CN111610097A - 高分子材料四向或双向拉伸试验设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分子材料四向或双向拉伸试验设备。一种高分子材料四向或双向拉伸试验设备，包括第一夹持机构、第二夹持机构、第三夹持机构以及第四夹持机构；第一夹持机构和第二夹持机构连接有第一水平驱动机构，第三夹持机构和第四夹持机构连接有第二水平驱动机构；还包括具有密封门的箱体，箱体内设置有温控系统和光源，箱体上设置有换气系统；第一夹持机构、第二夹持机构、第三夹持机构以及第四夹持机构均位于箱体内。本试验装置将各部件集成设置在箱体内，并且可对箱体内的温度、光照、气体等试验条件进行设置，满足各种薄膜拉伸的试验要求，能够实现用户自定义的外场条件和拉伸方法的高分子薄膜材料的制备及力学性能测试，应用范围广泛。

Description

高分子材料四向或双向拉伸试验设备

技术领域

本发明属于拉伸试验设备领域，尤其是一种高分子材料四向或双向拉伸试验设备。

背景技术

近年来，高分子功能材料在航空航天、船舶、能源储存、电子器件、建筑材料、生物医用、农用等领域得到了广泛的应用。然而为了满足在愈来愈复杂和严苛的环境下的使用要求，高分子材料的各项性能尤其是力学性能往往达不到使用需求。于是，如何调控高分子材料的分子链取向分布和拓扑缠结结构成为了目前高性能高分子材料的设计和制备的主要问题。

双轴拉伸处理的高分子材料具有各向同性且各个方向力学性能优异，双轴拉伸聚丙烯(BOPP)作为一种最早工业化的商用高分子材料具有高力学性能、高透明性等特点，这为双轴拉伸处理高分子材料提供了明确的指导意义。近年来，有许多学者对于高分子材料双轴拉伸设备进行了研究，如申请号为201811012108.7的发明专利申请公开了一种薄膜拉伸试验机，这种薄膜拉伸试验机用于对挤出机生产的铸片进行拉伸试验，不能检测试样受到的拉力，应用范围较窄。此外，简单双轴拉伸处理并非对所有高分子薄膜材料高值化、高性能化有效，针对不同薄膜材料而言，应针对其物理化学特性(玻璃化转变温度，溶剂敏感性等)进行特定的外加场(红外/紫外光、温度场、溶剂环境和气体氛围等)从而实现高分子薄膜的高性能化。所以，设计一种简便且具有普适意义的多种外场条件耦合的高分子薄膜、棒材和板材制备方法和装置对于开发新型高性能高分子材料起到极为重要的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高分子材料四向或双向拉伸试验设备，可施加多外场条件，实现用户自定义的外场条件和拉伸方法的高分子薄膜、棒材、板材等材料的制备及力学性能测试，应用范围广泛。

本发明的目的是这样实现的：高分子材料四向或双向拉伸试验设备，包括第一夹持机构、第二夹持机构、第三夹持机构以及第四夹持机构，第一夹持机构、第二夹持机构、第三夹持机构以及第四夹持机构围成一正方形的检测窗口，所述第一夹持机构和第二夹持机构连接有第一水平驱动机构，第三夹持机构和第四夹持机构连接有第二水平驱动机构，第一夹持机构和第二夹持机构的移动方向垂直于第三夹持机构和第四夹持机构的移动方向，还包括具有密封门的箱体，所述箱体内设置有温控系统和光源，所述箱体上设置有换气系统，所述第一夹持机构、第二夹持机构、第三夹持机构以及第四夹持机构均位于箱体内。

进一步地，所述箱体的内腔由水平的支撑板分隔成为动力腔和试验腔，所述试验腔位于支撑板的上方，所述第一夹持机构、第二夹持机构、第三夹持机构以及第四夹持机构位于试验腔中。

