一种高分子材料的表征装置的制作方法

本发明涉及高分子材料技术领域，特别涉及一种高分子材料的表征装置。

背景技术：

对于传统的材料研发来说，采用试错法进行实验是常用的研发模式，试错法是通过现有的一些经验以及知识积累，进行重复性的实验和表征，最终获得符合要求的材料。在早期，由于技术以及条件的限制，这种方法是可行的。但是这种方法效率低下，采用此方法进行研发，新材料从实验到全面的工业化需要耗费大量的时间。材料的研发是其他诸多行业赖以生存的基础，材料的研发效率已经严重的制约了其他行业的发展。

高分子材料在加工过程中受到温度场和流动场等多场耦合驱动，具有非平衡的特点。按照传统的试错法进行材料加工条件的摸索，在这样一个多加工参数，多尺度空间结构内建立加工-结构-性能关系是一个几乎不可能完成的挑战。想要构建这样的关系图谱必须借助于计算机在较大的加工窗口下进行高通量实验，现在的高分子表征仪器只能对高分子材料的某一项性能进行测定，无法做到多项性能和高通量的实验与表征。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种高分子材料的表征装置，该装置不仅能够实现对高分子材料的力学性能以及光学性能等多项性能的表征，而且还能够实现对高分子材料的高通量表征。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高分子材料的表征装置，包括：

