專利名稱：一種柱塞圓筒式聚合物pvt關(guān)系測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離線式柱塞圓筒式聚合物PVT (壓力P-比容V-溫度T)特性測(cè)試裝置，尤其適合測(cè)試聚合物在高冷卻速率與強(qiáng) 剪切速率下的PVT特性。
背景技術(shù)：
壓力、溫度、時(shí)間是影響聚合物注塑成型工藝的主要因素。在聚合物原材料、模具結(jié)構(gòu)、一定的情況下，注塑成型工藝參數(shù)對(duì)制品質(zhì)量有直接影響。聚合物壓力、比容積和溫度的關(guān)系，即材料的PVT特性為注塑成型過程中參數(shù)的設(shè)置以及分析制品加工中產(chǎn)生翹曲、收縮、氣泡等缺陷的原因提供依據(jù)。材料的PVT特性取決于材料的種類，但是實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，即便材料相同，在不同的冷卻速率下以及有剪切力作用下材料往往表現(xiàn)出不同的PVT特性，這些效果越強(qiáng)，材料PVT特性變化越明顯。聚合物PVT測(cè)試儀是一種用于測(cè)定聚合物比容積與壓力、溫度之間相互關(guān)系的儀器。比容積與壓力、溫度的函數(shù)關(guān)系是通過PVT特性曲線反應(yīng)的，從聚合物的PVT特性曲線圖可以直觀地得到聚合物密度、比容積、壓縮性、體積膨脹系數(shù)及狀態(tài)方程等信息。目前聚合物PVT特性主要有柱塞圓筒法(直接加壓法)與封閉液法(間接加壓法)兩種方法。柱塞圓筒法就是在測(cè)試時(shí)，將樣品放在樣品室中，將其上下密封，通過柱塞與圓筒直接對(duì)其進(jìn)行加壓。利用加熱冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品室中樣品的加熱和冷卻操作。壓力、溫度參數(shù)分別通過壓力和溫度傳感器測(cè)得。對(duì)于被測(cè)樣品的體積，由于測(cè)試腔體的橫截面一定，因此相應(yīng)的體積變化可通過柱塞的直線位移變化而計(jì)算得到。這種測(cè)試方法裝置簡(jiǎn)單，使用相對(duì)方便，但是傳統(tǒng)的柱塞圓筒法采用圓柱形試樣，試樣的半徑面積存在溫度梯度，而且需要實(shí)現(xiàn)可靠的密封以防止泄露，由于存在摩擦力的影響，試樣內(nèi)部壓力沿傳遞方向分布不完全均勻，壓力響應(yīng)存在一定的滯后，由于高冷卻速率下試驗(yàn)時(shí)間往往很短，因此溫度梯度和壓力的滯后對(duì)于試驗(yàn)精度影響較大。同時(shí)圓柱形試樣限制了剪切作用的施加。封閉液法，在活塞內(nèi)充入液體傳壓介質(zhì)，試樣浮在液體中，活塞通過傳壓介質(zhì)對(duì)聚合物試樣間接進(jìn)行加壓、加熱、冷卻。此方法優(yōu)點(diǎn)在于試樣受壓均勻、精度高。但是，其儀器相對(duì)復(fù)雜笨重，傳壓介質(zhì)水銀對(duì)人體有毒，另外由于傳壓介質(zhì)的存在不容易達(dá)到較高的冷卻速率，同時(shí)剪切作用的施加也變得非常困難。實(shí)際注塑過程中，聚合物的成型往往是伴隨著強(qiáng)冷卻速率與剪切作用進(jìn)行的，傳統(tǒng)的PVT測(cè)試儀由于響應(yīng)速率的不足，以及試樣形狀的限制往往不能實(shí)現(xiàn)這兩種作用的施力口，分析直接加壓法與間接加壓法的優(yōu)缺點(diǎn)，由于液體介質(zhì)不能承受剪力，因而直接加壓法更容易施加這兩種作用，但是傳統(tǒng)的直接加壓法采用圓柱形試樣，試樣內(nèi)部溫度梯度較大，不容易對(duì)試樣施加強(qiáng)冷卻作用，即便可以施加在高速冷卻條件下，試樣內(nèi)部產(chǎn)生很大的溫度梯度，溫度的準(zhǔn)確采集也變得不可能。另外圓柱形試樣沒法找到兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面以施加足夠強(qiáng)的剪切作用，壓力分布也不均勻。