一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试系统、方法及力学参量优化系统、方法与流程

本发明涉及材料性能测试技术领域，特别涉及一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试系统、方法及力学参量优化系统、方法。

背景技术：

现有技术中测试光聚合反应中材料化学-力学参量实时演变的方法有静态测试法，其通过控制光照强度和时间制备一系列不同聚合程度的条状材料，然后使用静态三点弯测试得到各个材料的弯曲模量，从而得到弯曲模量与聚合转化度在有限离散点处的对应关系。然而，此方法耗时耗力，且测试结果并不能反应聚合过程中模量的真实演化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试系统、方法及力学参量优化系统、方法，以克服上述现有技术中的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试系统，包括

聚合转化度获取模块，其用于实时获取光聚合反应中材料的聚合转化度；

粘弹性力学参量获取模块，其用于实时获取光聚合反应中材料的粘弹性力学参量；及

控制模块，其用于与所述聚合转化度获取模块和所述粘弹性力学参量获取模块连接，以调整聚合转化度和/或粘弹性力学参量的获取时间和频率，实现聚合转化度和粘弹性力学参量的同时同步获取。

本发明的有益效果是：将聚合转化度获取模块和粘弹性力学参量获取模块相耦合，实现光聚合反应中聚合动态和材料粘弹性力学参量的同时同步测试，为光聚合反应提供化学—力学参量实时耦合的动态数据；直观地揭示材料力学性能随聚合动态的实时演变，从侧面揭示光聚合过程中高分子网络的动态生长机制；同时，多参量的同时同步测试不仅可以避免各参量单独测试时因样品尺寸、测试条件和采样速率等不同对实验结果造成的影响及对数据耦合分析带来的困难；另，通过一组实验得到多组数据大大节省了测试时间和资源，提高了测试效率和可靠性。

进一步：所述聚合转化度获取模块为光谱仪，其包括

第一数据采集单元，其用于采集未发生光聚合反应时材料的吸光度及其对应的光谱仪波数；

第一数据处理单元，其用于将所述第一数据采集单元采集到的数据绘制成吸光度-波数曲线ⅰ；

光聚合反应发生单元，其用于对材料进行光照，以使材料发生光聚合反应；

第二数据采集单元，其用于采集光聚合反应中材料的吸光度及其对应的光谱仪波数；

第二数据处理单元，其用于将所述第二数据采集单元采集到的数据绘制成吸光度-波数曲线ⅱ；及

聚合转化度计算单元，其用于根据所述吸光度-波数曲线ⅰ和所述吸光度-波数曲线ⅱ计算光聚合反应中材料的聚合转化度。

进一步：所述粘弹性力学参量获取模块为纳米压痕仪，其包括

第三数据采集单元，其用于采集光聚合反应中纳米压痕仪的压头所施加的力、压头在材料中的压入位移及其对应的时间；

第三数据处理单元，其用于将所述第三数据采集单元采集到的数据绘制成力-时间曲线和位移-时间曲线；及

粘弹性力学参量计算单元，其用于根据所述力-时间曲线、位移-时间曲线、接触力学和粘弹性理论计算光聚合反应中材料的粘弹性力学参量。

一种光聚合反应中材料力学参量优化系统，其特征在于：包括上述任一一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试系统和优化模块；

所述优化模块，其与所述控制模块连接，用于根据获取的聚合转化度和粘弹性力学参量，调整光聚合反应中的光照条件和/或材料组分，以优化材料的粘弹性力学参量。

本发明的有益效果是：通过实时耦合的演化数据引导调控聚合动态来优化聚合产物的力学性能，对光聚合材料在各行各业的实际应用有着重要的指导和经济意义。

进一步：所述光照条件包括光照强度、光照时间和光照模式。

一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试方法，包括以下步骤

步骤1：实时获取光聚合反应中材料的聚合转化度；

步骤2：实时获取光聚合反应中材料的粘弹性力学参量；

步骤3：调整聚合转化度和/或粘弹性力学参量的获取时间和频率，实现聚合转化度和粘弹性力学参量的同时同步获取。

本发明的有益效果是：将聚合转化度和粘弹性力学参量相耦合，实现光聚合反应中聚合动态和材料粘弹性力学参量的同时同步测试，为光聚合反应提供化学—力学实时耦合的动态数据；直观地揭示材料力学性能随聚合动态的实时演变，从侧面揭示光聚合过程中高分子网络的动态生长机制；同时，多参量的同时同步测试不仅可以避免各参量单独测试时因样品尺寸、测试条件和采样速率等不同对实验结果造成的影响及对数据耦合分析带来的困难；另，通过一组实验得到多组数据大大节省了测试时间和资源，提高了测试效率和可靠性。