机体；

控制器；

设置在所述机体上，用于输送高分子薄膜的输送机构；

设置在所述机体上，并通过与所述控制器配合对被输送的所述高分子薄膜进行光学性能检测的光学检测机构；

设置在所述机体上，能够对被输送的所述高分子薄膜进行裁切的裁切机构；

设置在所述机体上，并通过与所述控制器配合对裁切得到的薄膜样品进行力学性能检测的力学检测机构。

优选的，上述高分子材料的表征装置中，所述机体包括框架和设置在所述框架内的平台，所述输送机构、所述光学检测机构、所述裁切机构和所述力学检测机构设置在所述平台上。

优选的，上述高分子材料的表征装置中，所述输送机构包括：

设置在所述平台上，并用于将所述高分子薄膜导向至所述平台之上的自由辊；

设置在所述平台上，并与所述自由辊平行且对正设置的多个变向辊，多个所述变向辊通过配合将所述高分子薄膜导向至所述平台之下；

设置在所述平台的底部，用于卷绕导向至所述平台之下的所述高分子薄膜的收卷辊。

优选的，上述高分子材料的表征装置中，还包括连接在所述收卷辊上，并用于检测所述收卷辊扭矩的扭矩传感器，所述扭矩传感器与所述控制器通信连接。

优选的，上述高分子材料的表征装置中，所述光学检测机构包括：

设置在所述平台上，并位于所述平台顶部的白光光源，所述高分子薄膜从所述白光光源和所述平台之间穿过；

设置在所述平台底部的第一积分球，所述第一积分球能够接收穿过所述高分子薄膜的所述白光光源发出的光，且所述第一积分球与所述控制器通信连接；

设置在所述第一积分球上的导光管，所述导光管允许穿过所述高分子薄膜的直通光进入；

设置在所述平台的底部，并能够接收所述直通光的第二积分球，所述第二积分球与所述控制器通信连接。

优选的，上述高分子材料的表征装置中，还包括设置在所述高分子薄膜的顶部，以使所述白光光源发出的光平行出射的光纤准直器，并且所述光纤准直器与所述导光管对正设置。

优选的，上述高分子材料的表征装置中，所述裁切机构包括：

设置在所述平台上的第一支架；

固定设置在所述第一支架上的第一导轨；

滑动的连接在所述第一导轨上的裁刀，所述裁刀通过在所述第一导轨上滑动能够相对于所述平台进行升降；

固定设置在所述平台上，并能够与所述裁刀对接的凹模，所述高分子薄膜从所述裁刀和所述凹模之间穿过，并在所述裁刀和所述凹模对接时被裁切。

优选的，上述高分子材料的表征装置中，所述裁刀上开设有凹槽，所述凹槽内设置有能够吸附所述薄膜样品的吸盘。

优选的，上述高分子材料的表征装置中，所述力学检测机构包括：

设置在所述平台上的第二导轨；

滑动的设置在所述第二导轨上的第三导轨，所述第三导轨通过在所述第二导轨上滑动，能够靠近和远离所述第一支架；

滑动的设置在所述第三导轨上，并分别夹紧所述薄膜样品两端的多个夹具，多个所述夹具通过向相反方向滑动，能够实现对所述薄膜样品的拉伸；

设置在所述第三导轨上，并用于检测所述薄膜样品所承受的拉力大小的拉力传感器，所述拉力传感器与所述控制器通信连接；

设置在所述第一支架的顶端，并用于拍摄所述薄膜样品被拉伸程度的摄像头，所述摄像头与所述控制器通信连接。

优选的，上述高分子材料的表征装置中，所述夹具为分别夹紧所述薄膜样品两端的两个，且两个所述夹具的结构相同，所述夹具包括：

滑动设置在所述第三导轨上的第二支架；

设置在所述第二支架顶端的气缸；

连接在所述气缸的活塞上的上夹片，所述上夹片在所述活塞的带动下能够相对于所述平台进行升降；

设置在所述第二支架底端的下夹片，所述上夹片能够压紧所述下夹片以实现对所述薄膜样品的夹紧，并且所述下夹片上开设有吸气孔，通过所述吸气孔的吸气能够将所述薄膜样品吸附在所述下夹片上。

本发明提供的高分子材料表征装置，能够在机体内通过输送机构持续不断的对高分子薄膜进行输送，并且在输送的同时，还能够实现对高分子薄膜的力学性能和光学性能的表征，即此装置能够在高分子薄膜移动的同时对其多项性能进行表征，不仅实现了对高分子薄膜的高通量表征，而且还实现了对高分子薄膜多项性能的表征，能够显著的提升新材料的研发效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的高分子材料表征装置的正面结构示意图；

图2为高分子材料表征装置的背面结构示意图；

图3为竖直支撑杆、第一积分球、第二积分球、导光管和光纤准直器配合的结构示意图；

图4为裁切机构与机体配合的结构示意图；

图5为裁切机构的侧视图；

图6为裁切机构的局部放大图；

图7为裁刀与吸盘配合的结构示意图；

图8为力学检测机构的结构示意图；

图9为力学检测机构的主视图；

图10为下夹片的结构示意图。

在以上图1-图10中：

1-框架，2-平台，3-自由辊，4-变向辊，5-收卷辊，6-第一电动机，7-白光光源，8-第一积分球，9-导光管，10-第二积分球，11-光纤准直器，12-竖直支撑杆，13-第一支架，14-第一导轨，15-滑块，16-第二电动机，17-裁刀，18-凹模，19-吸盘，20-第二导轨，21-第三导轨，22-第三电动机，23-第四电动机，24-第五电动机，25-拉力传感器，26-摄像头，27-第二支架，28-气缸，29-上夹片，30-下夹片，31-吸气孔。

