CN113984507A - 一种考虑应力-热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于检测领域，涉及一种考虑应力‑热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化试验方法及装置，包括：主体框架、试验工装8、环境箱9以及温控箱1；所述主体框架上包括：支柱2，所述支柱2上平行设置有前固定横梁7、移动横梁10、后固定横梁11，所述移动横梁10与后固定横梁11之间还平行设置有导向柱4、滚珠丝杆5；所述移动横梁10与前固定横梁7之间还设置有试验工装8和环境箱9，两个夹持体19位于环境箱9腔体的两端。综合考虑了应力与热氧耦合作用对有机高分子材料的老化作用，更加符合实际有机高分子材料在工程设施中所处的工况环境，实验数据更具参考价值。

Description

一种考虑应力-热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化 试验方法及装置

技术领域

本发明属于有机高分子材料人工加速老化试验方法领域，具体涉及一种考虑应力和热氧耦合作用对有机高分子板材性能影响的多工位室内加速老化试验方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

目前，无论是在现代工业生产中，还是在居民日常生活的过程中，有机高分子材料因为其出色的抗冲击性、柔韧性、耐化学腐蚀性、可熔接性、环保性、易于成型加工等特点在工程设施中的应用广泛，如市政供水管网、城镇中低压燃气管道、电力系统外绝缘材料、橡胶轮胎等。工程设施中的有机高分子材料随着其服役时间的增长，由于受到光照、温度、氧气、机械应力等服役环境的影响，其内在分子结构的物理、化学性能会发生不可逆的变化而产生老化损伤，导致外观质量变差及材料性能的劣化，大大降低其机械和电气性能，为材料的正常使用埋下很大的安全隐患。所以，开展有机高分子材料在实际服役环境下，老化对其后续性能影响的研究十分关键。

事实上，有机高分子材料在实际服役状态下，环境因素通常比较复杂，老化的诱因往往不是单一的。对于工程设施中的有机高分子材料而言，在应力和热氧环境共同作用下使用就是其中一种常见的情况，例如埋地的聚乙烯燃气管道、市政供水管网等。目前，对有机高分子板材应力-热氧耦合作用下的老化性能研究，通常采用恒定应变-热氧耦合的老化方式，在老化过程中，有机高分子材料受到的应力会随着其内部分子链取向、断裂、重排等过程的发生逐渐衰减，这种老化方式能够较好地模拟部分密封件的实际工况，然而这些研究结果并不适用于橡胶轮胎、埋地的聚乙烯燃气管道等在实际工况中受到恒定应力的工程设施，这对有机高分子材料的安全使用十分不利。因此，开展有机高分子材料在应力和热氧复合诱因作用下的老化规律研究，对于工程设施的及时维护(或维修)、延长使用寿命，具有要的理论价值和工程意义。

发明内容

为了克服现有研究方法的不足，本发明提供了一种考虑应力-热氧耦合作用对有机高分子板材性能影响的多工位室内加速老化试验方法，综合考虑了应力与热氧耦合作用对有机高分子材料的老化作用，更加符合实际有机高分子材料在工程设施中所处的工况环境，实验数据更具参考价值。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种考虑应力-热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化试验装置，包括：主体框架、试验工装8、环境箱9以及温控箱1；所述主体框架上包括：支柱2，所述支柱2上平行设置有前固定横梁7、移动横梁10、后固定横梁11，所述移动横梁10与后固定横梁11之间还平行设置有导向柱4、滚珠丝杆5；所述移动横梁10与前固定横梁7之间还设置有试验工装8和环境箱9，所述试验工装8的两端对称设置有夹持体，一端的夹持体19与前固定横梁7连接、另一端的夹持体19与移动横梁10相连，前固定横梁7与其相邻的夹持体19之间设置有负荷传感器13，两个夹持体19位于环境箱9腔体的两端。

本发明的第二个方面，提供了一种考虑应力-热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化试验方法，包括：