进一步：所述步骤1具体为：

步骤11：采集未发生光聚合反应时材料的吸光度及其对应的光谱仪波数；

步骤12：将步骤11中采集到的数据绘制成吸光度-波数曲线ⅰ；

步骤13：对材料进行光照，以使材料发生光聚合反应；

步骤14：采集光聚合反应中材料的吸光度及其对应的光谱仪波数；

步骤15：将步骤14中采集到的数据绘制成吸光度-波数曲线ⅱ；

步骤16：根据所述吸光度-波数曲线ⅰ和所述吸光度-波数曲线ⅱ计算光聚合反应中材料的聚合转化度。

进一步：所述步骤2具体为：

步骤21：采集光聚合反应中所述纳米压痕仪的压头所施加的力、压头在材料中的压入位移及其对应的时间；

步骤22：将所述步骤21中采集到的数据绘制成力-时间曲线和位移-时间曲线；

步骤23：根据所述力-时间曲线、位移-时间曲线、接触力学和粘弹性理论计算光聚合反应中材料的粘弹性力学参量。

一种光聚合反应中材料力学参量优化方法，包括上述任一一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试方法和步骤4，

所述步骤4为根据获取的聚合转化度和粘弹性力学参量，调整光聚合反应中的光照条件和/或材料组分，以优化材料的粘弹性力学参量。

本发明的有益效果是：通过实时耦合的演化数据引导调控聚合动态来优化聚合产物的力学性能，对光聚合材料在各行各业的实际应用有着重要的指导和经济意义。

进一步：所述光照条件包括光照强度、光照时间和光照模式。

附图说明

图1为本发明一种光聚合反应中材料力学参量优化系统的原理框图；

图2为光聚合反应前后材料的吸光度随光谱仪波数的变化曲线图；

图3为光聚合反应中纳米压痕仪的压头所施加的力、及压头在材料中的压入位移随时间的变化曲线图；

图4为光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试系统的部分实验装置搭建图；

图5为光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试系统的又一部分实验装置搭建图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例1一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试系统，包括

聚合转化度获取模块，其用于实时获取光聚合反应中材料的聚合转化度；

粘弹性力学参量获取模块，其用于实时获取光聚合反应中材料的粘弹性力学参量；及

控制模块，其用于与所述聚合转化度获取模块和所述粘弹性力学参量获取模块连接，以调整聚合转化度和/或粘弹性力学参量的获取时间和频率，实现聚合转化度和粘弹性力学参量的同时同步获取。

本发明的有益效果是：将聚合转化度获取模块和粘弹性力学参量获取模块相耦合，实现光聚合反应中聚合动态和材料粘弹性力学参量的同时同步测试，为光聚合反应提供化学—力学实时耦合的动态数据；直观地揭示材料力学性能随聚合动态的实时演变，从侧面揭示光聚合过程中高分子网络的动态生长机制；同时，多参量的同时同步测试不仅可以避免各参量单独测试时因样品尺寸、测试条件和采样速率等不同对实验结果造成的影响及对数据耦合分析带来的困难；另，通过一组实验得到多组数据大大节省了测试时间和资源，提高了测试效率和可靠性。

本发明实施例2一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试系统，在实施例1的基础上，所述聚合转化度获取模块为光谱仪，其包括

第一数据采集单元，其用于采集未发生光聚合反应时材料的吸光度及其对应的光谱仪波数；

第一数据处理单元，其用于将所述第一数据采集单元采集到的数据绘制成吸光度-波数曲线ⅰ；

光聚合反应发生单元，其用于对材料进行光照，以使材料发生光聚合反应；

第二数据采集单元，其用于采集光聚合反应中材料的吸光度及其对应的光谱仪波数；

第二数据处理单元，其用于将所述第二数据采集单元采集到的数据绘制成吸光度-波数曲线ⅱ；及

聚合转化度计算单元，其用于根据所述吸光度-波数曲线ⅰ和所述吸光度-波数曲线ⅱ计算光聚合反应中材料的聚合转化度。

本发明实施例3一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试系统，在实施例2的基础上，光聚合反应中材料在第n波数段内的聚合转化度a根据如下第一公式进行计算，所述第一公式为：

其中，a1为所述吸光度-波数曲线ⅰ中第n波数段内吸收峰的面积；a2为所述吸光度-波数曲线ⅱ中第n波数段内吸收峰的面积。

本发明实施例4一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试系统，在实施例1至3中任一实施例的基础上，所述粘弹性力学参量获取模块为纳米压痕仪，其包括

第三数据采集单元，其用于采集光聚合反应中所述纳米压痕仪的压头所施加的力、压头在材料中的压入位移及其对应的时间；

第三数据处理单元，其用于将所述第三数据采集单元采集到的数据绘制成力-时间曲线和位移-时间曲线；及

粘弹性力学参量计算单元，其用于根据所述力-时间曲线、位移-时间曲线、接触力学和粘弹性理论计算光聚合反应中材料的粘弹性力学参量。

本发明实施例5一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试系统，在实施例4的基础上，所述粘弹性力学参量包括储能模量e'、损耗模量e”和损耗角正切tanδ，