进一步地，所述第一水平驱动机构包括第一电机、第一皮带、第一丝杆和第一导向杆，所述第一丝杆中点两侧的螺纹旋向相反，所述第一夹持机构和第二夹持机构均连接有L形的第一定位板，所述第一丝杆和第一导向杆均水平贯穿第一夹持机构和第二夹持机构的第一定位板，且第一导向杆与第一定位板滑动配合，第一丝杆与第一定位板螺纹配合，第一夹持机构的第一定位板和第二夹持机构的第一定位板位于第一丝杆中点的两侧，所述第一电机安装于动力腔内且通过第一皮带与第一丝杆相连；

所述第二水平驱动机构包括第二电机、第二皮带、第二丝杆和第二导向杆，所述第二丝杆中点两侧的螺纹旋向相反，所述第三夹持机构和第四夹持机构均连接有L形的第二定位板，所述第二丝杆和第二导向杆均水平贯穿第三夹持机构和第四夹持机构的第二定位板，且第二丝杆垂直于第一丝杆，第二导向杆与第二定位板滑动配合，第二丝杆与第二定位板螺纹配合，第三夹持机构的第二定位板和第四夹持机构的第二定位板位于第二丝杆中点的两侧，所述第二电机安装于动力腔内且通过第二皮带与第二丝杆相连。

进一步地，所述第一夹持机构和第二夹持机构均通过第一拉力传感器与第一定位板相连，第三夹持机构和第四夹持机构均通过第二拉力传感器与第二定位板相连。

进一步地，所述换气系统包括设置在箱体侧壁的进气阀和排气阀。

进一步地，所述检测窗口的下方的支撑板上设置有可拆卸的溶剂容器。

本发明的有益效果是：本试验装置将各部件集成设置在箱体内，并且可对箱体内的温度、光照、气体等试验条件进行设置，满足各种薄膜、棒材和板材拉伸的试验要求，能够实现用户自定义的外场条件和拉伸方法的高分子材料的制备及力学性能测试，应用范围广泛。

附图说明

图1是本发明的主视剖视示意图。

图2是本发明的侧视剖视示意图。

图3是图1中A-A的剖视示意图。

图4是溶剂容器的安装示意图。

附图标记：1—第一夹持机构；2—第二夹持机构；3—第三夹持机构；4—第四夹持机构；5—箱体；6—温控系统；7—光源；8—换气系统；9—支撑板；10—第一电机；11—第一皮带；12—第一丝杆；13—第一导向杆；14—第一定位板；15—第二电机；16—第二皮带；17—第二丝杆；18—第二导向杆；19—第二定位板；20—第一拉力传感器；21—第二拉力传感器；22—溶剂容器；23—载物板；24—连杆；25—堵板；26—定位筒；27—密封垫；28—升降机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图3所示，本发明的高分子材料四向或双向拉伸试验设备，具体可用于高分子薄膜、板材、棒材的力学性能试验和制造，包括第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3以及第四夹持机构4，第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3以及第四夹持机构4围成一正方形的检测窗口。第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3以及第四夹持机构4用于对被测试样进行夹持，试验时，将被测薄膜或板材裁剪为正方形，将第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3以及第四夹持机构4分别夹持住被测薄膜的四个角或者四个边，然后即可进行拉伸试验。或者将被测棒材切断成合适的长度，利用第一夹持机构1和第二夹持机构2夹持住棒材的两端即可。第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3以及第四夹持机构4的具体结构和对薄膜、板材或棒材的夹持方法可采用现有的通用结构。第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3以及第四夹持机构4可通过螺钉可拆卸安装，以便于根据被测试样的种类更换不同的夹持机构。

所述第一夹持机构1和第二夹持机构2连接有第一水平驱动机构，第三夹持机构3和第四夹持机构4连接有第二水平驱动机构，第一夹持机构1和第二夹持机构2的移动方向垂直于第三夹持机构3和第四夹持机构4的移动方向。第一水平驱动机构用于带动第一夹持机构1和第二夹持机构2水平移动，第二水平驱动机构用于带动第三夹持机构3和第四夹持机构4水平移动，第一夹持机构1和第二夹持机构2的移动方向应当相反，但移动速度相等，第三夹持机构3和第四夹持机构4的移动方向应当相反，移动速度相等，以保证四个夹持机构对被测试样的拉力均匀、稳定。