对试验装置进行检查，校准负荷传感器；

对有机高分子试样的外形进行微加工，并在平板两侧画出记号线；

松开锁紧螺钉，在支撑板与下压板的间隙放入试样，将夹持体下侧与试样画线对齐放好，带紧螺钉，保证多工位的试样之间夹持大体一致；

调整移动横梁间距，依次从下向上通过挂耳将夹持体装配至试验工装上，随后通过调整加长杆的长度，保证各路试样的受力相同，最后将负荷传感器的监测值归零；

将环境箱升至试验位置，安装两侧堵板，盖上上开门，连接轴流风扇插口，设置温控箱的预热温度，对环境箱进行预热；

拧开环境箱上开门的通气孔，插入测温装置实测箱体内部的温度，与温控箱设定的预热温度进行对比，对加热温度进行校准，随后停止预热；

根据具体试验要求，设置环境箱内的老化时间、加热温度及应力加载参数及极限拉伸行程，若有机高分子板材在试验过程中达到设定的极限拉伸行程，则试验装置会停止拉伸与加热，但移动横梁不会回位；

设置机械限位，移动横梁的两侧有两个接近开关，用于试验过程中的机械限位，根据实际位移调整好2个极限位置，调整好后不可人为触动；

点击温控箱体上的加热按钮，开始试验；

达到设定的老化时间后，环境箱自动停止加热，使夹持体脱开，从上往下依次取出试样，即可进行后续测试实验。

本发明的第三个方面，提供了任一上述的装置在工程设施检修、高分子材料测试中的应用。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供了一种考虑应力-热氧耦合作用对有机高分子板材性能影响的多工位室内加速老化试验方法，相比目前有机高分子材料的室内加速老化试验方法，仅通过一路闭环控制，即可实现多工位有机高分子板材在恒定应力与热氧耦合作用下的室内加速老化试验，整体试验装置操作简单，控制精度较高。

(2)相较于现有的研究方法，本发明对有机高分子材料不仅可以实行恒应变-热氧耦合作用下的室内加速老化试验，还可实行恒应力-热氧耦合作用下的室内加速老化试验，工作模式可以任意调整，试验参数可以人为设定，具有广泛的适用性。

(3)本发明考虑了常压下应力-热氧两种因素包括其单一因素及耦合作用对有机高分子材料老化后性能的影响，更加符合实际有机高分子材料在工程设施中应用的服役环境，试验方法更有效，试验结果更有参考价值。

(4)本申请的装置结构简单、操作方便、成本低、具有普适性，易于规模化生产。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明多工位室内加速老化试验装置的主体结构示意图；

图2为本发明多工位室内加速老化试验装置的主体结构俯视示意图；

图3为多工位试验工装的结构示意图；

图4为夹持体的结构示意图；

图5为安装前试样微加工的示意图；

图6为环境箱结构示意图；

图7为环境箱体左堵板的结构示意图；

图8为环境箱体右堵板的结构示意图；

其中，1-温控箱；2-支座；3-调节蹄脚；4-导向柱；5-滚珠丝杆；6-设备防护罩；7-前固定横梁；8-试验工装；9-环境箱；10-移动横梁；11-后固定横梁；12-限位开关；13-负荷传感器；14-后支座；15-手动调整口；16-加长杆；17-移动连接杆；18-后挂耳；19-夹持体；20-高密度聚乙烯平板试样；21-前挂耳；22-前固定板；23-L型压板；24-拉力杆；25-连接盘；26-销轴；27-下压板；28-上压板；29-上盖板；30-锁紧螺钉；31-堵板；32-上开门；33-箱体；34-升降台；35-通气孔；36-轴流补风孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

一种考虑应力-热氧耦合作用对有机高分子板材性能影响的多工位室内加速老化试验方法，依赖一套试验装置。试验装置包括：主体框架、试验工装、环境箱以及温控箱四个部分，采用卧式拉伸结构，既可对有机高分子板材实行恒应变-热氧耦合作用下的室内加速老化试验，也可实行恒应力-热氧耦合作用下的室内加速老化试验，工作模式可以任意调整，试验参数可以人为设定。