所述储能模量e'根据如下第二公式进行计算，所述第二公式为：

其中，ac为压头与材料接触时的投影面积；ks为存储刚度，由纳米压痕仪进行标定；

所述损耗模量e”根据如下第三公式进行计算，所述第三公式为：

其中，ω为加载角频率；cs为阻尼系数，由纳米压痕仪进行标定；

所述损耗角正切tanδ根据如下第四公式进行计算，所述第四公式为：

本发明实施例6一种光聚合反应中材料力学参量优化系统，包括上述实施例1至5中的任一一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试系统和优化模块；

所述优化模块，其与所述控制模块连接，用于根据获取的聚合转化度和粘弹性力学参量，调整光聚合反应中的光照条件和/或材料组分，以优化材料的粘弹性力学参量。

本发明的有益效果是：通过实时耦合的演化数据引导调控聚合动态来优化聚合产物的力学性能，对光聚合材料在各行各业的实际应用有着重要的指导和经济意义。

本发明实施例7一种光聚合反应中材料力学参量优化系统，在实施例6的基础上，所述光照条件包括光照强度、光照时间和光照模式。

本发明实施例8一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试方法，包括以下步骤

步骤1：实时获取光聚合反应中材料的聚合转化度；

步骤2：实时获取光聚合反应中材料的粘弹性力学参量；

步骤3：调整聚合转化度和/或粘弹性力学参量的获取时间和频率，实现聚合转化度和粘弹性力学参量的同时同步获取。

本发明的有益效果是：将聚合转化度和粘弹性力学参量相耦合，实现光聚合反应中聚合动态和材料粘弹性力学参量的同时同步测试，为光聚合反应提供化学—力学实时耦合的动态数据；直观地揭示材料力学性能随聚合动态的实时演变，从侧面揭示光聚合过程中高分子网络的动态生长机制；同时，多参量的同时同步测试不仅可以避免各参量单独测试时因样品尺寸、测试条件和采样速率等不同对实验结果造成的影响及对数据耦合分析带来的困难；另，通过一组实验得到多组数据大大节省了测试时间和资源，提高了测试效率和可靠性。

本发明实施例9一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试方法，在实施例8的基础上，所述步骤1具体为：

步骤11：采集未发生光聚合反应时材料的吸光度及其对应的光谱仪波数；

步骤12：将步骤11中采集到的数据绘制成吸光度-波数曲线ⅰ；

步骤13：对材料进行光照，以使材料发生光聚合反应；

步骤14：采集光聚合反应中材料的吸光度及其对应的光谱仪波数；

步骤15：将步骤14中采集到的数据绘制成吸光度-波数曲线ⅱ；

步骤16：根据所述吸光度-波数曲线ⅰ和所述吸光度-波数曲线ⅱ计算光聚合反应中材料的聚合转化度。

本发明实施例10一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试方法，在实施例9的基础上，光聚合反应中材料在第n波数段内的聚合转化度a根据如下第一公式进行计算，所述第一公式为：

其中，a1为所述吸光度-波数曲线ⅰ中第n波数段内吸收峰的面积；a2为所述吸光度-波数曲线ⅱ中第n波数段内吸收峰的面积。

本发明实施例11一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试方法，在实施例8至10中任一实施例的基础上，所述步骤2具体为：

步骤21：采集光聚合反应中所述纳米压痕仪的压头所施加的力、压头在材料中的压入位移及其对应的时间；

步骤22：将所述步骤21中采集到的数据绘制成力-时间曲线和位移-时间曲线；

步骤23：根据所述力-时间曲线、位移-时间曲线、接触力学和粘弹性理论计算光聚合反应中材料的粘弹性力学参量。

本发明实施例12一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试方法，在实施例11的基础上，所述粘弹性力学参量包括储能模量e'、损耗模量e”和损耗角正切tanδ，

