CN112683667A - 生理盐水中软质亲水性材料拉伸性能的测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生理盐水中软质亲水性材料拉伸性能测试系统，包括：微机控制万能拉伸试验机(1)、盐浴箱(2A)、控温循环水箱(2B)、盐浴系统(2)、夹持装置(3)、数字图像采集系统(4)。本发明进一步公开了通过该系统测试生理盐水环境下软质亲水性材料的弹性模量、泊松比、断裂伸长率的方法。所述装置和方法可控性强、操作便捷、易于推广。

Description

生理盐水中软质亲水性材料拉伸性能的测试系统及方法

技术领域

本发明涉及软质亲水性材料实验力学领域，更具体地说，涉及一种生理盐水中软质亲水性材料拉伸性能测试的系统及方法，特别是用于软质医用材料的弹性模量、泊松比、断裂伸长率的测试系统和方法。

背景技术

软质亲水性材料在生物医学领域有着广泛的应用前景。软质亲水材料在水中吸水膨胀平衡后，性能透明柔软，富于弹性，弯曲不易折断。这类材料在机体组织中的机械刺激很小，是一种很有应用价值的生物医用材料。

为了促进软质亲水性材料在医疗器械中实现各种功能，需要对软质亲水性材料在生理盐水环境中的弹性模量、泊松比以及断裂伸长率进行实测。尤其是由于部分材料在脱离生理盐水环境后性能会发生极大变化，不能直接在大气环境中进行测试，因此需要配置有效的、方便的、适用范围广的测试系统，开发相应的测试方法才能够完成生理盐水中软质亲水性材料的拉伸性能的测试。

进行软质亲水性材料在生理盐水环境中的性能测试，需要保证试样一直处于生理盐水中，微机控制万能拉伸试验机上配备盐浴箱，由于盐浴箱需要密封处理且与外部加热箱连接循环以保证实现水温保持在37℃±2℃，并且盐浴箱还需要安装在微机控制万能拉伸试验机加载装置上，所以盐浴箱的尺寸相对受限。软质亲水性材料的断裂伸长率相对较大，然而常规的塑料薄膜或者软质泡沫材料使用的夹具尺寸太大，由此无法满足加载行程，导致软质亲水性材料的弹性模量、泊松比和断裂伸长率的测试成为测试难点。软质亲水性材料的特殊性以及生理盐水环境导致常规的接触式引伸计不能使用，需要新的夹持装置配合非接触式应变测量装置，形成专用的测试系统以解决软质亲水性材料在生理盐水中加载和测量的困难，并且需要相应的测试方法。

针对上述存在的问题，本发明提供了一种用于测试生理盐水中软质亲水性材料的拉伸性能的系统及相应的测试方法，解决了生理盐水中软质亲水性材料的加载和测量困难，可以可靠地测试软质亲水性材料的拉伸性能，提高了生理盐水中软质亲水性材料拉伸性能测试的准确性。所述系统和方法可控性强、操作便捷、易于推广。

发明内容

本发明的技术方案是基于数字图像相关技术，对生理盐水中软质亲水性材料的弹性模量、泊松比、断裂伸长率进行测试，本发明公开了生理盐水中软质亲水性材料拉伸性能测试系统及方法。

一种生理盐水中软质亲水性材料拉伸性能测试系统，包含：微机控制万能拉伸试验机(1)、盐浴箱(2A)、控温循环水箱(2B)、盐浴系统(2)、夹持装置(3)、数字图像采集系统(4)；盐浴箱(2A)玻璃箱体底部与微机控制万能拉伸试验机(1)通过销钉连接，夹持装置(3)上部与微机控制万能拉伸试验机(1)的拉杆用螺钉连接，下部通过螺纹接口与盐浴箱(2A)玻璃箱体底部螺纹孔相连接；数字图像采集系统(4)位于微机控制万能拉伸试验机(1)、盐浴箱(2A)的正前方，数字图像采集系统(4)的主要部件采集相机正对软质亲水性材料进行拍摄。

其中，盐浴箱(2A)和控温循环水箱(2B)组成盐浴系统(2)。所述盐浴箱(2A)带有控温循环水箱(2B)，盐浴箱与控温循环水箱通过进出水水管相连接。盐浴箱(2)底部与微机控制万能拉伸试验机(1)通过销钉连接固定。