主体框架，所述主机框架由导向柱、滚珠丝杠、前后固定横梁、移动横梁、支座及设备防护罩组成。其中，前后固定横梁、移动横梁由钢件组成，保证了主体框架具有足够的刚度，也大大提高了试验装置精度；

设备防护罩为钣金件喷塑制作，整体强度高；

支座采用高强度铝型材搭建，材料轻便实用，可有效节省空间和重量，有利于设备搬运和维修。

为了提高老化效率，本发明设计了多工位的试验工装，可以同时对多块有机高分子试样进行老化，仅需一路试样的闭环信号反馈，通过控制滚珠丝杠的旋转，驱动移动横梁动作，即可带动试验工装实现所有试样的应力加荷与卸载，系统操作简单，控制精度高。所述试验工装由夹持体、负荷传感器、前后挂耳、加长杆、后支座，移动连接杆、前固定板、L-型压板、拉力杆、连接盘以及销轴组成，采用优质碳钢加工，可以满足试验过程中的刚度和强度需求。

其中，夹持体通过上下压板、上盖板以及锁紧螺钉，分别固定在试样两侧，可以将试样夹持固定在环境箱内，保证试样在应力-热氧耦合作用下的老化过程中不会与夹持体滑脱；夹持体之间的保持一定的间隔，以保证了有机高分子试样与环境箱中的氧气充分接触；夹持体安装完毕后，通过前后挂耳即可与试验工装连接，保证了试样的装配以及后续设备维护的方便。

环境箱，所述环境箱为恒温通风烘箱，由上开门、箱体、左右两侧堵板及升降台组成。

其中，环境箱体的内外壁之间填充了超细玻璃纤维保温棉，极大减少了内腔热量的外传；

箱体左右两侧设有可拆卸式堵板，可在试样安装完成后再升起环境箱，便于操作人员对试验板材进行装配；

两侧的堵板中间设有轴流补风孔，孔内固定有轴流风扇；

轴流补风口的作用：通过轴流风扇给环境箱内部持续补充低流速的空气，可以保证试验过程中环境箱内的空气氧含量充足，且不影响环境箱内的温度分布；

箱体底部设有升降台的结构，可通过手动调整环境箱的高度；

温控箱，温控箱是环境箱的主要控制机构，通过触摸屏可对环境箱内的温度进行调整控制，采用的是PID智能控制方式，可以保证试验中的温度过冲小，控制精度高。

本发明提供的一种考虑应力-热氧耦合作用对有机高分子板材性能影响的多工位室内加速老化试验方法，包括以下几个步骤：

步骤1，对试验装置进行检查，校准负荷传感器：检查主机及温控箱电缆线连接是否正确可靠，无松动现象，确保设备及电脑接通电源，打开电脑，按下温控箱电源按钮，不要点击加热，对各路负荷传感器进行校准；

步骤2，安装前需对有机高分子试样的外形进行微加工，并在平板两侧画出记号线，便于后续夹持体安装；

步骤3，松开锁紧螺钉，保证支撑板与下压板的间隙可放入试样，将夹持体下侧与试样画线对齐放好，使用内六角扳手依次手动带紧螺钉，可保证多工位的试样之间夹持大体一致；

步骤4，调整移动横梁间距，依次从下向上通过挂耳将夹持体装配至试验工装上，随后通过调整加长杆的长度，保证各路试样的受力相同，最后将负荷传感器的监测值归零；

步骤5，将环境箱升至试验位置，安装两侧堵板，盖上上开门，连接轴流风扇插口，设置温控箱的预热温度，对环境箱进行预热；；

步骤6，拧开环境箱上开门的通气孔，插入水银温度计实测箱体内部的温度，与温控箱设定的预热温度进行对比，对加热温度进行校准，随后停止预热；

步骤7，根据具体试验要求，设置环境箱内的老化时间、加热温度及应力加载参数及极限拉伸行程，若有机高分子板材在试验过程中达到设定的极限拉伸行程，则试验装置会停止拉伸与加热，但移动横梁不会回位，防止对已老化板材的结构造成人为机械损伤，影响后续的性能测试；