具体实施方式

本发明提供了一种高分子材料的表征装置，该装置不仅能够实现对高分子材料的力学性能以及光学性能等多项性能的表征，而且还能够实现对高分子材料的高通量表征。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图10所示，本发明实施例提供了一种高分子材料的表征装置，其主要包括：机体；控制器(图中未示出)，该控制器与设置在机体内的部件通信连接，以实现对部件以及整个表征装置的控制和数据的采集、分析等；设置在机体上，用于输送高分子薄膜的输送机构，其能够使高分子薄膜以平铺状态在机体内持续移动；设置在机体上，并通过与控制器配合而对被输送的高分子薄膜进行光学性能检测的光学检测机构，以实现对高分子薄膜光学性能的表征；设置在机体上，能够对被输送的高分子薄膜进行裁切的裁切机构，该裁切机构用于服务力学检测机构，其通过对高分子薄膜进行裁切而得到从高分子薄膜上分离的小面积的薄膜样品；设置在机体上的力学检测机构接收裁切下来的薄膜样品后，能够通过与控制器配合，对薄膜样品进行力学性能检测，以实现对高分子薄膜力学性能的表征。优选的，本实施例提供的高分子材料的表征装置采用可编程逻辑控制器(plc)进行控制，即上述的控制器为plc，并且plc的上位机是一台计算机，计算机中的控制程序采用python进行编程，从而可以更加容易的实现自动化的操作以及数据的采集、传输和分析。

上述的表征装置，实现了高分子材料力学性能以及多项光学性能的快速批量化表征，为建立高分子材料加工条件——性能关系图谱提供了高通量的数据，为实现高分子设备智能化加工提供了基础。

本实施例提供的高分子材料的表征装置中，如图1和图2所示，优选机体包括框架1和设置在框架1内的平台2，输送机构、光学检测机构、裁切机构和力学检测机构均设置在该平台2上。此种结构的机体，在满足各部件安装、配合要求的同时，还能够使得表征装置的结构得到最大程度的简化，所以将其作为本实施例的优选结构。

如图1和图2所示，输送机构包括：设置在平台2上，并用于将高分子薄膜导向至平台2之上的自由辊3；设置在平台2上，并与自由辊3平行且对正设置的多个变向辊4，多个变向辊4通过配合工作将高分子薄膜导向至平台2之下，同时变向辊4也能够对高分子薄膜起到张紧作用；设置在平台2的底部，用于卷绕导向至平台2之下的高分子薄膜的收卷辊5。如图2所示，其中虚线箭头标示的为高分子薄膜的移动轨迹和移动方向，高分子薄膜加工设备(例如吹膜机)生产出高分子薄膜，在自由辊3的作用下，使生产出的高分子薄膜进入到机体中，并在平台2的上部向变向辊4平移，高分子薄膜的移动方向通过自由辊3控制，在此平移过程中，光学检测机构能够对高分子薄膜进行光学性能检测，并且裁切机构能够对高分子薄膜进行裁切，同时力学检测机构能够对裁切得到的薄膜样品进行力学性能检测，然后通过变向辊4的高分子薄膜向平台2的下方移动，直至缠绕到收卷辊5上。在上述过程中，高分子薄膜的移动动力为收卷辊5转动时的牵引力。由于光学性能检测和力学性能检测是在高分子薄膜移动的同时进行的，所以通过令高分子薄膜持续不断的移动，就能够实现对高分子材料的高通量表征。此外，本实施例还优选收卷辊5为气胀辊，以方便缠绕后的高分子薄膜从收卷辊5上取下。

本实施例中，还包括连接在收卷辊5上，并用于检测收卷辊5扭矩的扭矩传感器(图中未示出)，该扭矩传感器与控制器通信连接。扭矩传感器在具体设置时，将其设置在收卷辊5和驱动收卷辊5转动的第一电动机6之间，第一电动机6的动力通过扭力传感器的传递传至收卷辊5上。在此过程中，扭矩传感器能够将扭力的物理变化转换成精准的电信号，实现扭矩的动态测量，并将检测到的数据传送给plc，plc依据接收到的扭矩数据发出指令以控制第一电动机6的转动来决定收卷辊5转动的速度。

