CN111238987A - 吸水凝胶自动实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种吸水凝胶自动实验装置，它包括互相连接的称量工位、吸水工位和多个实验工位；所述的称量工位中，振动供料装置下方设有自动称重装置，自动称重装置中设有往复运动的第一称重料筒和第二称重料筒，第一称重料筒和第二称重料筒为上下贯通的结构，在第一称重料筒和第二称重料筒的下方设有称重装置，称重装置的下方两侧设有分料料筒，分料料筒的下方设有双层实验皿；所述的吸水工位中，第一输送装置与缓存仓的入口连接，第二输送带与缓存仓的出口连接，在第二输送装置设有送样装置，送样装置用于将双层实验皿的内层实验皿与外层实验皿分送到不同的实验工位。本发明能够大幅降低吸水凝胶实验的劳动强度，提高实验效率。

Description

吸水凝胶自动实验装置及方法

技术领域

本发明涉及功能高分子材料实验领域，特别是一种吸水凝胶自动实验装置及方法。

背景技术

吸水凝胶被广泛运用在医疗用品、生活用品、化妆用品和办公用品中，应用领域广泛。吸水凝胶具有非常多的配方和制备工艺，例如：CN108003391A、CN105542220A、CN106866867A、CN 102153665A、CN101519496A这些专利文献中的记载，制备出来的吸水凝胶具有多个完全不同或相近的性能和参数。要测试这些产品的性能和参数，需要进行大量的实验，而且由于吸水凝胶材料的特殊性，实验中各个参数与时间的关系并非成线性关系，因此，采用正交实验方式，很容易遗漏重要的参数，因此对吸水凝胶进行实验的劳动强度非常高，目前尚未见较好的解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种吸水凝胶自动实验装置及方法，能够大幅降低吸水凝胶实验的劳动强度，提高实验效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种吸水凝胶自动实验装置，它包括互相连接的称量工位、吸水工位和多个实验工位；

所述的称量工位中，振动供料装置下方设有自动称重装置，自动称重装置中设有往复运动的第一称重料筒和第二称重料筒，第一称重料筒和第二称重料筒为上下贯通的结构，在第一称重料筒和第二称重料筒的下方设有称重装置，称重装置的下方两侧设有分料料筒，分料料筒的下方设有双层实验皿；

所述的吸水工位中，第一输送装置与缓存仓的入口连接，第二输送带与缓存仓的出口连接，在第二输送装置设有送样装置，送样装置用于将双层实验皿的内层实验皿与外层实验皿分送到不同的实验工位。

优选的方案中，所述的第一称重料筒和第二称重料筒固定连接，第一称重料筒和第二称重料筒的底面与称重装置的上表面形成滑动密封结构。

优选的方案中，在第一称重料筒和第二称重料筒的两侧设有第一称重气缸和第二称重气缸，用于推动第一称重料筒和第二称重料筒往复运动。

优选的方案中，所述的分料料筒设有两个分支滑道，两个分支滑道分别位于称重装置的两侧，与第一称重料筒和第二称重料筒往复运动的极限位置相对应，两个分支滑道与下部的主滑道连接。

优选的方案中，所述的双层实验皿中，内层实验皿套在外层实验皿内，所述的内层实验皿的底部为开放结构，内层实验皿的底部设有筛网，内层实验皿的外壁靠近顶部的位置从上到下设有上杯沿和下杯沿，上杯沿与下杯沿之间留有空间，用于插入送样装置的叉形机械手。

优选的方案中，所述的送样装置中，机械臂滑动安装在横梁上，机械臂内设有升降装置，机械臂的下端设有叉形机械手，所述的叉形机械手设有两根平行的杆，两根杆的一端互相连接。

优选的方案中，所述的实验工位包括自然干燥工位、烘干干燥工位、离心脱水工位和压力脱水工位中的一种或多种；

所述的自然干燥工位中设有鼓风装置，所述的烘干干燥工位设有加热元件，所述的离心脱水工位设有离心脱水装置。

优选的方案中，所述的实验工位包括压力脱水工位，所述的压力脱水工位中，重球与滑动杆的一端固定连接，滑动杆活动安装在滑动轨上，滑动轨与升降气缸的活塞杆固定连接，滑动杆的另一端固设有缓冲垫和限位块，在滑动杆的一侧还设有测量装置。