数字图像采集系统(4)包括采集相机、补光设备和图像分析系统，采集相机和补光设备的位置随试样尺寸及位置进行调整，图像分析系统与采集相机通过数据线相连接。

夹持装置(3)分为完全相同的上下两部分夹具(3A，3B)，试样(12)装夹在所述上下夹具之间。所述上下夹具分别包括1个带开孔槽的底板(6)，2个带螺纹孔的侧板(7)，2个金属垫板(8)以及2个橡胶垫板(9)，通过4个固定螺钉(10)将2个带螺纹孔的侧板(7)固定在带开孔槽的底板(6)上。侧板(7)内侧垫有金属垫板(8)和橡胶垫板(9)。侧板(7)、金属垫板(8)和橡胶垫板(9)上分别具有同轴的孔，3个锁紧螺钉(11)穿过2个带螺纹孔的侧板(7)、2个金属垫板(8)、2个橡胶垫板(9)六个部件的同轴孔，起到锁紧夹持的作用。所述上下夹具间距离优选为30mm～50mm，可根据材料的断裂伸长率协调决定。夹持装置尽可能选择合适的小型的，以缩小夹具在盐浴箱的占地空间。夹具带有的橡胶软垫可保证软质亲水性在夹持时不会受到硬质夹具的损坏。带有的金属垫板的作用在于：在不同厚度试样的情况下，更改金属垫板的厚度，就可以满足不同厚度的试样。

所述采集相机的位置通过视野大小和相机焦距决定，相机的补光设备需要选择合适的位置，以防止盐浴箱玻璃反光影响测试。

本发明进一步涉及一种生理盐水中软质亲水性材料拉伸性能测试方法，利用根据本发明所述的测试系统进行，其中在生理盐水中对试样施加轴向力，通过非接触式数字图像技术测试轴向变形和横向变形。

所述方法具体包括如下步骤：

1)制备试样为GB/T 528-2009硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定的2型试样尺寸，在试样表面制作不溶于生理盐水的散斑

所述散斑制作过程要求试样仍旧处于生理盐水环境中，采用不溶于水的散斑制作材料，例如哑光的油漆，散斑点总面积与非散斑总面积大致呈1:1比例；在标定辅助板上的局部位置也制备相同类型的散斑点；

如果所用试样为透明材料，可以在盐浴箱背后粘贴白色纸遮挡；

2)生理盐水温度设置和试验机拉伸速率设置

所述温度按照软质亲水性材料的使用环境要求指定设置，可设置温度范围为37±2℃，试验机拉伸速率可根据软质亲水性材料的断裂伸长率调整，保证试验时间大约在1-5min；

3)试测试样确定数字图像测试系统相机的视野大小选择，确定相机大致位置

通过在恒温生理盐水中拉断一件试测试样，记录上夹具(3A)的移动位置，确定数字图像采集系统(4)相机的视野范围，确保断裂时，上夹具(3A)下边缘仍旧在视野中；

4)采用标定板标定相机

所述标定板上有横纵向刻度和与试验散斑相同的局部散斑点，将其安装在恒温生理盐水中，用作调整相机位置完成对焦、确定光源位置及方向，用标定板上的实际刻度将拍摄后的照片中的尺寸与实际尺寸对标，完成标定；

5)安装试样并测试

记录试样的尺寸后，将试样固定在夹持装置的上下夹具中，为了防止试样脱离生理盐水环境性能发生改变，在安装过程中用浸润生理盐水的湿纸巾包裹试样平行段，并尽快完成安装过程，安装完成后关闭盐浴箱侧门；

打开循环系统，将生理盐水充满盐浴箱后，通过测温仪检测盐浴箱内部温度，达到设定温度后，保温5-10分钟，优选10分钟，温度范围为37±2℃；然后注水保温，检查相机视野和对焦情况；

