一种高剪切速率流动垂直叠加振荡流变测试方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种高剪切速率流动垂直叠加振荡流变测试方法及装置。其特征在于料筒内的物料在柱塞的挤压下，通过环缝型口模，形成高剪切速率的主流场，根据柱塞速度、完全发展流动区的压力梯度、口模形状、柱塞界面尺寸等，计算得到主流场剪切应力与剪切速率的值；通过模芯转子的振荡运动带动口模缝隙间的物料产生垂直叠加振荡流场，根据模芯转子的扭矩和振荡频率，及料筒和模芯转子的尺寸等，计算得到叠加振荡流场的剪切应力、剪切应变及剪切速率的值，进一步得到各种物料函数；料筒上安装加热装置，保证料流在实验过程中恒温。该方法与装置可用于表征高剪切速率下物料的粘弹性及微观结构，检验高剪切速率下物料的本构方程，指导成型加工。
【专利说明】一种高剪切速率流动垂直叠加振荡流变测试方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高剪切速率流动垂直叠加振荡流变测试方法及装置。
【背景技术】
[0002]目前，目前商业化的流变仪无法研究高剪切速率下物料的动态流变行为。高剪切速率流变行为的研究只能借助毛细管流变仪，无法研究动态流变行为。动态流变测试所用仪器主要为旋转流变仪，限于低剪切速率，与实际的成型加工过程相差较大，不能满足实际生产的需要。
[0003]申请号为CN200510033364的中国专利介绍了 一种聚合物毛细管正弦脉动挤出流变仪，它能够测量正弦脉动作用下聚合物在毛细管中的流变行为。申请号为CN200820210912的中国专利介绍了一种聚合物复合材料流变特性测试方法及其装置，它能够真实测量聚合物复合材料在物理场强化作用下的挤出成型过程、毛细管挤出过程、注射成型过程的流变行为，还能测量当加工条件和参数按特定程序变化时聚合物复合材料的流变行为。申请号为CN 201110391282的中国专利介绍了一种直线振动式环形缝隙挤压流变仪，中心棒与料筒之间的环形缝隙构成测试腔，料筒内可流动的待测样品在挤压柱塞杆的挤压作用下经测试腔流出，中心棒沿中心线作直线振动。上述发明实现了高剪切速率下动态流变行为的测试，但是，上述发明均为高剪切速率流动平行叠加振荡的流变测试方法，测试过程中，物料密度随时间发生变化，且主流场与叠加流场之间存在耦合作用。
[0004]垂直叠加振荡流变测试中主流场与叠加流场之间的耦合作用可以忽略。目前的垂直叠加流变测试以旋转流变仪中转子的旋转运动产生的流场为主流场，在垂直于主流场的方向，叠加振荡。由于离心力、爬竿效应等原因，这种结构的流变仪主流场能达到的剪切速率一般小于10s—1，远小于很多成型加工过程中的剪切速率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种高剪切速率流动垂直叠加振荡流变测试方法及装置。可以控制主流场和叠加振荡流场的剪切速率(或剪切应变)的值，测试得到主流场和叠加振荡流场的剪切应力的值，并可以进一步计算得到各种物料函数。流变仪主流场能达到的最大剪切速率为IO5s-1,可测量剪切速率范围涵盖绝大部分成型加工过程。得到的各种物料函数，可以用于表征高剪切速率下物料的粘弹性及微观结构，也可以用于检验高剪切速率下物料的本构方程，指导成型加工设备及工艺的改进。本测试方法及装置实现了高剪切速率下的非稳态流变测试，克服了传统的旋转流变仪只能在低剪切速率下进行流变测试，毛细管流变仪仅可以用于稳态流变测试的缺陷。
[0006]本发明提供的装置，主要包括:柱塞；驱动柱塞运动的电机及其控制系统；料筒及其温度控制系统；模芯转子；驱动模芯转子运动的电机及其控制系统；环缝完全发展流动区轴向压力梯度测试系统；模芯转子周向扭矩测试系统；软件系统。
[0007]料筒上安装加热装置并实现闭环控制，保证料流在实验过程中恒温。料筒达到设定的温度后，将测试物料加入料筒，并等待物料温度稳定于设定温度。驱动柱塞的电机的控制系统控制电机按设定速度运动，电机推动柱塞挤压料筒内的料流，通过环缝型口模，形成高剪切速率的主流场。环缝完全发展流动区轴向压力梯度测试系统测试完全发展流动区轴向压力梯度。根据柱塞速度、完全发展流动区的压力梯度、口模形状、柱塞界面尺寸等，计算得到主流场剪切应力与剪切速率的值。驱动模芯转子运动的电机的其控制系统控制电机按设定波形振荡，电机驱动环缝型口模模芯转子振荡运动，模芯转子带动口模缝隙间的物料产生垂直叠加振荡流场。模芯转子周向扭矩测试系统测试环缝模芯转子的周向扭矩。根据模芯转子的扭矩和振荡频率，及料筒和模芯转子的尺寸等，计算得到叠加振荡流场的剪切应力、剪切应变及剪切速率的值，并可以进一步计算得到各种物料函数。