一种采用上述的吸水凝胶自动实验装置的实验方法，包括以下步骤：

S1、将每批次的实验物料定量添加到供料斗，经过自动称重装置将实验物料定量分装到各个双层实验皿内，双层实验皿内注入足量水；

S2、将添加了实验物料的双层实验皿送至缓存仓内吸水，每隔一个时间段送出双层实验皿，通过送样装置的叉形机械手取出内层实验皿，外层实验皿送去称量，与注入的水重量相减，得到吸水量参数，引入记录的吸水时间参数得到吸水速率参数；

S3、内层实验皿送入各个实验工位，进行下一步实验；

通过以上步骤实现吸水凝胶自动实验。

优选的方案中，在送样装置下方设有并行的多个输送装置，各个输送装置连接不同的实验工位，在输送装置的一侧设有推料气缸，用于将内层实验皿推动到不同的输送装置；

在自然干燥工位中，通过室温风吹的方式，测量吸水凝胶的保水效果；

在烘干干燥工位中，通过加温到70摄氏度以下，室温以上，测量吸水凝胶高温条件下的保水效果；

在离心脱水工位中，通过离心脱水装置测量全压力条件下吸水凝胶的保水效果；

在压力脱水工位中，通过设置的压力脱水装置，测试压力条件下吸水凝胶的保水效果及吸水后的强度。

本发明提供的一种吸水凝胶自动实验装置及方法，通过采用以上的结构和方法，能够大幅降低吸水凝胶实验的劳动强度，提高实验效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中的结构框图。

图2为本发明中称量工位的结构示意图。

图3为本发明中自动称重装置的结构示意图。

图4为本发明中双层实验皿的结构示意图。

图5为本发明中吸水工位的俯视结构示意图。

图6为本发明中内层实验皿被送样装置夹持时的侧视图。

图7为本发明中内层实验皿被送样装置夹持时的主视图。

图8为本发明中送样装置的结构示意图。

图9为本发明中离心脱水装置的结构示意图。

图10为本发明中压力脱水装置的结构示意图。

图中：供料斗1，振动供料装置2，物料滑道21，振动装置22，弹性元件23，料筒3，自动称重装置4，第一称重料筒41，第一称重气缸42，第二称重气缸43，称重装置44，分料料筒45，第二称重料筒46，双层实验皿5，内层实验皿51，筛网511，下杯沿512，上杯沿513，外层实验皿52，第一输送装置6，送样装置7，横梁71，同步带72，驱动轮73，机械臂74，叉形机械手75，升降装置76，离心脱水装置8，压力脱水装置9，升降气缸91，滑动轨92，测量装置93，重球94，缓冲垫95，限位块96，配重97，滑动杆98，第二输送装置10，第三输送装置11，第四输送装置12，第五输送装置13，推料气缸14，缓存仓15，升降挡板16。

具体实施方式

实施例1：

如图1~10中，一种吸水凝胶自动实验装置，它包括互相连接的称量工位、吸水工位和多个实验工位；

如图2、3中，所述的称量工位中，振动供料装置2下方设有自动称重装置4，自动称重装置4中设有往复运动的第一称重料筒41和第二称重料筒46，第一称重料筒41和第二称重料筒46为上下贯通的结构，在第一称重料筒41和第二称重料筒46的下方设有称重装置44，称重装置44的下方两侧设有分料料筒45，分料料筒45的下方设有双层实验皿5；由此结构，按照预设的重量将吸水凝胶的物料送入到每个双层实验皿5中。

如图2中，所述的振动供料装置2中，物料滑道21通过多个弹性元件23支承在支架上，在物料滑道21设倾斜的设有振动装置22，通过振动装置22的振动实现前抛式振动供料。在物料滑道21的一端设有供料斗1，另一端设有料筒3。供料斗1的体积被设置为一次实验所需的物料的量。