还包括具有密封门的箱体5，试验在箱体5内部进行，避免外界环境对试验环境进行干扰，方便施加外场。箱体5可采用具有保温隔热、不透光、密封性较好的箱体结构。所述箱体5内设置有温控系统6和光源7，所述箱体5上设置有换气系统8，所述第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3以及第四夹持机构4均位于箱体5内。

温控系统6用于调节箱体5内的温度，实现在各种温度条件下对高分子材料的力学性能进行测试。具体地，温控系统6包括电加热丝和温度传感器，温度传感器可检测箱体5内的温度，用户根据检测结果控制电加热丝的通断电，即可改变箱体5内的温度。

光源7可以是红外光源、紫外光源等，实现不同波段光照辐射。

换气系统8用于将氮气、氦气等惰性气体充入箱体1，以测试在不同氧含量环境下被测试样的老化和拉伸性能。具体地，换气系统8可以包括设置在箱体5侧壁或顶部的进气阀和排气阀，进气阀和排气阀的距离不宜过近，避免充入箱体5内的气体又立刻从排气阀排出。换气时，开启进气阀和排气阀，氮气或者氦气通过进气阀进入箱体5，箱体5内的气体通过排气阀排出箱体5，换气完成后，关闭进气阀和排气阀即可。换气系统8还包括气体传感器，以便实时监控箱体5内的氧气浓度并进行调节。

为了防止试验时施加的外场对第一水平驱动机构和第二水平驱动机构造成影响，所述箱体5的内腔由水平的支撑板9分隔成为动力腔和试验腔，所述试验腔位于支撑板9的上方，所述第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3以及第四夹持机构4位于试验腔中。

现有技术中，第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3和第四夹持机构4分别由一电机或者气缸作为动力，容易出现第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3和第四夹持机构4的运动不同步，导致薄膜或板材的受力不均衡，各个方向的拉伸变形不同步，影响试验的准确性。此外，这种动力装置占用的空间更大，不利于外加场的变换和调节。为了使第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3和第四夹持机构4的运动更加同步，对被测试样的拉力更加均衡，整个设备的集成程度更高，更利于外加场的控制，本发明中，第一水平驱动机构包括第一电机10、第一皮带11、第一丝杆12和第一导向杆13，所述第一丝杆12中点两侧的螺纹旋向相反，所述第一夹持机构1和第二夹持机构2均连接有L形的第一定位板14，所述第一丝杆12和第一导向杆13均水平贯穿第一夹持机构1和第二夹持机构2的第一定位板14，且第一导向杆13与第一定位板14滑动配合，第一丝杆12与第一定位板14螺纹配合，第一夹持机构1的第一定位板14和第二夹持机构2的第一定位板14位于第一丝杆12中点的两侧，所述第一电机10安装于动力腔内且通过第一皮带11与第一丝杆12相连。

所述第二水平驱动机构包括第二电机15、第二皮带16、第二丝杆17和第二导向杆18，所述第二丝杆17中点两侧的螺纹旋向相反，所述第三夹持机构3和第四夹持机构4均连接有L形的第二定位板19，所述第二丝杆17和第二导向杆18均水平贯穿第三夹持机构3和第四夹持机构4的第二定位板19，且第二丝杆17垂直于第一丝杆12，第二导向杆18与第二定位板19滑动配合，第二丝杆17与第二定位板19螺纹配合，第三夹持机构3的第二定位板19和第四夹持机构4的第二定位板19位于第二丝杆17中点的两侧，所述第二电机15安装于动力腔内且通过第二皮带16与第二丝杆17相连。

L形的第一定位板14和第二定位板19均包括竖直板和水平板，第二定位板19的竖直板与第二丝杆17配合，第一定位板14的竖直板与第一丝杆12配合。第一定位板14和第二定位板19分别通过第一导向杆13和第二导向杆18固定其高度在同一水平位置；同时，还可以保证薄膜或板材在被第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3和第四夹持机构4夹持和运动过程中处于水平状态。

