，下表面被下盖8托住，45°的斜表面高度与测试腔4下端朝左开的孔的高度一致，且斜面方向向左；下活塞10材质与导光块9完全相同，是一个透明的垂直放置的圆柱，下活塞10插入测试腔4中，直径与测试腔4的内径紧密配合，且在导光块9上方，下活塞10上端有环形凹槽，下活塞10的下表面切成45°的斜面，并与导光块9的斜面相隔一个微小的空隙并保持平行，下活塞10正对测试腔4下端朝左开的孔的位置的圆柱立面磨成平面；垫片11是一个与下活塞10与导光块9斜面形状相同的环形薄片，夹在下活塞10与导光块9的斜面之间，把活塞10与导光块9的斜面隔开一个微小的空隙；下密封圈12是O型密封圈，套在下活塞10的环形凹槽中；试样13是需要测试的光聚合树脂，填充在上活塞6与下活塞10中间的圆柱状空间内；短波长光源14是紫外线光光源，可以发射短波长的紫外线平行光线，短波长光源14插入测试腔4下部朝左开的孔中，且照射方向向右；长波长光源15是紫外线光光源，可以发射长波长的紫外线平行光线，长波长光源15插入下盖8的通孔中，且照射方向向上；压板16是一个长条状的长方形板，板两端有内螺纹孔分别与左气缸1和右气缸2的气缸杆通过螺纹连接，压板16中心有内螺纹通孔，与上活塞6上端的外螺纹连接；位移传感器17是顶杆具有回弹的位移传感器，传感器外壳固定在基板3上开的通孔中，测试顶杆垂直向上，顶在压板16的下表面。

将待测试样13填充入测试腔4，并给左气缸1、右气缸2施加一定气压，令气缸1、2输出一定的拉力，拉动压板16向下运动；压板16向下压上活塞6；上活塞6将试样13压实，并保持一定的压力；此时打开短波长光源14和长波长光源15，短波长光源14射出的紫外线平行光，如图4所示，从下活塞10圆柱立面磨平的位置，水平向右射入下活塞10中，并水平射向下活塞10呈45°的下表面，因为短波长光源14射出的是较短波长的紫外线，折射率相对于中波长的紫外线更高，因此在斜面上发生全反射，反射后竖直向上，照射入光敏树脂试样13内部；长波长光源15射出的光线，如图5所示，从导光块9底部竖直向上射入导光块9内，竖直向上射向导光块9呈45°的上表面，由于其波长大于中波长的紫外线，折射率较小，因此光线发生折射，经过活塞10与导光块9斜面之间的空隙，射入活塞10，经过活塞10的45°的下表面的再次折射，这束光将继续垂直向上射向待测树脂试样13，这样实际射入树脂13的光线是由长波长和短波长的两股光线叠加而成的；树脂13受到紫外光照射，发生聚合反应，引起体积收缩，从而使活塞6下移；活塞6下移的位移可以由位移传感器17实时采集，通过计算便可以得到试样13的收缩率曲线。由于通过光的反射与折射，固化光线是由长波长和短波长的紫外线互相叠加而成，调节两个光源的光强比例可以方便的调节两种波长紫外线的比例，以满足各种测试条件的需要；由于光线的入射方向是从下方照射，因此光线需要穿透的树脂厚度就是树脂试样13的总高度，通过调节试样13的量，可以方便改变试样13的总高度，以模拟不同厚度制品的固化过程。

本发明提出一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的方法，首先将试样13填充入上活塞6与下活塞10中间的圆柱状空间，试样13的的填充量，应保证试样13的总高度等于所需测试的厚度；为气缸1、气缸2充入气体，给试样13施加压力，气体压力应根据试样13所需压紧力计算得出；当试样13充分压实后，打开短波长光源14和长波长光源15，使树脂试样13光照固化，实时采集位移传感器17随时间的位移，各个时间点位移与试样13总高度的比值即是试样13在各个时间点的收缩率，将各点收缩率连成曲线，即得到试样13的动态收缩率曲线；对于某一固化厚度的试样，应通过调节短波长光源14和长波长光源15的光照强度，改变总光照强度以及长短波长光线的比例，研究光照强度以及光线不同波长组分的比例对试样13固化收缩的作用规律。

本发明提出一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的方法，其测试时短波长光源14和长波长光源15发射的总光照能量可以保持一定，只改变短波长光源14和长波长光源15发射能量的比例，探索不同波长比例对材料收缩的影响。

本发明提出一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的方法，其测试时短波长光源14和长波长光源15发射功率的比值可以保持一定，只改变短波长光源14和长波长光源15发射能量的总量，探索不同光照强度对材料收缩的影响。

本发明提出一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的方法，其测试时短波长光源14发射的功率可以保持一定，只改变长波长光源15发射功率，探索不同长波长光照能量对材料收缩的影响。

本发明提出一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的方法，其测试时长波长光源15发射的功率可以保持一定，只改变短波长光源14发射功率，探索不同短波长光照能量对材料收缩的影响。