所述储能模量e'根据如下第二公式进行计算，所述第二公式为：

其中，ac为压头与材料接触时的投影面积；ks为存储刚度，由纳米压痕仪进行标定；

所述损耗模量e”根据如下第三公式进行计算，所述第三公式为：

其中，ω为加载角频率；cs为阻尼系数，由纳米压痕仪进行标定；

所述损耗角正切tanδ根据如下第四公式进行计算，所述第四公式为：

本发明实施例13一种光聚合反应中材料力学参量优化方法，包括实施例8至12中任一一种光聚合反应中材料化学-力学参量实时追踪测试方法和步骤4，

所述步骤4为根据获取的聚合转化度和粘弹性力学参量，调整光聚合反应中的光照条件和/或材料组分，以优化材料的粘弹性力学参量。

本发明的有益效果是：通过实时耦合的演化数据引导调控聚合动态来优化聚合产物的力学性能，对光聚合材料在各行各业的实际应用有着重要的指导和经济意义。

本发明实施例14一种光聚合反应中材料力学参量优化方法，在实施例13的基础上，所述光照条件包括光照强度、光照时间和光照模式。

具体实施例，光聚合反应中材料力学参量优化方法：

1)实验材料选择

选择通用的牙科树脂bis-gma(双酚a甲基丙烯酸缩水甘油酯)和tegdma(二甲基丙烯酸三甘醇酯)作为聚合单体，牙科通用的、激发波段为蓝光区段的樟脑醌(camphoroquinone,cq)作为光引发剂。这样的选材使得测试结果不仅可以与现有的大量实验和理论结果相对比，同时具有一定的普遍性和实用性。

2)主要实验仪器

光谱仪：可以通过光纤连接实现对样品的远程测试(即样品可在空间任意位置放置，只需在其侧面搭建两根光纤用于红外信号的输入和输出)，这种远程无损的测试方式以及简单易行的制样要求使得光谱仪可以在多种场合下进行原位测试，并可与多种其它测试设备相耦合，实现对材料多参量的实时和同时测试。

考虑到常用的傅里叶变换红外光谱仪(ft-ir)在实际操作和数据采集过程中的缺点(如仪器不易移动、取样速率慢、软件的可控性差等)，选用基于衍射光栅的便携式色散红外光谱仪(dispersivespectrometer)，并利用labview软件实现对吸收光谱的实时采集、数据处理和聚合转化度的计算。

纳米压痕仪：纳米压痕测试是通过控制已知形状、已知力学参数的微纳米压头压入样品表面的实时载荷(或位移)，利用微传感技术测试压入位移(或载荷)的实时响应，得到压痕过程载荷－位移曲线，进而计算出被压材料的力学参数(如硬度、弹性模量、断裂韧性、蠕变等)。

随着其动态模块(dynamicnanoindentation，或称nanodma)的逐渐兴起，纳米压痕也被广泛应用于对聚合物粘弹性的表征。nanodma测试是在静态压痕加载或保载过程中叠加振幅很小的正玄振荡荷载，通过监控压入位移的实时动态响应能够得到材料的粘弹性力学参量随压入位移、加载角频率或时间的变化。

3)实验装置搭建

如图4和图5所示，使用薄壁聚四氟乙烯(ptfe)圆管来盛放未固化的材料，材料与ptfe圆管呈竖直放置固定于纳米压痕仪的样品台上；将连接红外信号输入、输出的两根光纤固定于ptfe管的两侧，并透过纳米压痕仪的隔音外壳分别将光纤的另一端连接至红外光源和光谱仪；固化光源通过固定装置从侧面射向材料，同样利用连接线将固化光源引出并连接至光源控制器；光谱仪和光源控制器与计算机直接连接，并使用labview自编程序实现对固化光源的光照条件(如开关时间、强度、模式等)的实时控制和对光谱仪的实时控制；在测试过程中，粘弹性力学参量由纳米压痕仪自带软件实时采集计算得出，通过调整光谱仪的取样时间和频率，可实现二者数据的同时同步采集。

4)数据处理和分析

光谱仪可以测得材料在固化过程中的实时光谱，根据吸收光谱中参与反应基团吸收峰强度随时间的变化，可以计算出聚合转化度的实时演化。如图2所示，在6165cm^-1波数附近存在单一吸收峰，对应着单体c＝c双键的伸缩振动，这一吸收峰随着光聚合反应的进行不断变小(即单体数量的不断变少)，因而实验中可通过监控这一吸收峰的强度(通过吸收峰的面积量化)得到聚合转化度，并输出聚合转化度的实时变化。

nanodma测试过程中，仪器实时记录压头在动态荷载下的位移响应，记录数据参见图3，并根据接触力学和粘弹性理论，利用动态载荷幅值、位移响应幅值、加载角频率(ω)、压头与样品接触的投影面积(ac)、载荷和位移间的相位差等参数计算出材料的阻尼系数(cs)、存储刚度(ks)、储能模量(e′)、损耗模量(e″)、及损耗角正切(tanδ)等粘弹性力学参量。测试结束后，仪器所带软件自动给出上述粘弹性力学参量在测试过程中的实时变化。

5)光聚合动态多参量演化及材料性能优化

基于上述聚合转化度和粘弹性力学参量的测试结果，优化光聚合产物的力学性能。具体优化方案包括：改变光照条件(如改变光照强度、光照时间、控制在不同时间段的光照强度及采用间歇式的光照等)，和调节聚合体系组分(如改变引发剂的浓度、聚合体系的配比、添加填料等)。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。