[0008]完全发展流动区的压力梯度的值可根据置于环形缝隙入口处的压力传感器测得的数据，结合环形缝隙尺寸计算得到的。这种情况下，需要使用不同长度的转子进行末端校正。
[0009]完全发展流动区的压力梯度的值也可根据置于环形缝隙内完全发展流动区的压力传感器测得的数据，结合环形缝隙尺寸计算得到。这种情况下，不需要进行末端校正。
[0010]模芯转子的扭矩测试系统的扭矩传感器可以安装在电机与转子连接处。这种情况下，计算叠加振荡流场的剪切应力时，需要使用不同长度的转子进行末端校正，且进行空载实验进行转子的转动惯量校正。
[0011]也可以将转子分成有末端效应的部分和无末端效应的部分，模芯转子的扭矩测试系统的扭矩传感器置于这两部分之间，这样扭矩传感器仅测试模芯转子中间无末端效应部分的扭矩。这种情况下，计算叠加振荡流场的剪切应力时，不需要进行末端校正，但是要进行空载实验进行转子的转动惯量校正。
[0012]模芯转子振荡的波形可以被控制，可以是正弦波、锯齿型波、矩形波或随机波等，也可以是匀速转动叠加上述振荡波形，转子的匀速转动也被看做一种特殊的振荡模式，即匀速转动叠加振幅和频率均为零的振荡。模芯转子的形状可以是但不限于圆柱形。
[0013]本发明所涉及的装置，可以达到但不限于以下测试范围与精度:主流场剪切速率可调节范围为10_2?IO5S'振荡剪切分量的频率可调范围为10_3Ηζ?102Ηζ，角位移分辨率〈I μ rad,扭矩分辨率〈I μ Nm，温度范围均为室温?400 ° C，温度稳定性〈+/-0.1 ° C。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明的测试装置示意图。
[0015]图2为本发明实施例所述压力传感器置于环缝型口模入口处的示意图。
[0016]图3为本发明实施例所述压力传感器置于完全发展流动区的示意图。
[0017]图4为本发明实施例所述扭矩传感器安装在电机与转子连接处的示意图。
[0018]图5为扭矩传感器安装在模芯转子两部分之间的示意图。
[0019]附图标记说明:1、柱塞；2、料筒；3、环缝型口模；4、物料；5、完全发展流动区；6、模芯转子；7、温度传感器；8、置于环缝型口模入口处的压力传感器；9、置于完全发展流动区的压力传感器；10、安装在电机与转子连接处的扭矩传感器；11、安装在模芯转子两部分之间的扭矩传感器。【具体实施方式】
[0020]以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。但本发明的保护范围不能认为只局限于下述【具体实施方式】。对所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的基本前提下，还可以做出若干简单推演或等同替换，这些等同替换方案仍然将被视为在本发明的保护范围之内。
[0021]发明的测试装置的核心结构由柱塞1、料筒2和模芯转子6组成，料筒内装有物料
4。料筒2和模芯转子6共同围成的空间为环缝型口模3。料筒2上安装加热装置，根据温度传感器7测得的温度值进行闭环控制，保证料流在实验过程中恒温。料筒2达到设定的温度后，将测试物料4加入料筒，并等待物料4温度稳定于设定温度。驱动柱塞的电机的控制系统控制电机按设定速度运动，电机推动柱塞挤压料筒内的料流，通过环缝型口模3，形成高剪切速率的主流场。环缝型口模3可以分成三部分，入口区与出口区料流不稳定，有末端效应，中间部分是完全发展流动区5。环缝完全发展流动区轴向压力梯度测试系统测试完全发展流动区轴向压力梯度。根据柱塞速度、完全发展流动区的压力梯度、口模形状、柱塞界面尺寸等，计算得到主流场剪切应力与剪切速率的值。驱动模芯转子运动的电机11的控制系统控制电机按设定波形振荡，电机驱动模芯转子6振荡运动，模芯转子6带动口模缝隙间的物料产生垂直叠加振荡流场。模芯转子周向扭矩测试系统测试环缝模芯转子的周向扭矩。根据模芯转子6的扭矩和振荡频率，及料筒2和模芯转子6的尺寸等，计算得到叠加振荡流场的剪切应力、剪切应变及剪切速率的值，并可以进一步计算得到各种物料函数。