第二电机15和第一电机10安装在动力腔中，避免试验腔中的外加场对第二电机15和第一电机10造成不良的影响。第二电机15通过第二皮带16带动第二丝杆17转动，第一电机10通过第一皮带11带动第一丝杆12转动，以驱动第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3和第四夹持机构4水平移动。

第一丝杆12和第二丝杆17的两端通过轴承安装在箱体5的侧壁，确保能够稳定转动，并且对轴承进行密封处理，以防气体泄漏。由于第一丝杆12和第二丝杆17中点两侧的螺纹旋向相反，当第一丝杆12和第二丝杆17转动时，第一夹持机构1和第二夹持机构2在螺纹的作用下反向运动，即第一夹持机构1和第二夹持机构2朝着第一丝杆12的中心同步运动，或者朝着第一丝杆12的两端同步运动，这就解决了第一夹持机构1和第二夹持机构2运动同步性的问题。同理，第三夹持机构3和第四夹持机构4也会以相同的速度反向运动，保证运动的同步性。此时，只需要保证第二电机15和第一电机10的同步运行，即可保证第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3和第四夹持机构4这4个夹持机构的同步、协调运动，第二电机15和第一电机10为伺服电机，第二电机15和第一电机10的运行由软件程序进行控制。

第一导向杆13和第二导向杆18的两端可固定安装在箱体5的侧壁，第一导向杆13和第二导向杆18可以是一根，也可以是两根，起到导向和稳定运动行程的作用，确保第一夹持机构1和第二夹持机构2沿着第一导向杆13移动，第三夹持机构3和第四夹持机构4沿着第二导向杆18移动。

所述第一夹持机构1和第二夹持机构2均通过第一拉力传感器20与第一定位板14相连，第三夹持机构3和第四夹持机构4均通过第二拉力传感器21与第二定位板19相连。第一拉力传感器20和第二拉力传感器21可检测传递至被测试样的拉力，以计算材料的力学性能。

所述检测窗口的下方的支撑板9上设置有可拆卸的溶剂容器22。溶剂容器22用于盛装溶剂，试验时，将被测试样浸泡在不同的溶剂中，以测试被测试样在不同溶剂中的性能。溶剂容器22可以是金属盒、塑料盒、玻璃盒等，根据试剂的类型选择适宜的材质即可。为了便于在试验时将第一夹持机构1、第二夹持机构2、第三夹持机构3和第四夹持机构4放入溶剂容器22内，如图4所示，可以在支撑板9上开设一通孔，通孔内设置与通孔滑动配合的载物板23，载物板23的下表面通过竖直的连杆24连接一堵板25，堵板25的下表面连接一升降机构28，溶剂容器22自然置于载物板23上，为了防止溶剂容器22移动，可在载物板23上表面设置一定位筒26。需要将被测试样浸泡在溶剂中进行时，将溶剂装入溶剂容器22，将溶剂容器22放入定位筒26，利用升降机构28驱动堵板25和载物板23上升，使得被测试样浸入溶剂，同时，堵板25将支撑板9上的通孔堵住，以将动力腔和试验腔隔开。为了提高密封效果，堵板25可包括上板和下板，上板与通孔滑动配合，下板覆盖通孔的下端孔口，且下板的上表面设置密封垫27。升降机构28可以是液压缸、气缸等。

换气系统8、第二电机15、第一电机10、温控系统6的运行均可以通过计算机进行控制，具体地，可采用WINDOWS操作系统平台操作环境，使用RS485总线方式驱动伺服系统，控制两个伺服电机运动,实现单轴/双轴自定义速率、位移、温度等条件控制各个夹持装置对被测试样进行拉伸，并通过力传感器和伺服系统实时读取应力及行程，通过温度控制模块配合软件操作。

