CN111458222B - 一种网络弹性结构水凝胶渗透压调节拉伸装置与测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种网络弹性结构水凝胶渗透压调节拉伸装置与测试方法，包含拉伸机、销、连接装置、旋钮、夹具外壳、弹簧、硬质夹板、出水口、开放网络结构弹性体夹板、渗透压传感器、入水口、拉力传感器、水发生装置、PID调节分析模块。拉伸机通过夹具向水凝胶样品施加载荷，完成拉力‑拉伸位移的力学性能曲线测试。本发明通过渗透压传感器和水发生装置可防止含水凝胶试件在夹持部分由于外力作用产生的局部水分重分布现象，减轻其导致的试件局部应力集中；通过采用由开放网络结构材料制备拉伸夹板，使得凝胶不易出现局部损伤，使得水凝胶在拉伸时不在加持部位断裂，保证可以得到准确的拉伸长度。

Description

一种网络弹性结构水凝胶渗透压调节拉伸装置与测试方法
技术领域
本发明涉及一种开放网络结构弹性体水凝胶渗透压调节拉伸装置与化学-力学耦合拉伸测试方法，属于实验力学与水凝胶材料多场耦合测试技术领域，尤其涉及一种开放网络结构弹性体水凝胶渗透压调节拉伸装置与化学-力学耦合拉伸测试方法。
背景技术
水凝胶是一种软材料，通常由亲水性、交联性的聚合物组成三维网络结构，借由这种结构及聚合物特性，水凝胶可以吸收外界的大量水分。由于水凝胶的多功能性、仿生物结构和可调机械性能使其成为具有应用价值的软性生物材料，使其在工业用品、生物医学、药物传输及日常用品等领域中有着广阔的应用前景。因此，采用实验手段对水凝胶进行力学行为及力学行为的检测极其重要。本发明的技术背景如下:
第一、常规的水凝胶单轴拉伸测试方法的测量对象是充分溶胀的水凝胶试件。测试过程中，在夹头处水凝胶试件受到挤压，含水凝胶试件在夹持部分由于外力作用局部水分重分布。由于这种水分重分布造成夹头边缘水凝胶的化学势能增高，从而导致凝胶试件局部应力集中，易使凝胶从加持部位断裂，这使得测试结果产生误差。
第二、因水凝胶试件越小，加持部分就越易受水分重分布导致的局部应力集中影响，从而使得试件从加持部分断裂，不利于形状较小的水凝胶进行拉伸测试。
第三、目前拉伸机夹头通常以合金钢为主，对于力学性能较弱(拉伸强度小于1MPa)的水凝胶，加持力过大会造成水凝胶试样夹断，加持力过小易造成试样脱离夹具，造成较大误差。
第四、目前常用的使用主要成分为氰基丙烯酸酯的胶水将水凝胶试样粘结在夹具上的方法繁琐费时，且易造成粘结处凝胶成分改变，使得在粘结处破坏。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种开放网络结构弹性体水凝胶渗透压调节拉伸装置与化学-力学耦合拉伸测试方法。连接装置一端通过销与拉伸机主轴相连，另一端通过螺纹配合与上夹持装置相连。下夹持装置通过连接装置与拉力传感器连接。拉力传感器置于拉伸机的工作台上，并通过PID调节分析模块。渗透压传感器通过导线与渗透压传感器相连，并嵌入开放网络结构弹性体夹板中，出水口，进水口，分别位于开放网络结构弹性体夹板的上下两端，并通过导管与水发生装置连接，通过渗透压传感器检测开放网络结构弹性体夹板的水含量，将水发生装置内部水分补充至开放网络结构弹性体夹板内部。
本发明技术方案如下：
一种开放网络结构弹性体水凝胶渗透压调节拉伸装置与化学-力学耦合拉伸测试方法，其特征在于，包含：拉伸机、销、连接装置、旋钮、夹具外壳、弹簧、硬质夹板、出水口、开放网络结构弹性体夹板、渗透压传感器、入水口、拉力传感器、水发生装置和PID调节分析模块。