步骤8，设置机械限位，移动横梁的两侧有两个接近开关，用于试验过程中的机械限位，根据实际位移调整好2个极限位置，调整好后不可人为触动；

步骤9，以上所有设置好后，点击温控箱体上的加热按钮，开始试验；

步骤10，达到设定的老化时间后，环境箱自动停止加热，使用呆板通过手动调整口反向卸力，使夹持体脱开，从上往下依次取出试样，即可进行后续测试实验。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

实施例

一种考虑应力-热氧耦合作用对有机高分子板材性能影响的多工位室内加速老化试验方法，依赖一套人工加速老化试验装置，该试验装置采用卧式水平拉伸的结构，可同时对6块高密度聚乙烯平板进行恒应力(恒应变)加载下的热氧加速老化试验，高密度聚乙烯平板的尺寸为350mm×300mm×2mm(长×宽×厚)，采用层叠夹持的方式置于环境箱内，环境箱采用上开门的方式，内部处于常压环境。

如图1至图8所示，多工位室内加速老化试验装置包括主机框架、试验工装8、环境箱9以及温控箱1四个部分。

所述主机框架由导向柱4、滚珠丝杠5、前固定横梁7、后固定横梁11、移动横梁10、支座2及设备防护罩6组成。其中，前固定横梁7、后固定横梁11、移动横梁10由钢件组成，保证了主体框架具有足够的刚度，也大大提高了试验装置精度；设备防护罩为钣金件喷塑制作，整体强度高；支座2采用高强度铝型材搭建，材料轻便实用，可有效节省空间和重量，有利于设备搬运和维修。

为了提高老化效率，本发明设计了多工位的试验工装8，可以同时对6块高密度聚乙烯板材试样进行老化，且仅通过一路闭环控制即可实现对所有试样的应力加荷与卸载，系统操作简单，控制精度高。所述试验工装由夹持体19、负荷传感器13、后支座14、加长杆16、移动连接杆17、后挂耳18、前挂耳21、前固定板22、L-型压板23、拉力杆24、连接盘25以及销轴26组成，采用优质碳钢加工，可以满足试验过程中的刚度和强度需求。

其中，夹持体通过上压板27、下压板28、上盖板29以及锁紧螺钉30，分别固定在试样两侧，可以将试样夹持固定在环境箱9内，保证试样在应力-热氧耦合作用下的老化过程中不会与夹持体滑脱；夹持体之间的间隔为40mm，保证了高密度聚乙烯板材试样20与环境箱中的氧气充分接触；夹持体安装完毕后，通过前后挂耳18、21即可与试验工装8连接，保证了试样的装配以及后续设备维护的方便，夹持体的整体结构如图4所示；

本实施例中负荷传感器13的量程范围为0～3000N；

所述环境箱9为恒温通风烘箱，由上开门32、箱体33、左右两侧堵板31及升降台34组成，具体的环境箱结构如图6所示。

其中箱体的内膛尺寸为900mm×400mm×450mm(宽×高×深)，箱体内外壁之间填充了超细玻璃纤维保温棉，极大减少了内腔热量的外传；

箱体底部设有升降台34的结构，可通过手动调整环境箱的高度；

箱体左右两侧设有可拆卸式堵板31，可在试样安装完成后再升起环境箱，便于操作人员对试验板材进行装配；

两侧的堵板中间设有轴流补风孔36，具体如图7、图8所示，孔内固定有轴流风扇，轴流风扇的型号为微型1804型风扇，风量可达1-2L/min，出线为2芯快插式接头；

轴流补风口的作用：通过轴流风扇给环境箱内部持续补充低流速的空气，可以保证试验过程中环境箱内的空气氧含量充足，且不影响环境箱内的温度分布。

本发明提供的一种考虑应力-热氧耦合作用对有机高分子板材性能影响的多工位室内加速老化试验方法，包括以下步骤：

步骤1，对试验装置进行检查，校准负荷传感器：检查主机及温控箱电缆线连接是否正确可靠，无松动现象，确保设备及电脑接通电源，打开电脑，按下温控箱电源按钮，不要点击加热，对各路负荷传感器进行校准；