在微机控制万能拉伸试验机上设置加载速率，数字图像系统中的采集相机与试验机做同步触发处理，采集拉伸过程中的数据及图像；

如果所用试样为透明材料，可以在盐浴箱背后粘贴白色纸遮挡；

6)数据分析处理

微机控制万能拉伸试验机(1)采集力值，通过试样的尺寸计算面积，获得应力-时间曲线。数字图像采集系统(4)连续拍摄变形前后的照片，通过数字图像分析软件，选择中间平行段区域进行数字图像分析处理，分析试样被测区域的全场变形数据，根据试样的宽度和长度，选择纵向标距和横向标距，获得横向应变-时间曲线，纵向应变-时间曲线。由应力-时间曲线、横向应变-时间曲线以及纵向应变-时间曲线，合成为应力-应变(纵向应变)曲线和横向应变-纵向应变曲线，弹性模量为应力-应变(纵向应变)曲线的直线段斜率，泊松比为横向应变-纵向应变直线段斜率的负值，取纵向应变为0.5％到2.5％范围内即可。

所述软质亲水材料的实例为硅水凝胶材料，其可用作隐形眼镜软镜以及其他医疗器械的原材料。

较之现有技术，根据本发明的方法和装置具有如下优点：解决了生理盐水中软质亲水性材料的加载和测试困难的问题，为软质亲水性材料的拉伸性能测试提供了可靠的夹持装置和测量装置，并且提高了软质亲水性材料力学性能测试的准确性。该装置可控性强、操作便捷、易于生产和推广。

附图说明

图1本发明的用于生理盐水环境中软质亲水性材料拉伸性能测试系统的结构示意图；

图2本发明的盐浴箱内小型夹持装置的结构示意图；其中图a是主视图，图b是侧视图。

图3本发明的盐浴箱内标定辅助装置的结构示意图；

图4本发明的软质亲水性材料散斑位置及变形前后的示意图。

附图标记说明：

1、微机控制万能拉伸试验机；2、盐浴系统；2A、盐浴箱；2B、控温循环水箱；3、夹持装置；3A、上夹具；3B、下夹具；4、数字图像采集系统；5、上螺纹转接杆；6、带开孔槽的底板；7、带螺纹孔的侧板；8、金属垫板；9、橡胶垫板；10、固定螺钉；11、锁紧螺钉；12、试样；13、下螺纹转接杆；14、标定板；15、变形后的试样。

具体实施方式

以下将通过实施例详细说明本发明。所述实施例仅用于说明本发明的内容而并不局限于此，本领域技术人员因本发明所涉及之技术启示，而采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

下面结合具体实施过程对本发明做进一步说明。所用软质亲水材料为硅水凝胶材料。

基于数字图像测试技术的生理盐水中软质亲水性的拉伸性能测试装置安装及测试步骤如下。

1)制备试样及散斑：将软质亲水材料参考GB/T 528-2009中的2型试样进行制样，然后浸泡在生理盐水中备用。测试试样表面做散斑处理：将试样放置在生理盐水箱中，水的高度略大于试验厚度，然后用带有散斑点的压辊蘸取黑色水性油漆，在试样上涂上不均匀的黑色散斑点，散斑点总面积与非散斑总面积大致呈1:1比例，散斑大小需要按照相机分辨率进行调整，视野高度为150mm时，散斑大小应该占5-10个像素，相机分辨率为2672(高度方向)，那么散斑最大尺寸为0.28-0.56mm。

2)系统装置组装：参考图1，包括微机控制万能拉伸试验机(1)、带控温循环水的盐浴箱(2)，软质亲水性材料专用的夹持装置(3)、数字图像采集系统(4)。盐浴箱(2A)与控温循环水箱(2B)通过进出水水管相连接，控温循环水箱(2B)可以控制温度保持在37℃±2℃。选择高度尺寸仅为82mm带橡胶软垫的夹具装置(3)对软质亲水性材料进行夹持。将盐浴箱(2A)安装在微机控制万能拉伸试验机(1)上，将上夹具(3A)安装在试验机拉杆上，下夹具(3B)安装在盐浴箱底部。首先将小型夹具装置(3)进行组装，将部件连接好，针对试验的厚度，调整带螺纹孔的侧板(7)的间距。夹持过程包括用3个夹紧螺钉(11)将试测试样夹紧，用4个固定螺钉(10)调整上下对中。