作为本专利的进一步改进，其特征在于，所述上夹持装置与下夹持装置的夹板是由存在开放网络结构的弹性材料所制备而成，其弹性模量与凝胶近似，不会因太硬夹坏凝胶，兼具粘性较好，与夹合的凝胶形成好的表面接触力，适于夹持水凝胶这类含水量较高的材料。
作为本专利的进一步改进，其特征在于，应用渗透压传感器，水发生装置，防止了水凝胶夹持部分因受到挤压导致水凝胶夹持部位水分重分布的情况，减轻了水凝胶夹持部位的应力集中，从而使拉伸试验产生误差进行了修正。
一种开放网络结构弹性体水凝胶渗透压调节拉伸夹具与化学-力学耦合拉伸测试方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1：建立开放网络结构水凝胶渗透压调节拉伸装置。拉伸前应该先测量试件渗透压，用于测量过程中的渗透压校准。
步骤2：准备水凝胶拉伸试样，将试样加持于上、下夹头中间，保证试样处于竖直状态，同时应用渗透压传感器，水发生装置防止在低拉伸速率下，水凝胶水分重分布现象导致的化学力学耦合集中现象的发生。
步骤3：接下来对水凝胶试样进行拉伸实验，记录拉力传感器的拉力随时间变化的曲线图，然后以其为依据，做出水凝胶应力应变曲线。
有益效果
本发明通过渗透压传感器和水发生装置可防止含水凝胶试件在夹持部分由于外力作用产生的局部水分重分布现象，减轻其导致的试件局部应力集中；通过采用由开放网络结构材料制备拉伸夹板，使得凝胶不易出现局部损伤，使得水凝胶在拉伸时不在加持部位断裂，保证可以得到准确的拉伸长度；采用氰基丙烯酸酯的胶水将水凝胶试样粘结在夹具上的方法繁琐费时，且易造成粘结处凝胶成分改变，采用本发明成本较低且步骤简单。
附图说明
图1是本发明的装置整体图。
图2是本发明的局部示意图。
具体实施方式
为使本发明能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
一种开放网络结构弹性体水凝胶渗透压调节拉伸装置与化学-力学耦合拉伸测试方法，其特征在于，包含：拉伸机(1)，销(2)，连接装置(3)，旋钮(4)，夹具外壳(5)，弹簧(6)，硬质夹板(7)，出水口(8)，开放网络结构弹性体夹板(9)，渗透压传感器(10)，入水口(11)，拉力传感器(12)，水发生装置(13)，PID调节分析模块(14)。所述连接装置(3)一端通过销(2)与拉伸机(1)主轴相连，另一端通过螺纹配合与旋钮(4)夹具外壳(5)相连。所述硬质夹板(7)通过自身卡口与连接装置(3)相配合。所述开放网络结构弹性体夹板(9)通过粘结剂与硬质夹板(7)紧密粘合。所述水发生装置(13)通过导线分别与渗透压传感器(10)相连，渗透压传感器(10)则镶嵌于开放网络结构弹性体夹板(9)内部。所述出水口(8)，进水口(11)，分别位于开放网络结构弹性体夹板(9)的上下两端，并通过导管与水发生装置(13)连接，通过渗透压传感器(10)检测开放网络结构弹性体夹板(9)的水含量，将水发生装置(13)内部水分补充至开放网络结构弹性体夹板(9)内部。下部的拉伸夹具配合与上部相同。所述拉力传感器(12)通过螺纹配合下部拉伸夹具连接。所述拉力传感器(12)置于拉伸机(1)的工作台上，并通过导线与PID调节分析模块(14)连接。
所述的开放网络结构水凝胶渗透压调节拉伸装置与化学-力学耦合拉伸测试方法，其技术特征在于：所述上夹持装置与下夹持装置的夹板是由存在开放网络结构的弹性材料所制备而成，其弹性模量与凝胶近似，不会因太硬夹坏凝胶，兼具粘性较好，与夹合的凝胶形成好的表面接触力，适于夹持水凝胶这类含水量较高的材料。