如图5中，所述的吸水工位中，第一输送装置6与缓存仓15的入口连接，第二输送带10与缓存仓15的出口连接，在第二输送装置10设有送样装置7，送样装置7用于将双层实验皿5的内层实验皿51与外层实验皿52分送到不同的实验工位。由此结构，将在预设时间内吸水的吸水凝胶的物料分送至各个实验工位，并将外层实验皿52中的余液送入后继的称量工位。

优选的方案如图3中，所述的第一称重料筒41和第二称重料筒46固定连接，第一称重料筒41和第二称重料筒46的底面与称重装置44的上表面形成滑动密封结构。由此结构，实现精确的分料，即通过称重装置44将物料精确称量，以使实验数据精确。

优选的方案如图3中，在第一称重料筒41和第二称重料筒46的两侧设有第一称重气缸42和第二称重气缸43，用于推动第一称重料筒41和第二称重料筒46往复运动。由此结构，用于驱动第一称重料筒41和第二称重料筒46往复运动，且不会影响称量的准确性。

优选的方案如图3中，所述的分料料筒45设有两个分支滑道，两个分支滑道分别位于称重装置44的两侧，与第一称重料筒41和第二称重料筒46往复运动的极限位置相对应，两个分支滑道与下部的主滑道连接。由此结构，交替地将称量好的物料送入到各个双层实验皿5中。

优选的方案如图4~8中，所述的双层实验皿5中，内层实验皿51套在外层实验皿52内，所述的内层实验皿51的底部为开放结构，内层实验皿51的底部设有筛网511，内层实验皿51的外壁靠近顶部的位置从上到下设有上杯沿513和下杯沿512，上杯沿513与下杯沿512之间留有空间，用于插入送样装置7的叉形机械手75，而下杯沿512用于限定内层实验皿51套入到外层实验皿52的深度。由此结构，便于物料在双层实验皿5中吸水，也便于将物料与参与的水分离，从而测算得到吸水量参数。

优选的方案中，所述的送样装置7中，机械臂74滑动安装在横梁71上，机械臂74内设有升降装置76，机械臂74的下端设有叉形机械手75，所述的叉形机械手75设有两根平行的杆，两根杆的一端互相连接。由此结构，便于实现自动化的将内层实验皿51与外层实验皿52分离，并将内层实验皿51输送至实验工位。

优选的方案如图1、9、10中，所述的实验工位包括自然干燥工位、烘干干燥工位、离心脱水工位和压力脱水工位中的一种或多种；

所述的自然干燥工位中设有鼓风装置，所述的烘干干燥工位设有加热元件，所述的离心脱水工位设有离心脱水装置。如图9中，所述的离心脱水装置包括一个转盘，转盘通过带有变频器的电机驱动旋转，转盘的最高转速能够达到10000转。各个内层实验皿51被固定在转盘上，内层实验皿51的底部朝向外缘。在实验前先称量内层实验皿51的重量，通过离心脱水后再称量内层实验皿51的重量，以得到脱水量。

优选的方案图如图10中，所述的实验工位包括压力脱水工位，所述的压力脱水工位中，重球94与滑动杆98的一端固定连接，滑动杆98活动安装在滑动轨92上，滑动轨92与升降气缸91的活塞杆固定连接，滑动杆98的另一端固设有缓冲垫95和限位块96，在滑动杆98的一侧还设有测量装置93，测量装置93优选采用光电测量装置，通过光在滑动杆98上刻度产生的反射变化，能够测量重球94的陷入深度。由此结构，通过重球94的陷入深度，即可得到定压力下的脱水量，并能够能到吸水凝胶在吸水后的强度参数。

实施例2：

如图1中，一种采用上述的吸水凝胶自动实验装置的实验方法，包括以下步骤：

S1、将每批次的实验物料定量添加到供料斗1，经过自动称重装置4将实验物料定量分装到各个双层实验皿5内，双层实验皿5内注入足量水，优选的，水中需要加入适量的防腐剂，以防止水凝胶长霉；

S2、将添加了实验物料的双层实验皿5送至缓存仓15内吸水，每隔一个时间段送出双层实验皿5，通过送样装置7的叉形机械手75取出内层实验皿51，外层实验皿52送去称量，与注入的水重量相减，得到吸水量参数，引入记录的吸水时间参数得到吸水速率参数；