需要说明的是，本设备除对高分子的薄膜、板材以及棒材进行力学性能测试之外，还可以实现对高分子材料在双向或四向拉伸作用下并配合其他外场制备不同取向结构的高性能材料，也可作为一种特殊高分子材料的加工设备。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.高分子材料四向或双向拉伸试验设备，包括第一夹持机构(1)、第二夹持机构(2)、第三夹持机构(3)以及第四夹持机构(4)，第一夹持机构(1)、第二夹持机构(2)、第三夹持机构(3)以及第四夹持机构(4)围成一正方形的检测窗口，所述第一夹持机构(1)和第二夹持机构(2)连接有第一水平驱动机构，第三夹持机构(3)和第四夹持机构(4)连接有第二水平驱动机构，第一夹持机构(1)和第二夹持机构(2)的移动方向垂直于第三夹持机构(3)和第四夹持机构(4)的移动方向，其特征在于，还包括具有密封门的箱体(5)，所述箱体(5)内设置有温控系统(6)和光源(7)，所述箱体(5)上设置有换气系统(8)，所述第一夹持机构(1)、第二夹持机构(2)、第三夹持机构(3)以及第四夹持机构(4)均位于箱体(5)内。

2.根据权利要求1所述的高分子材料四向或双向拉伸试验设备，其特征在于：所述箱体(5)的内腔由水平的支撑板(9)分隔成为动力腔和试验腔，所述试验腔位于支撑板(9)的上方，所述第一夹持机构(1)、第二夹持机构(2)、第三夹持机构(3)以及第四夹持机构(4)位于试验腔中。

3.根据权利要求2所述的高分子材料四向或双向拉伸试验设备，其特征在于：所述第一水平驱动机构包括第一电机(10)、第一皮带(11)、第一丝杆(12)和第一导向杆(13)，所述第一丝杆(12)中点两侧的螺纹旋向相反，所述第一夹持机构(1)和第二夹持机构(2)均连接有L形的第一定位板(14)，所述第一丝杆(12)和第一导向杆(13)均水平贯穿第一夹持机构(1)和第二夹持机构(2)的第一定位板(14)，且第一导向杆(13)与第一定位板(14)滑动配合，第一丝杆(12)与第一定位板(14)螺纹配合，第一夹持机构(1)的第一定位板(14)和第二夹持机构(2)的第一定位板(14)位于第一丝杆(12)中点的两侧，所述第一电机(10)安装于动力腔内且通过第一皮带(11)与第一丝杆(12)相连；

所述第二水平驱动机构包括第二电机(15)、第二皮带(16)、第二丝杆(17)和第二导向杆(18)，所述第二丝杆(17)中点两侧的螺纹旋向相反，所述第三夹持机构(3)和第四夹持机构(4)均连接有L形的第二定位板(19)，所述第二丝杆(17)和第二导向杆(18)均水平贯穿第三夹持机构(3)和第四夹持机构(4)的第二定位板(19)，且第二丝杆(17)垂直于第一丝杆(12)，第二导向杆(18)与第二定位板(19)滑动配合，第二丝杆(17)与第二定位板(19)螺纹配合，第三夹持机构(3)的第二定位板(19)和第四夹持机构(4)的第二定位板(19)位于第二丝杆(17)中点的两侧，所述第二电机(15)安装于动力腔内且通过第二皮带(16)与第二丝杆(17)相连。

4.根据权利要求3所述的高分子材料四向或双向拉伸试验设备，其特征在于：所述第一夹持机构(1)和第二夹持机构(2)均通过第一拉力传感器(20)与第一定位板(14)相连，第三夹持机构(3)和第四夹持机构(4)均通过第二拉力传感器(21)与第二定位板(19)相连。

5.根据权利要求1所述的高分子材料四向或双向拉伸试验设备，其特征在于：所述换气系统(8)包括设置在箱体(5)侧壁的进气阀和排气阀。

6.根据权利要求2所述的高分子材料四向或双向拉伸试验设备，其特征在于：所述检测窗口的下方的支撑板(9)上设置有可拆卸的溶剂容器(22)。

Images