Claims (6)

1.一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置，其特征在于：包括左气缸、右气缸、基板、测试腔、内衬、上活塞、上密封圈、下盖、导光块、下活塞、垫片、密封圈、试样、短波长光源、长波长光源、压板和位移传感器，其中：左气缸、右气缸是两个能提供拉力的气缸，它们的气缸杆朝上，缸体竖直放在一平面上；基板是一个长方形的平板，摆放在左气缸和右气缸缸体的上表面，左气缸和右气缸分别位于基板左右两端，并通过螺钉与基板连接，基板与两个气缸连接的位置有孔，气缸杆穿过孔伸出上方，基板的正中央有上面粗下面细的阶梯通孔，上面粗孔有内螺纹；测试腔是一个内表面精密加工光滑的圆管，圆管竖直摆放，上端外圆有一小段带有外螺纹的加粗段，测试腔的上端加粗部分通过此螺纹固定在基板正中央的螺纹孔上，并卡在阶梯孔的台阶位置，测试腔的下端穿过基板的孔悬垂在基板下方，并且最下端有外螺纹，外螺纹上方有一个朝左开的孔；测试腔内表面镀有一层聚四氟乙烯材质的薄膜状的内衬；上活塞的上部是一个圆杆，圆杆顶端有外螺纹，下部是一个圆柱形的活塞头，活塞头从上插入测试腔的管内，且与测试腔内壁良好配合，活塞头圆柱面有一圈环形凹槽，上密封圈是O型密封圈，套在上活塞的环形凹槽中；下盖是一个圆柱形的盖子，上表面有内螺纹凹槽，凹槽底部有一个直径小于测试腔内径的通孔；下盖通过内螺纹旋紧固定在测试腔底部的外螺纹上；导光块是一个透明材质的垂直放置的圆柱，其折射率需满足对于某一中等波长的紫外线，折射率等于1.414，导光块上表面切成一个45°的斜面，导光块的直径与测试腔的内径紧密配合，从下插入测试腔中，下表面被下盖托住，45°的斜表面高度与测试腔下端朝左开的孔的高度一致，且斜面方向向左；下活塞材质与导光块完全相同，是一个透明的垂直放置的圆柱，下活塞插入测试腔中，直径与测试腔的内径紧密配合，且在导光块上方，下活塞上端有环形凹槽，下活塞的下表面切成45°的斜面，并与导光块的斜面相隔一个微小的空隙并保持平行，下活塞正对测试腔下端朝左开的孔的位置的圆柱立面磨成平面；垫片是一个与下活塞和导光块的斜面形状相同的环形薄片，夹在下活塞与导光块的斜面之间，把下活塞与导光块的斜面隔开一个微小的空隙；下密封圈是O型密封圈，套在下活塞的环形凹槽中；试样是需要测试的光聚合树脂，填充在上活塞与下活塞中间的圆柱状空间内；短波长光源是紫外线光光源，能够发射短波长的紫外线平行光线，短波长光源插入测试腔下部朝左开的孔中，且照射方向向右；长波长光源是紫外线光光源，能够发射长波长的紫外线平行光线，长波长光源插入下盖的通孔中，且照射方向向上；压板是一个长条状的长方形板，板两端有内螺纹孔分别与左气缸和右气缸的气缸杆通过螺纹连接，压板中心有内螺纹通孔，与上活塞上端的外螺纹连接；位移传感器是顶杆具有回弹的位移传感器，传感器外壳固定在基板上开的通孔中，测试顶杆垂直向上，顶在压板的下表面。

2.采用权利要求1所述的一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置的检测方法，其特征在于：首先将试样填充入上活塞与下活塞中间的圆柱状空间，试样的填充量应保证试样的总高度等于所需测试的厚度；为气缸充入气体，给试样施加压力，气体压力应根据试样所需压紧力计算得出；当试样充分压实后，打开短波长光源和长波长光源，使树脂试样光照固化，实时采集位移传感器随时间的位移，各个时间点位移与试样总高度的比值即是试样在各个时间点的收缩率，将各点收缩率连成曲线，得到试样的动态收缩率曲线。

3.根据权利要求2所述的一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置的检测方法，其特征在于：测试时短波长光源和长波长光源发射的总光照能量保持一定，只改变短波长光源和长波长光源发射能量的比例，探索不同波长比例对材料收缩的影响。

4.根据权利要求2所述的一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置的检测方法，其特征在于：测试时短波长光源和长波长光源发射功率的比值保持一定，只改变短波长光源和长波长光源发射能量的总量，探索不同光照强度对材料收缩的影响。

5.根据权利要求2所述的一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置的检测方法，其特征在于：测试时短波长光源发射的功率保持一定，只改变长波长光源发射功率，探索不同长波长光照能量对材料收缩的影响。

6.根据权利要求2所述的一种动态测试光聚合模塑成型收缩演化的装置的检测方法，其特征在于：测试时长波长光源发射的功率保持一定，只改变短波长光源发射功率，探索不同短波长光照能量对材料收缩的影响。

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