因此只有提高壓力的響應(yīng)速度，減少溫度的梯度作用，并且方便地對(duì)試樣施加剪切作用的方法，才可以實(shí)現(xiàn)模擬真實(shí)注塑條件的試驗(yàn)環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有PVT測(cè)試裝置的以上不足，本發(fā)明提供一種新型的柱塞圓筒式PVT特性測(cè)試裝置，該測(cè)試裝置不僅能測(cè)量聚合物的PVT特性，而且在測(cè)試過程中還可以實(shí)現(xiàn)快速冷卻，并對(duì)試樣施加強(qiáng)剪切作用，與此同時(shí)明顯改善了試樣內(nèi)部壓力分布使之更加均勻，響應(yīng)更加迅速。本發(fā)明的測(cè)試裝置基于柱塞圓筒式設(shè)計(jì)，采用豎直橫截面為一對(duì)平行四邊形的薄壁錐環(huán)形試樣取代傳統(tǒng)的圓柱形試樣，利用薄壁錐形圓環(huán)壁薄的特點(diǎn)并從內(nèi)外同時(shí)冷卻以實(shí)現(xiàn)高速冷卻，利用薄壁的特點(diǎn)與平行四邊形的斜邊將壓力施力面積增大，傳遞距離減少，使得壓力分布均勻，響應(yīng)速度提高，并通過使圓環(huán)內(nèi)外壁相互旋轉(zhuǎn)以達(dá)到施加剪切力的作用。本發(fā)明為達(dá)成以上目的采用的技術(shù)方案是一種柱塞圓筒式聚合物PVT關(guān)系測(cè)試裝置，主要由錐頂、隔熱水盤、圓筒、電加熱圈、測(cè)溫點(diǎn)、壓力傳感器、LVDT位移傳感器、頂桿、 試樣、螺旋形冷卻水路、柱塞和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器等幾部分組成，一對(duì)帶有環(huán)形錐面的柱塞圓筒，構(gòu)成試樣所需的薄壁錐環(huán)形試樣空間；為滿足強(qiáng)冷卻速率的施加圓筒采用夾套設(shè)計(jì)，由內(nèi)外套焊接而成，內(nèi)部設(shè)置螺旋形冷卻水路，柱塞采用中空設(shè)計(jì)內(nèi)部設(shè)置一個(gè)噴泉式的冷卻水管；試樣內(nèi)外壁各均勻設(shè)置多個(gè)溫度采集點(diǎn)，用來測(cè)量試樣的溫度，圓筒外部有用來加熱的電加熱圈；為了均勻施加力的作用并采集反映體積變化的位移量，采用一個(gè)錐頂用螺栓與圓筒相連，維頂內(nèi)固定一個(gè) LVDT(Linear Variable Differential Transformer 是線性可變差動(dòng)變壓器縮寫)位移傳感器，傳感器的鐵芯通過頂桿與柱塞相連，以測(cè)量柱塞圓筒之間的相互位移，經(jīng)過換算得到體積的變化量；為了對(duì)試樣施加剪切作用力，使用一個(gè)伺服電機(jī)和變速箱組成的驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)柱塞旋轉(zhuǎn)，用試樣的內(nèi)外表面產(chǎn)生的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)試樣施加剪切作用力；壓力通過施力裝置在錐頂頂端施加，并通過錐頂頂端的壓力傳感器實(shí)現(xiàn)采集與控制。本發(fā)明采用橫截面為平行四邊形的薄壁錐環(huán)形試樣。利用平行四邊形的幾何特點(diǎn)，通過一定斜邊傾角，降低其壓力與溫度的傳遞距離，同時(shí)令試樣內(nèi)外表面產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)試樣方便地施加剪切作用。