3)试测及视野调节：软质亲水性试样为GB/T 528-2009中的2型试样，试样的平行段长度为25mm，平行段宽度为4mm。将试样上下两端分别夹持在夹持装置(3)的上下夹具中，夹具间距离最小为30mm。为了确保能够提取断裂伸长率，上夹具最多可以移动到盐浴箱边缘，盐浴箱高度为240mm，根据下夹具和底部连杆的尺寸，计算得到上夹具和试样中间段的最大尺寸限制是150mm，因此可以计算出上夹头(3A)的行程长度约为120mm，25mm平行段的变形加上5mm圆弧段的变形最大可以达到120mm，测到断裂伸长率约在400％之内，可以满足大部分材料测试的需求。打开控温循环水箱(2B)，与盐浴箱(2A)联通，将盐浴箱(2A)注满生理盐水，在盐浴箱(2A)中设置温度采集装置，确保温度达到37℃±2℃。设置试验机拉伸速率为50mm/min，拉伸试测一件试样，记录断裂后上夹具的移动位置，确定数字图像采集系统(4)相机的视野高度范围，确保断裂时，上夹具(3A)下边缘仍旧在视野中。下夹具的上边缘距离盐浴箱边缘的尺寸为150mm，那么视野的总高度定为150mm。通过视野大小和相机焦距决定数字图像采集相机(4)的位置。相机的补光设备需要选择合适的位置，以防止盐浴箱玻璃界面反光影响测试。

4)标定相机：确定试样夹持位置之后，在试样位置安装标定辅助板(14)，如图3所示，标定辅助板(14)位于试样位置，其上标有刻度，为数字图像采集系统(4)提供标定数据，标定尺长度一定满足上夹具移动行程。调节数字图像采集系统(4)相机位置根据视野高度为150mm，选择合适的打光位置，选择合适焦距的镜头，并对标定辅助板(14)的散斑区域进行对焦调节。

5)安装试样：测量试验的尺寸后，将生理盐水排出后，将正式测试试样安装在小型夹持装置(3)的上下夹具之间。上下夹具间距离为30mm，将软质亲水性材料从生理盐水中取出安装到盐浴箱(2A)中下夹具上，移动试验机将上夹具装入盐浴箱中，并将试样上夹持区域固定在上夹具中，为了防止试样脱离生理盐水环境性能发生改变，在安装过程中用浸润生理盐水的湿纸巾包裹试验，并尽快完成安装过程，关闭盐浴箱(2A)侧门，打开控温循环水箱(2B)，与盐浴箱(2)联通，将盐浴箱(2A)注满生理盐水，在盐浴箱(2A)中设置温度采集装置，确保温度达到37℃；检查对焦情况。在微机控制万能拉伸试验机上设置加载速率，数字图像系统中的采集相机与试验机做同步触发处理，采集拉伸过程中的数据及图像。

6)数据分析处理：数字图像采集系统(4)的相机与微机控制万能拉伸试验机(1)做同步触发处理，微机控制万能拉伸试验机(1)采集力值，数字图像采集系统(4)连续拍摄变形前后的照片，参见图4，选择中间试样区域进行数字图像分析处理，分析试样被测区域的全场变形数据，根据试样的宽度和长度，选择纵向标距为20mm和横向标距为3mm，提取平均应变，由微机控制万能拉伸试验机(1)采集的力值和数字图像采集系统(4)采集的变形，提取应力-时间曲线、横向应变-时间曲线以及纵向应变-时间曲线，合成为应力-应变(纵向应变)曲线和横向应变-纵向应变曲线，弹性模量为应力-应变(纵向应变)曲线的直线段斜率，泊松比为横向应变-纵向应变直线段斜率的负值，取纵向应变为0.5％到2.5％范围内即可。

Claims (10)