S3、内层实验皿51送入各个实验工位，进行下一步实验；

通过以上步骤实现吸水凝胶自动实验。

进一步优选的方案中，在送样装置7下方设有并行的多个输送装置，各个输送装置连接不同的实验工位，在输送装置的一侧设有推料气缸14，用于将内层实验皿51推动到不同的输送装置；

在自然干燥工位中，通过室温风吹的方式，测量吸水凝胶的保水效果；

在烘干干燥工位中，通过加温到70摄氏度以下，室温以上，测量吸水凝胶高温条件下的保水效果；

在离心脱水工位中，通过离心脱水装置8测量全压力条件下吸水凝胶的保水效果；

在压力脱水工位中，通过设置的压力脱水装置9，测试压力条件下吸水凝胶的保水效果及吸水后的强度。

实施例3：

以某个吸水凝胶的具体实验过程为例，进一步对本发明做出说明：

S1、制备吸水凝胶并干燥得到吸水凝胶物料成品。

S2、将物料成品装入到供料斗1，将供料斗1的顶部刮平，供料斗1不与振动供料装置2直接接触，当物料滑道21振动，物料均匀的沿着物料滑道21向料筒3的方向运动，如图1中所示。物料经过料筒3进入到第一称重料筒41中，此时称重装置44称量的是第一称重料筒41、第二称重料筒46和物料的总重量，称重装置44的控制装置将第一称重料筒41和第二称重料筒46的重量减去，即得到物料的重量，当达到预设值，控制装置驱动第一称重气缸42的电磁阀动作，第一称重气缸42的活塞杆伸出，将第一称重料筒41和第二称重料筒46整体推动一段距离，活塞杆伸出缩回，此时第一称重料筒41位于分料料筒45中右侧滑道的上方，如图2中所示，第一称重料筒41内的物料进入到分料料筒45，落下到双层实验皿5内，而振动供料装置2则继续给第二称重料筒46中供料，并在物料重量达到预设值后，驱动第二称重气缸43的活塞杆伸出，将物料卸载到另一个双层实验皿5内。在双层实验皿5内注入有定量且足够吸水凝胶饱和吸入的水。第一输送装置6步进运动，使各个双层实验皿5内均装入到足够的物料，然后送入到缓存仓15中静置吸水。在一个预设时间段，从缓存仓15的出口将部分的双层实验皿5送出，例如某吸水凝胶通常需要24h才能实现饱和吸水，而在实验过程中，分别每隔一个小时，即送出一批双层实验皿5，将其中的内层实验皿51取出，然后将外层实验皿52经过第三输送装置11送入到称量装置，称量后的重量减去外层实验皿52的自重，然后与预先注入的水的重量进行差运算，记得到吸水量，连续多次直至超过24h，将得到的吸水量参数与时间变化绘制曲线图，即可得到当前实验的吸水凝胶的吸水率变化曲线。

S3、第二输送装置10位于缓存仓15的出口位置，在第二输送装置10的末端还设有升降挡板16，升降挡板16由一个升降气缸驱动，并通过滑轨确保升降挡板16的精确位置。升降挡板16的作用是阻止双层实验皿5继续前行，并使升降挡板16被精确的定位。

S4、在送样装置7中，机械臂74的驱动轮73动作，驱动轮73被一伺服电机驱动旋转，驱动轮73的转动使机械臂74沿着固设的同步带72精确位移，机械臂74为一个套合的上、下臂结构，在上臂和下臂之间设有升降装置76，本例中的升降装置采用丝杠螺母升降机构，螺母与下臂固定连接，丝杠通过轴承可转动的支承在上臂，丝杠的一端与螺母螺纹连接，丝杠的另一端与固设在上臂的伺服电机固定连接，通过伺服电机的转动控制下臂的精确升降，叉形机械手75与下臂固定连接。

送样装置7控制叉形机械手75对准双层实验皿5中的上杯沿513与下杯沿512的空间，驱动轮73动作，叉形机械手75无摩擦的插入到上杯沿513与下杯沿512之间，机械臂74的升降装置76动作，下臂和叉形机械手75提升，内层实验皿51从外层实验皿52中被取出，在取出过程中，未吸附的水滤出到外层实验皿52中。