具體操作如下I、測(cè)試前使用專門的微型注塑機(jī)將被測(cè)材料加工成薄壁錐環(huán)形試樣；2、將圓筒與錐頂整體取下，將錐環(huán)形試樣套在柱塞上，使之緊貼柱塞上的錐面；3、將圓筒套回柱塞上，壓緊試樣；4、根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需參數(shù)，通過加壓系統(tǒng)對(duì)錐頂施加壓力來對(duì)試樣施壓，用加熱圈對(duì)樣品加熱至所需溫度，通過調(diào)整柱塞圓筒中冷卻水的流量調(diào)整試樣的冷卻速率，通過調(diào)整伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速來對(duì)試樣施加合適的剪切作用，測(cè)試過程中溫度通過內(nèi)外多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的熱電偶取得，壓力數(shù)據(jù)通過錐頂頂端的壓力傳感器取得，比容積變化由位移傳感器測(cè)得的位移數(shù)據(jù)求得；5、再單獨(dú)對(duì)試驗(yàn)儀本身做一次測(cè)試，將得到的結(jié)果同放入樣品的結(jié)果做一個(gè)差值，消除比容相對(duì)值，匯總得到被測(cè)樣品的壓力、比容和溫度數(shù)據(jù)。如此便可在測(cè)試過程中，實(shí)現(xiàn)較小的溫度梯度，達(dá)到較快的壓力響應(yīng)速度，并且方便地施加強(qiáng)剪切作用與高速冷卻的功能。不僅能較好地模擬真實(shí)注塑過程，而且壓力、溫度測(cè)量精度較傳統(tǒng)方法明顯準(zhǔn)確。


圖I是本發(fā)明一種柱塞圓筒式聚合物PVT關(guān)系測(cè)試裝置中錐環(huán)形試樣示意圖。圖2本是本發(fā)明一種柱塞圓筒式聚合物PVT關(guān)系測(cè)試裝置中錐環(huán)形試樣豎直截面首1J視圖。圖3是傳統(tǒng)圓柱形試樣受力圖(厚度夸大畫法)。圖4是本發(fā)明一種柱塞圓筒式聚合物PVT關(guān)系測(cè)試裝置中薄壁錐環(huán)形試樣受力圖。圖5是本發(fā)明一種柱塞圓筒式聚合物PVT關(guān)系測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)原理圖 。圖中1.錐頂，2.隔熱水盤，3.圓筒，4.電加熱圈，5.測(cè)溫點(diǎn)分布，6.壓力傳感器，7. LVDT位移傳感器，8.頂桿，9.試樣，10.螺旋形冷卻水路，11.柱塞。途中小箭頭代表冷卻水流向。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明如何實(shí)現(xiàn)所述的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)說明圖I :本實(shí)施例所采用的試樣的示意圖，其上下面為呈75°左右的斜面，內(nèi)外表面為圓環(huán)面。圖2為試樣豎直剖面圖，其截面為一對(duì)平行四邊形。圖3所示為傳統(tǒng)圓柱形試樣受力圖，圖4所示為圓錐環(huán)形試樣受力圖。圖3中的圓柱形試樣，壓力作用在試樣上表面，壓力傳遞距離I為整個(gè)試樣高度，傳遞距離較大，由于壁面摩擦力的作用，試樣內(nèi)部壓力分布不均勻，呈現(xiàn)下部壓力大，上部壓力小，四周壓力大，中間壓力小的特點(diǎn)。由于加熱與冷卻過程都是在圓柱外部進(jìn)行，因而加熱冷卻時(shí)沿半徑方向會(huì)有明顯的溫度梯度，亦無法找到能夠相對(duì)旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)面以施加足夠有效的剪切作用。圖4采用薄壁錐環(huán)形試樣，由于壓力作用在整個(gè)錐面上，其壓力分布更為均勻，壓力傳遞距離I為錐環(huán)的厚度，相對(duì)于圓柱形試樣其長(zhǎng)度僅有約1/10，壓力傳遞距離明顯縮短，壓力分布趨于均勻，響應(yīng)速度明顯提高。環(huán)形試樣厚度較薄，溫度梯度作用可以忽略不計(jì)，力口熱冷卻時(shí)內(nèi)外溫差較小,極大減少溫度梯度產(chǎn)生的誤差。試樣內(nèi)外表面可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)，可以通過柱塞的旋轉(zhuǎn)作用方便的施加剪切力。