1.一种生理盐水中软质亲水性材料拉伸性能测试系统，包括：微机控制万能拉伸试验机(1)、盐浴箱(2A)、控温循环水箱(2B)、盐浴系统(2)、夹持装置(3)、数字图像采集系统(4)；盐浴箱(2A)玻璃箱体底部与微机控制万能拉伸试验机(1)通过销钉连接，盐浴箱(2A)与控温循环水箱(2B)通过进出水水管相连接，夹持装置(3)上部与微机控制万能拉伸试验机(1)的拉杆用螺钉连接，下部通过螺纹接口与盐浴箱(2A)玻璃箱体底部螺纹孔相连接；数字图像采集系统(4)位于微机控制万能拉伸试验机(1)、盐浴箱(2A)的正前方，数字图像采集系统(4)的主要部件采集相机正对软质亲水性材料用于进行拍摄。

2.根据权利要求1所述的系统，其中数字图像采集系统(4)包括采集相机、补光设备和图像分析系统，图像分析系统与采集相机通过数据线相连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其中夹持装置(3)分为完全相同的上下夹具部分(3A，3B)。

4.根据权利要求3所述的系统，其中上下夹具间距离为30mm～50mm。

5.根据权利要求3所述的系统，其中所述上下夹具分别包括1个带开孔槽的底板(6)，2个带螺纹孔的侧板(7)；侧板(7)通过固定螺钉(10)固定在底板(6)上。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述侧板(7)内侧垫有金属垫板(8)和橡胶垫板(9)。

7.一种生理盐水中软质亲水性材料拉伸性能测试方法，包括如下步骤：

1)所制备试样为GB/T 528-2009中的2型试样，在试样表面制作不溶于生理盐水的散斑

在散斑制作过程中保持试样处于生理盐水环境中，散斑制作材料为不溶于水的，散斑点总面积与非散斑总面积之比为1:1，散斑的尺寸由视野大小和相机分辨率计算得出；在标定辅助板上的局部位置也制备相同类型的散斑点；

2)生理盐水温度设置和试验机拉伸速率设置

所述温度按照软质亲水性材料的使用环境要求指定设置，试验机拉伸速率根据软质亲水性材料的断裂伸长率调整；

3)用试测试样确定数字图像测试系统相机的视野大小选择，确定相机位置

在恒温生理盐水中拉断一件试测试样，记录上夹具(3A)的移动位置，确定数字图像采集系统(4)相机的视野范围，确保断裂时，上夹具(3A)下边缘仍旧在视野中；

4)采用标定板标定相机

所述标定板上有横纵向刻度和与试验散斑相同的局部散斑点，将其安装在恒温生理盐水中，用来调整相机位置对焦和标定、光源位置确定，并完成相机标定；

5)安装试样并测试

记录试样的尺寸，然后将试样固定在夹持装置的上下夹具中，安装过程中用浸润生理盐水的湿纸巾包裹试样平行段，安装完成后关闭盐浴箱侧门；

打开循环系统，将生理盐水充满盐浴箱，接着通过测温仪检测盐浴箱内部温度，达到设定温度后，保温一定时间；然后注水保温，并检查相机视野和对焦情况；

在微机控制万能拉伸试验机上设置加载速率，数字图像系统中的采集相机与试验机做同步触发处理，采集拉伸过程中的数据及图像；

6)数据分析处理

微机控制万能拉伸试验机(1)采集力值，通过试样的尺寸计算面积，获得应力-时间曲线；数字图像采集系统(4)连续拍摄变形前后的照片，通过数字图像分析软件，选择中间平行段区域进行数字图像分析处理，分析试样被测区域的全场变形数据，根据试样的宽度和长度，选择纵向标距和横向标距，获得横向应变-时间曲线，纵向应变-时间曲线；由应力-时间曲线、横向应变-时间曲线以及纵向应变-时间曲线，合成为应力-应变曲线和横向应变-纵向应变曲线，弹性模量为应力-应变曲线的直线段斜率，泊松比为横向应变-纵向应变直线段斜率的负值，取纵向应变为0.5％至2.5％。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在步骤1)和步骤5)中，当所用试样为透明材料，在盐浴箱背后粘贴白色纸遮挡。

9.根据权利要求7所述的方法，其中在步骤2)中，所述温度设置范围为37±2℃，试验机拉伸速率设置保证试验时间为1-5min。

10.根据权利要求7所述的方法，其中在步骤5)中，保温时间为5-10分钟，温度范围为37±2℃。

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