如图1-图3所示，光学检测机构包括：设置在平台2上，并位于平台2顶部的白光光源7，该白光光源7靠近自由辊3设置，高分子薄膜从白光光源7和平台2之间穿过；设置在平台2底部的第一积分球8，白光光源7发出的光能够穿过高分子薄膜和平台2，以使第一积分球8能够接收白光光源7发出的光，且第一积分球8与控制器通信连接；设置在第一积分球8上的导光管9，导光管9允许穿过高分子薄膜的直通光(直通光指的是白光光源7发出的、穿过高分子薄膜的光中传播方向未发生改变的光)进入；设置在平台2的底部并能够接收直通光的第二积分球10，该第二积分球10与控制器通信连接。设置两个积分球，是为了同时检测出高分子薄膜的透光率和雾度，具体的是：白光光源7发出的白光的光强为l0，之后白光入射到高分子薄膜上会发生散射，而穿过高分子薄膜的光，由于第一积分球8上设置有导光管9，而导光管9又仅允许相对于其自身轴线传播角度为0度至2.5度的光(即直通光)进入，所以2.5度以内的直通光将直接被第二积分球10接收，此直通光的光强为l1，而2.5度以外的散射光则进入到第一积分球8内，并在第一积分球8的内表面发生漫反射，通过检测其中某一点的光强，就能得到第一积分球8整个内表面的光的强度l2，通过公式计算即可获得高分子薄膜的透光率和雾度(此计算过程由控制器完成)。其中，由于透光率是透过透明或半透明体的光通量与其入射光通量的百分比，所以透光率的计算公式为t＝(l1+l2)/l0×100；而雾度则是一束平行光垂直的照在材料上，由于材料表面和内部造成散射，使得部分平行入射的光偏离原来的方向，其中大于2.5度的散射光通量和透过材料总的光通量的比即为雾度，所以雾度的计算公式为h＝l2/(l1+l2)×100。

如图2和图3所示，在具体设置时，两个积分球可以通过竖直支撑杆12被设置在平台2下部，并令两个积分球在竖直支撑杆12上上下排布。

本实施例中，还包括设置在高分子薄膜的顶部，以使白光光源7发出的光平行出射的光纤准直器11，并且光纤准直器11与导光管9对正设置，如图3所示。增设光纤准直器11，能够更加精准的保证白光光源7发出的光平行出射且垂直照射在高分子薄膜上，从而能够提高光学性能检测的精度。在具体设置时，光纤准直器11可以连接在白光光源7上，也可以连接在竖直支撑杆12上。

优选的，如图4-图7所示，裁切机构包括：设置在平台2上的第一支架13；固定设置在第一支架13上的第一导轨14；滑动的连接在第一导轨14上的裁刀17，该裁刀17通过在第一导轨14上滑动能够相对于平台2进行升降；固定设置在平台2上，并能够与裁刀17对接的凹模18，高分子薄膜从裁刀17和凹模18之间穿过，并在裁刀17和凹模18对接时被裁切。具体的，第一支架13优选由铝材连接而成，第一导轨14优选在第一支架13上竖直设置，第一导轨14上设置有滑块15，裁刀17连接在滑块15上。当需要对高分子薄膜进行裁切时，令第二电动机16驱动滑块15在第一导轨14上滑动，以使连接在第二滑块15上的裁刀17下降(即向平台2靠近)，如图5和图6中向下的箭头所示，由于高分子薄膜位于裁刀17和凹模18之间，所以下降的裁刀17在与凹模18接触时会对位于此两者之间的高分子薄膜进行裁切，以得到与裁刀17的环形裁切边缘形状相同的薄膜样品。本实施例中，优选裁刀17的裁切边缘的形状以及凹模18凹陷的形状都呈两头宽中间窄的哑铃型，如图6和图7所示，从而令裁切得到的薄膜样品也为哑铃型，之所以优选该种结构，是因为哑铃型的薄膜样品更有利于力学检测机构对其进行夹紧，并且也能够使得薄膜样品在被拉伸(力学性能检测是通过对薄膜样品进行拉伸而实现)时使拉伸变形发生在薄膜样品的中间较窄的部位，以进一步提升检测精度。