由于環(huán)形的表面積與體積之比約為圓柱形試樣的10倍左右，且厚度只有1/10，因而通過內(nèi)外同時(shí)施加冷卻作用可以達(dá)到極高的冷卻速率(IOO0C /S)。圖5所示本發(fā)明一種柱塞圓筒式聚合物PVT關(guān)系測(cè)試裝置主要由錐頂I、隔熱水盤2、圓筒3、電加熱圈4、測(cè)溫點(diǎn)5、壓力傳感器6、LVDT位移傳感器7、頂桿8、試樣9、螺旋形冷卻水路10、柱塞11和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器12等幾部分組成，其中柱塞11由兩端不同直徑的圓柱構(gòu)成，兩端圓柱面之間用一段錐形斜面過渡。圓筒3上則有與柱塞相配合的加工表面，柱塞與圓筒構(gòu)成了一個(gè)薄壁錐環(huán)形試樣9空間，圓筒3采用夾套設(shè)計(jì)，內(nèi)套上加工有螺旋形的冷卻水槽，套上外套并焊接以實(shí)現(xiàn)密封，實(shí)驗(yàn)時(shí)用來通水使試樣9從外部冷卻。柱塞11內(nèi)中空，設(shè)置噴泉式冷卻水管以實(shí)現(xiàn)從試樣9內(nèi)部的高速冷卻，圓筒3外部套一個(gè)電加熱圈4實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的加熱，試樣內(nèi)外壁各設(shè)置三個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)5放置有熱電偶以采集試樣的溫度。圓筒3與錐頂I之間使用螺栓連接為一個(gè)整體，錐頂I內(nèi)安裝LVDT位移傳感器7，通過測(cè)量與柱塞相連的頂桿8的位移來測(cè)量試樣9的體積變化。錐頂I頂端采用球頭設(shè)計(jì)以允許壓力有一定的偏心，球頭下部放置壓力傳感器6用來準(zhǔn)確控制力的大小，為保證傳感器的正常工作，圓筒3與錐頂I之間放置一個(gè)隔熱水盤2來阻止傳感器溫度過高，柱塞11底部與驅(qū)動(dòng)器12相連，給伺服電機(jī)一個(gè)相應(yīng)的信號(hào)便可以施加確定的剪切作用力。以模擬測(cè)量聚合物在某一注塑過程中的PVT特性曲線為例，對(duì)測(cè)試過程進(jìn)行一個(gè)說明試驗(yàn)時(shí)將薄壁圓錐環(huán)形試樣9套在柱塞11上，使之與錐面緊密接觸，套上圓筒2壓緊試樣9。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需壓力通過加壓系統(tǒng)對(duì)試樣9加壓。加熱試樣9至注塑成型所需溫度，根據(jù)注塑成型實(shí)際剪切作用大小調(diào)整伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)試樣9施加剪切作用，根據(jù)注塑過程實(shí)際冷卻速率，調(diào)整冷卻水流量達(dá)到相應(yīng)冷卻速率，記錄過程中壓力、位移和溫度數(shù)據(jù)，將位移數(shù)據(jù)換算成比容積變化即得到相應(yīng)注塑過程中材料的PVT特性。本發(fā)明提供的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行PVT特性測(cè)試具有如下優(yōu)點(diǎn) I.利用薄壁圓錐環(huán)形試樣，擴(kuò)大了壓力施力面積，減少了壓力傳遞距離，使試樣受力更為均勻，壓力響應(yīng)更為迅速，并且環(huán)形試樣溫度梯度較小，因此這種裝置對(duì)比傳統(tǒng)圓柱形試樣來說計(jì)量精度更高。2.極大地增加了試樣傳熱表面的面積，并減少了熱傳遞的厚度，對(duì)薄壁錐環(huán)試樣內(nèi)外部同時(shí)施加冷卻作用，可以實(shí)現(xiàn)極高的冷卻速率(100°c /S)。3.對(duì)柱塞施加旋轉(zhuǎn)作用，可對(duì)試樣產(chǎn)生剪切作用，其作用方便、穩(wěn)定，并且可以實(shí)現(xiàn)精確控制。