S5、升降挡板16降下，外层实验皿52送入到称量工位中进行称量，得到外层实验皿52和内存水的重量，与预先注入的水和外层实验皿52的自重作差运算，得到吸水凝胶物料的吸水量参数，图5中的称量工位未示出。

S6、送样装置7的驱动轮73动作，机械臂74运行至第四输送装置12的上方，机械臂74的升降装置76驱动下臂下降，直至叉形机械手75与内层实验皿51无摩擦，驱动轮73动作，机械臂74沿横梁71运动，使叉形机械手75与内层实验皿51分离。第四输送装置12将内层实验皿51送入到一个实验工位，例如自然干燥工位，在进入到自然干燥工位前，先经过称量，通过风吹一段时间后，再次称量得到失水参数。根据不同时间段得到的失水参数，得到吸水凝胶自然条件下的失水速率。

S7、当一个实验工位数量足够，在第四输送装置12一侧的推料气缸14动作，将内层实验皿51推送至第五输送装置13，送入另一个实验工位，例如烘干干燥工位。以此类推，将内层实验皿51推送至各个不同的工位。可选的，为进一步提高实验效率，推料气缸14以及其他的各个推料气缸可以是交替的动作，即通过n个内层实验皿51后即推送n次。例如，通过1个内层实验皿51后推送3次，而下一个推料气缸则通过1个内层实验皿51后推送2次，再下一个推料气缸则通过1个内层实验皿51后推送1次，由此方式，使各个实验工位在相差不大的时间段内即获得一个内层实验皿51进行实验。

S8、烘干干燥工位内的加热温度被调节到50~70℃，在烘干干燥工位内还设有湿度传感器，当烘干干燥工位内的湿度达到预设值，则开启通风装置，将湿空气排出，新鲜空气经过换热后进入到烘干干燥工位内。在进入到烘干干燥工位前，先经过称量，实验一段时间后，再次称量得到失水参数。根据不同时间段得到的失水参数，得到吸水凝胶高温烘干条件下的失水速率。

S9、在离心脱水工位，将内层实验皿51安装在离心脱水装置8的转盘上，离心脱水装置8高速转动脱水。内层实验皿51在进入离心脱水工位前，先经过称量，实验一段时间后，再次称量得到失水参数。根据不同时间段得到的失水参数，得到吸水凝胶高温烘干条件下的失水速率。

S10、在压力脱水工位，先称量内层实验皿51的重量，当内层实验皿51经过压力脱水装置9，升降气缸91的活塞杆完全伸出，并以此位置作为基准，重球94沿着滑动轨92自由落入到内层实验皿51内一段时间，测量装置93采用光电传感器，读取滑动杆98上的刻度，得到深度数值，从而得出吸水凝胶的吸水后强度参数，以及保水效果，实验完毕后，再对内层实验皿51进行称量，得到压力条件下的吸水凝胶失水参数。上述参数的意义在于评价某些需要承重的包含吸水凝胶的产品，在压力条件下的保水效果。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的技术特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种吸水凝胶自动实验装置，其特征是：它包括互相连接的称量工位、吸水工位和多个实验工位；

所述的称量工位中，振动供料装置（2）下方设有自动称重装置（4），自动称重装置（4）中设有往复运动的第一称重料筒（41）和第二称重料筒（46），第一称重料筒（41）和第二称重料筒（46）为上下贯通的结构，在第一称重料筒（41）和第二称重料筒（46）的下方设有称重装置（44），称重装置（44）的下方两侧设有分料料筒（45），分料料筒（45）的下方设有双层实验皿（5）；

所述的吸水工位中，第一输送装置（6）与缓存仓（15）的入口连接，第二输送带（10）与缓存仓（15）的出口连接，在第二输送装置（10）设有送样装置（7），送样装置（7）用于将双层实验皿（5）的内层实验皿（51）与外层实验皿（52）分送到不同的实验工位。