步骤2，安装前需对高密度聚乙烯平板试样的外形进行微加工，根据夹持体的结构，需在板中间两侧距边缘20mm处开一个直径为14mm的孔，保证试样在应力-热氧耦合作用下的老化过程中不会与夹持体滑脱，并从两侧向内画40mm记号线，安装过程只需观察夹持体下侧与试样画线齐平即可，便于操作人员进行夹持体安装，具体如图5所示；

步骤3，松开锁紧螺钉，保证支撑板与下压板的间隙可放入试样，将夹持体下侧与试样画线对齐放好，使用内六角扳手依次手动带紧5颗螺钉，可保证6组高密度聚乙烯平板的夹持大体一致；

步骤4，调整移动横梁10间距，依次从下向上通过前后挂耳18、21将夹持体装配至试验工装8上，在安装过程中每组试样夹持体肯定存在差距，此时可以使用17号呆板(专用工具)来调整加长杆16的长度，将1～5路的载荷采集值趋近于第6路采集的主力值，最后将负荷传感器的监测值归零；

说明：从上至下依次是对应工位1，2，3，4，5，6，其中第6路为闭环控制通道。

步骤5，将环境箱9升至试验位置，安装两侧堵板31，盖上上开门32，连接轴流风扇插口；设置温控箱1的预热温度为80℃，对环境箱进行预热；

步骤6，拧开环境箱上开门的通气孔35，通气孔的直径为80mm，插入水银温度计测量箱体内部的温度，待箱内实测温度稳定后，与温控箱设定的预热温度进行对比，对加热温度进行校准，随后停止预热；

步骤7，根据具体试验要求，设置环境箱内的老化时间为100h、加热温度为80℃、恒定加载应力为5MPa(3000N)及极限拉伸行程为50mm，若高密度聚乙烯平板在试验过程中达到设定的极限拉伸行程，则试验装置会停止拉伸与加热，但移动横梁不会回位，防止对已老化试样的结构造成人为机械损伤，影响后续的性能测试；

步骤8，设置机械限位，移动横梁的两侧有两个限位开关12，用于试验过程中的机械限位，根据实际位移调整好2个极限位置，调整好后不可人为触动；

步骤9，以上所有设置好后，点击温控箱1上的加热按钮，开始试验；

步骤10，达到设定的老化时间后，环境箱会自动停止加热。此时，不用操作控制软件，使用17号呆板(专用工具)通过第1路的手动调整口15反向卸力，使第1路的夹持体脱开，取出试样，可以得到恒应力-热氧耦合作用下的老化100h后的高密度聚乙烯平板试样；

步骤11，再次设定老化时间为100h，重复步骤9、步骤10，直到依次取完第6路高密度聚乙烯平板，本发明提供的试验方法，仅通过一组试验即可高效得到相同环境下不同老化程度的高密度聚乙烯平板；

步骤12，将应力-热氧耦合作用加速老化后的6块高密度聚乙烯平板分别进行力学性能测试与微观组织结构观察，与仅通过热氧加速老化以及未老化处理的平板进行对比，为进一步的宏观和微观理论研究提供可靠的试验数据。

最后应该说明的是，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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。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 (10)

1.一种考虑应力-热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化试验装置，其特征在于，包括：主体框架、试验工装8、环境箱9以及温控箱1；所述主体框架上包括：支柱2，所述支柱2上平行设置有前固定横梁7、移动横梁10、后固定横梁11，所述移动横梁10与后固定横梁11之间还平行设置有导向柱4、滚珠丝杆5；所述移动横梁10与前固定横梁7之间还设置有试验工装8和环境箱9，所述试验工装8的两端对称设置有夹持体，一端的夹持体19与前固定横梁7连接、另一端的夹持体19与移动横梁10相连，前固定横梁7与其相邻的夹持体19之间设置有负荷传感器13，两个夹持体19位于环境箱9腔体的两端。