權(quán)利要求
1.一種柱塞圓筒式聚合物PVT關(guān)系測(cè)試裝置，其特征在于主要由錐頂、隔熱水盤、圓筒、電加熱圈、測(cè)溫點(diǎn)、壓力傳感器、LVDT位移傳感器、頂桿、試樣、螺旋形冷卻水路、柱塞和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器組成，一對(duì)帶有環(huán)形錐面的柱塞圓筒構(gòu)成試樣所需的薄壁錐環(huán)形試樣空間；為滿足強(qiáng)冷卻速率的施加圓筒采用夾套設(shè)計(jì)，由內(nèi)外套焊接而成，內(nèi)部設(shè)置螺旋形冷卻水路，柱塞采用中空設(shè)計(jì)內(nèi)部設(shè)置一個(gè)噴泉式的冷卻水管；試樣內(nèi)外壁各均勻設(shè)置多個(gè)溫度采集點(diǎn)，圓筒外部有用來加熱的電加熱圈；為了均勻施加力的作用并采集反映體積變化的位移量，采用一個(gè)錐頂用螺栓與圓筒相連，錐頂內(nèi)固定一個(gè)位移傳感器；為了對(duì)試樣施加剪切作用力，使用一個(gè)伺服電機(jī)和變速箱組成的驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)柱塞旋轉(zhuǎn)，用試樣的內(nèi)外表面產(chǎn)生的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)試樣施加剪切作用力；壓力通過施力裝置在錐頂頂端施加，并通過錐頂頂端的壓力傳感器實(shí)現(xiàn)采集與控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種柱塞圓筒式聚合物PVT關(guān)系測(cè)試裝置，其特征在于 位移傳感器采用LVDT型，傳感器的鐵芯通過頂桿與柱塞相連，以測(cè)量柱塞圓筒之間的相互位移，經(jīng)過換算得到體積的變化量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種柱塞圓筒式聚合物PVT關(guān)系測(cè)試裝置，其特征在于圓筒上部有一個(gè)錐頂，錐頂頂端采用球頭設(shè)計(jì)，用于平均分散力的作用，并消除偏心影響。
全文摘要
本發(fā)明提供一種柱塞圓筒式聚合物PVT關(guān)系測(cè)試裝置，主要由錐頂、隔熱水盤、圓筒、電加熱圈、測(cè)溫點(diǎn)、壓力傳感器、LVDT位移傳感器、頂桿、試樣、螺旋形冷卻水路、柱塞和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器組成，一對(duì)帶有環(huán)形錐面的柱塞圓筒構(gòu)成試樣所需的薄壁錐環(huán)形試樣空間；為滿足強(qiáng)冷卻速率的施加圓筒采用夾套設(shè)計(jì)，由內(nèi)外套焊接而成，內(nèi)部設(shè)置螺旋形冷卻水路，柱塞采用中空設(shè)計(jì)內(nèi)部設(shè)置一個(gè)噴泉式冷卻水管。本發(fā)明采用橫截面為平行四邊形的薄壁錐環(huán)形試樣，利用平行四邊形的幾何特點(diǎn)，通過一定斜邊傾角，降低其壓力與溫度的傳遞距離，同時(shí)令試樣內(nèi)外表面產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)試樣方便地施加剪切作用，不僅能較好地模擬真實(shí)注塑過程，而且壓力、溫度測(cè)量精度較傳統(tǒng)方法明顯準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)G01N3/24GK102901675SQ20121039263
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者謝鵬程, 宋樂, 李月林, 張盛桂, 丁玉梅, 楊衛(wèi)民 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)