[0022]环缝完全发展流动区轴向压力梯度可以根据置于环缝型口模入口处的压力传感器8测试得到的压力值，结合环形缝隙尺寸计算得到。这种情况先只用一根压力传感器即可，需要使用不同长度的转子进行末端校正。
[0023]环缝完全发展流动区轴向压力梯度也可以根据置于完全发展流动区的压力传感器9测试得到的压力值，结合环形缝隙尺寸计算得到。这种情况下至少需要两根压力传感器，不需要进行末端校正。
[0024]模芯转子6的扭矩测试系统可以采用安装在电机与转子连接处的扭矩传感器10。这种情况下，计算叠加振荡流场的剪切应力时，需要使用不同长度的转子进行末端校正，且进行空载实验进行转子的转动惯量校正。
[0025]模芯转子6的扭矩测试系统也可以采用安装在模芯转子两部分之间的扭矩传感器12。将转子分成有末端效应的部分和无末端效应的部分，模芯转子6的扭矩测试系统的扭矩传感器置于这两部分之间，这样扭矩传感器仅测试模芯转子6中间无末端效应部分的扭矩。这种情况下，计算叠加振荡流场的剪切应力时，不需要进行末端校正，但是要进行空载实验进行转子的转动惯量校正。
[0026]模芯转子6振荡的波形可以被控制，可以是正弦波、锯齿型波、矩形波或随机波等，也可以是匀速转动叠加上述振荡波形，转子的匀速转动也被看做一种特殊的振荡模式，即匀速转动叠加振幅和频率均为零的振荡。模芯转子的形状可以是但不限于圆柱形。
[0027]本发明所涉及的装置，可以达到但不限于以下测试范围与精度:主流场剪切速率可调节范围为10_2?IO5S'振荡剪切分量的频率可调范围为10_3Ηζ?102Ηζ，角位移分辨率〈I μ rad,扭矩分辨率〈I μ Nm，温度范围均为室温?400 ° C，温度稳定性〈+/-0.1 ° C。
【权利要求】
1.一种高剪切速率流动垂直叠加振荡流变测试方法及装置，其特征在于:料筒内的物料在柱塞的挤压下，通过环缝型口模，形成高剪切速率的主流场，根据柱塞速度、完全发展流动区的压力梯度、口模形状、柱塞界面尺寸等，计算得到主流场剪切应力与剪切速率的值；通过环缝型口模模芯转子的振荡运动带动口模缝隙间的物料产生垂直叠加振荡流场，根据模芯转子的扭矩和振荡频率，及料筒和模芯转子的尺寸等，计算得到叠加振荡流场的剪切应力、剪切应变及剪切速率的值，并可以进一步计算得到各种物料函数；料筒上安装加热装置，保证料流在实验过程中恒温。
2.如权利要求1所述的流变测试方法及装置，其特征在于:完全发展流动区的压力梯度的值是根据置于环形缝隙入口处的压力传感器测得的数据，结合环形缝隙尺寸计算得至IJ，且需要使用不同长度的转子进行末端校正。
3.如权利要求1所述的流变测试方法及装置，其特征在于:完全发展流动区的压力梯度的值是根据置于环形缝隙内完全发展流动区的压力传感器测得的数据，结合环形缝隙尺寸计算得到，不需要进行末端校正。
4.如权利要求1所述的流变测试方法及装置，其特征在于:模芯转子的扭矩测试通过电机与转子连接处安装扭矩传感器测得；计算叠加振荡流场的剪切应力时，需要使用不同长度的转子进行末端校正，且进行空载实验进行转子的转动惯量校正。
5.如权利要求1所述的流变测试方法及装置，其特征在于:扭矩传感器仅测试模芯转子中间无末端效应部分的扭矩；计算叠加振荡流场的剪切应力时，不需要进行末端校正，但是要进行空载实验进行转子的转动惯量校正。
6.如权利要求1所述的流变测试方法及装置，其特征在于:可精确控制柱塞的运动速度和运动时间；料筒上安装有加热装置和温度传感器，可以对料筒温度进行闭环控制。
7.如权利要求1所述的流变测试方法及装置，其特征在于:模芯转子振荡的波形可以被控制，可以是正弦波、锯齿型波、矩形波或随机波等，也可以是匀速转动叠加上述振荡波形，转子的匀速转动也被看做一种特殊的振荡模式，即匀速转动叠加振幅和频率均为零的振荡。
8.如权利要求1所述的流变测试方法及装置，其特征在于:模芯转子的形状可以是但不限于圆柱形。
9.如权利要求1所述的流变测试方法及装置，其特征在于:主流场剪切速率可调节范围为10_2?IO5s-1,振荡剪切分量的频率可调范围为IO-3Hz?IO2Hz,角位移分辨率〈I μ rad，扭矩分辨率〈I μ Nm，温度范围为室温?400 ° C，温度稳定性〈+/-0.1° C。
【文档编号】G01N11/14GK103822852SQ201410076542
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2014年3月4日
【发明者】李祥刚, 刘跃军 申请人:湖南工业大学