2.如权利要求1所述的考虑应力-热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化试验装置，其特征在于，所述夹持体19平行设置有多组。

3.如权利要求1所述的考虑应力-热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化试验装置，其特征在于，负荷传感器13与相邻的夹持体19之间设置有后支座14、手动调整口15、加长杆16、移动连接杆17、后挂耳18；所述后支座14、手动调整口15、加长杆16、移动连接杆17、后挂耳18依次相连。

4.如权利要求1所述的考虑应力-热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化试验装置，其特征在于，所述移动横梁10与相邻的夹持体19之间设置有连接盘25、拉力杆24、L型压板23、前固定板22、前挂耳21；所述连接盘25、拉力杆24、L型压板23、前固定板22、前挂耳21依次相连。

5.如权利要求1所述的考虑应力-热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化试验装置，其特征在于，所述夹持体19包括：下压板27、上压板28、上盖板29、锁紧螺钉30，所述下压板27、上压板28对称设置，皆为凹形结构，所述上压板28上方设置有上盖板29，所述下压板27、上压板28和上盖板29上对应处设置有螺栓孔，所述螺栓孔内设置有锁紧螺钉30。

6.如权利要求1所述的考虑应力-热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化试验装置，其特征在于，所述环境箱9为恒温通风烘箱，包括：上开门32、箱体33、左右两侧堵板及升降台34，所述箱体33顶部设置有上开门32，箱体33左右两侧设置有堵板，箱体的底部设置有升降台34。

7.如权利要求1所述的考虑应力-热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化试验装置，其特征在于，所述上开门32上设置有通气孔35；

或，所述环境箱9的侧板上设置有轴流补风孔36，优选地，轴流补风孔36内固定有轴流风扇；

或，所述环境箱的箱体33的内外壁之间填充有超细玻璃纤维保温棉。

8.如权利要求1所述的考虑应力-热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化试验装置，其特征在于，所述温控箱1与环境箱9相连，采用的是PID智能控制方式；

或，所述主体框架上设置有设备防护罩6。

9.一种考虑应力-热氧耦合作用的多工位高分子材料加速老化试验方法，其特征在于，包括：

对试验装置进行检查，校准负荷传感器；

对有机高分子试样的外形进行微加工，并在平板两侧画出记号线；

松开锁紧螺钉，在支撑板与下压板的间隙放入试样，将夹持体下侧与试样画线对齐放好，带紧螺钉，保证多工位的试样之间夹持大体一致；

调整移动横梁间距，依次从下向上通过挂耳将夹持体装配至试验工装上，随后通过调整加长杆的长度，保证各路试样的受力相同，最后将负荷传感器的监测值归零；

将环境箱升至试验位置，安装两侧堵板，盖上上开门，连接轴流风扇插口，设置温控箱的预热温度，对环境箱进行预热；

拧开环境箱上开门的通气孔，插入测温装置实测箱体内部的温度，与温控箱设定的预热温度进行对比，对加热温度进行校准，随后停止预热；

根据具体试验要求，设置环境箱内的老化时间、加热温度及应力加载参数及极限拉伸行程，若有机高分子板材在试验过程中达到设定的极限拉伸行程，则试验装置会停止拉伸与加热，但移动横梁不会回位；

设置机械限位，移动横梁的两侧有两个接近开关，用于试验过程中的机械限位，根据实际位移调整好2个极限位置，调整好后不可人为触动；

点击温控箱体上的加热按钮，开始试验；

达到设定的老化时间后，环境箱自动停止加热，使夹持体脱开，从上往下依次取出试样，即可进行后续测试实验。

10.权利要求1-8任一项所述的装置在工程设施检修、高分子材料测试中的应用。

Images