所述的开放网络结构水凝胶渗透压调节拉伸装置与化学-力学耦合拉伸测试方法，其技术特征在于：应用渗透压传感器(10)，水发生装置(13)，防止了水凝胶夹持部分因受到挤压导致水凝胶夹持部位水分重分布的情况，减轻了水凝胶夹持部位的应力集中，从而使拉伸试验产生误差进行修正。
所述的一种开放网络结构弹性体水凝胶渗透压调节拉伸夹具与化学-力学耦合拉伸测试方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1：根据权利要求1-3建立开放网络结构水凝胶渗透压调节拉伸装置。拉伸前应该先测量试件渗透压，用于测量过程中的渗透压校准。
步骤2：准备水凝胶拉伸试样，将试样加持于上、下夹头中间，保证试样处于竖直状态，同时应用渗透压传感器，水发生装置防止在低拉伸速率下，水凝胶水分重分布现象导致的化学力学耦合集中现象的发生。
步骤3：接下来对水凝胶试样进行拉伸实验，记录拉力传感器的拉力随时间变化的曲线图，然后以其为依据，做出水凝胶应力应变曲线。

Claims (3)

1.一种开放网络结构弹性体水凝胶渗透压调节拉伸装置，其特征在于，连接装置（3）一端通过销（2）与拉伸机（1）主轴相连，另一端通过螺纹配合与旋钮（4）和夹具外壳（5）相连；硬质夹板（7）通过自身卡口与连接装置（3）相配合；开放网络结构弹性体夹板（9）通过粘结剂与硬质夹板（7）紧密粘合；水发生装置（13）通过导线与渗透压传感器（10）相连，渗透压传感器（10）则镶嵌于开放网络结构弹性体夹板（9）内部；出水口（8）、进水口（11）分别位于开放网络结构弹性体夹板（9）的上下两端，并通过导管与水发生装置（13）连接，通过渗透压传感器（10）检测开放网络结构弹性体夹板（9）的水含量，将水发生装置（13）内部水分补充至开放网络结构弹性体夹板（9）内部；下部的拉伸夹具与上部相同；拉力传感器（12）通过螺纹配合下部拉伸夹具连接；拉力传感器（12）置于拉伸机（1）的工作台上，并通过导线与PID调节分析模块（14）连接；
上拉伸夹具与下拉伸夹具的开放网络结构弹性体夹板（9）是由存在开放网络结构的弹性材料所制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种开放网络结构弹性体水凝胶渗透压调节拉伸装置，其特征在于：应用渗透压传感器（10）和水发生装置（13），防止水凝胶夹持部位因受到挤压导致水凝胶夹持部位水分重分布，减轻水凝胶夹持部位的应力集中，使拉伸试验产生误差进行修正。
3.利用权利要求1所述开放网络结构弹性体水凝胶渗透压调节拉伸装置进行的测试方法，其特征在于：该测试方法的具体步骤如下：
步骤1：搭建装配开放网络结构弹性体水凝胶渗透压调节拉伸装置；拉伸前应该先测量试件渗透压，用于测量过程中的渗透压校准；
步骤2：准备水凝胶拉伸试样，将试样加持于上、下拉伸夹具中间，保证试样处于竖直状态，同时应用渗透压传感器（10）、水发生装置（13）防止在低拉伸速率下，水凝胶水分重分布现象导致的化学力学耦合集中现象的发生；
步骤3：接下来对水凝胶试样进行拉伸实验，记录拉力传感器（12）的拉力随时间变化的曲线图，然后以其为依据，做出水凝胶应力应变曲线。
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