2.根据权利要求1所述的一种吸水凝胶自动实验装置，其特征是：所述的第一称重料筒（41）和第二称重料筒（46）固定连接，第一称重料筒（41）和第二称重料筒（46）的底面与称重装置（44）的上表面形成滑动密封结构。

3.根据权利要求2所述的一种吸水凝胶自动实验装置，其特征是：在第一称重料筒（41）和第二称重料筒（46）的两侧设有第一称重气缸（42）和第二称重气缸（43），用于推动第一称重料筒（41）和第二称重料筒（46）往复运动。

4.根据权利要求2所述的一种吸水凝胶自动实验装置，其特征是：所述的分料料筒（45）设有两个分支滑道，两个分支滑道分别位于称重装置（44）的两侧，与第一称重料筒（41）和第二称重料筒（46）往复运动的极限位置相对应，两个分支滑道与下部的主滑道连接。

5.根据权利要求1所述的一种吸水凝胶自动实验装置，其特征是：所述的双层实验皿（5）中，内层实验皿（51）套在外层实验皿（52）内，所述的内层实验皿（51）的底部为开放结构，内层实验皿（51）的底部设有筛网（511），内层实验皿（51）的外壁靠近顶部的位置从上到下设有上杯沿（513）和下杯沿（512），上杯沿（513）与下杯沿（512）之间留有空间，用于插入送样装置（7）的叉形机械手（75）。

6.根据权利要求1或5所述的一种吸水凝胶自动实验装置，其特征是：所述的送样装置（7）中，机械臂（74）滑动安装在横梁（71）上，机械臂（74）内设有升降装置（76），机械臂（74）的下端设有叉形机械手（75），所述的叉形机械手（75）设有两根平行的杆，两根杆的一端互相连接。

7.根据权利要求1所述的一种吸水凝胶自动实验装置，其特征是：所述的实验工位包括自然干燥工位、烘干干燥工位、离心脱水工位和压力脱水工位中的一种或多种；

所述的自然干燥工位中设有鼓风装置，所述的烘干干燥工位设有加热元件，所述的离心脱水工位设有离心脱水装置。

8.根据权利要求1所述的一种吸水凝胶自动实验装置，其特征是：所述的实验工位包括压力脱水工位，所述的压力脱水工位中，重球（94）与滑动杆（98）的一端固定连接，滑动杆（98）活动安装在滑动轨（92）上，滑动轨（92）与升降气缸（91）的活塞杆固定连接，滑动杆（98）的另一端固设有缓冲垫（95）和限位块（96），在滑动杆（98）的一侧还设有测量装置（93）。

9.一种采用权利要求1~8任一项所述的吸水凝胶自动实验装置的实验方法，其特征是包括以下步骤：

S1、将每批次的实验物料定量添加到供料斗（1），经过自动称重装置（4）将实验物料定量分装到各个双层实验皿（5）内，双层实验皿（5）内注入足量水；

S2、将添加了实验物料的双层实验皿（5）送至缓存仓（15）内吸水，每隔一个时间段送出双层实验皿（5），通过送样装置（7）的叉形机械手（75）取出内层实验皿（51），外层实验皿（52）送去称量，与注入的水重量相减，得到吸水量参数，引入记录的吸水时间参数得到吸水速率参数；

S3、内层实验皿（51）送入各个实验工位，进行下一步实验；

通过以上步骤实现吸水凝胶自动实验。

10.根据权利要求9所述的一种采用吸水凝胶自动实验装置的实验方法，其特征是：在送样装置（7）下方设有并行的多个输送装置，各个输送装置连接不同的实验工位，在输送装置的一侧设有推料气缸（14），用于将内层实验皿（51）推动到不同的输送装置；

在自然干燥工位中，通过室温风吹的方式，测量吸水凝胶的保水效果；

在烘干干燥工位中，通过加温到70摄氏度以下，室温以上，测量吸水凝胶高温条件下的保水效果；

在离心脱水工位中，通过离心脱水装置（8）测量全压力条件下吸水凝胶的保水效果；

在压力脱水工位中，通过设置的压力脱水装置（9），测试压力条件下吸水凝胶的保水效果及吸水后的强度。

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