如图7所示，本实施例中还优选裁刀17上开设有凹槽，此凹槽内设置有能够吸附薄膜样品的吸盘19。设置吸盘19是为了在薄膜样品裁切成型后，能够实现对薄膜样品的抓取和转移，具体的是，裁刀17的背面有两个圆形的孔洞，吸盘19穿过孔洞嵌入在裁刀17的凹槽内，并且吸盘19与外部的抽真空设备相连接，当裁刀17将薄膜样品切下后，抽真空设备开始工作，吸盘19处产生负压以将薄膜样品牢牢的吸住，当薄膜样品被吸住后，第二电动机16控制第二滑块15及其上的裁刀17上升到一定高度，如图5和图6中向上的箭头所示，从而使薄膜样品也随之上升至该高度。此外，薄膜样品的抓取和转移，也可以通过设置专门的机械抓手而实现。

如图8-图10所示，本实施例优选力学检测机构包括：设置在平台2上的第二导轨20；滑动的设置在第二导轨20上的第三导轨21，第三导轨21通过在第二导轨20上滑动，能够靠近和远离第一支架13，第二导轨20在第三导轨21上的往复滑动可以通过第三电动机22的驱动而实现；滑动的设置在第三导轨21上，并分别夹紧薄膜样品两端较宽部位的多个夹具，多个夹具通过向相反方向滑动，如图8中的箭头所示，能够实现对薄膜样品的拉伸；滑动的设置在第三导轨21上，并用于检测薄膜样品所承受的拉力大小的拉力传感器25，拉力传感器25与控制器通信连接，其在薄膜样品被拉伸的过程中实时采集薄膜样品所承受的拉力数据；设置在第一支架13的顶端，并用于拍摄薄膜样品被拉伸程度的高清摄像头26，该摄像头26也与控制器通信连接。本实施例中，为了避免力学检测机构对高分子薄膜的输送和裁切造成影响，优选令力学检测机构能够在平台2上进行滑动，只有当力学检测机构接收被吸附在裁切机构上的薄膜样品时，力学检测机构才靠近高分子薄膜、输送机构以及裁切机构，而表征装置在进行其他操作时，则令力学检测机构远离上述各部件，因此令力学检测机构包括铺设在平台2上的多个第二导轨20，并使多个第二导轨20垂直于高分子薄膜的输送方向设置，如图1和图2所示，从而通过力学检测机构的其他部件在第二导轨20上滑动实现与高分子薄膜、输送机构以及裁切机构的靠近和远离。上述的力学检测机构的工作过程为：如图2中的箭头所示，首先令第三导轨21及其上的夹具等部件在第二导轨20上滑动以靠近吸附有薄膜样品的裁切机构，当第三导轨21及其上的夹具移动到位后，令裁切机构的吸盘19停止吸气，薄膜样品落到夹具上并被夹具夹紧，之后第三导轨21及其上的夹具等部件在第二导轨20上反向移动，如图2中的箭头所示，以使其远离高分子薄膜、输送机构和裁切机构，当第二导轨20停止滑动后，通过第四电动机23和第五电动机24的驱动(此两个电动机以及前面提到的所有电动机均在控制器的控制下工作)，令其上的夹紧薄膜样品两端的夹具分别向两个相反的方向移动，如图8中的箭头所示，以通过夹具的背向移动实现对薄膜样品的拉伸，又由于拉力传感器25的一端与位于薄膜样品一侧的夹具通过连接件连接，所以相互远离的两侧夹具之间的作用力也会同时作用在拉力传感器25上，使得拉力传感器25能够实时检测薄膜样品承受的拉力数据，并将拉力数据传送给控制器，控制器通过实时收集拉力传感器25传来的信号，能够得到实时的拉伸力大小。与市面上的拉伸机不同的是，在拉伸的过程中，利用一个摄像头26，实时的监控在拉伸过程中薄膜样品宽度的变化情况，从而可以精准的计算出薄膜真实的应力应变曲线而不是工程应力应变曲线，最后，控制器通过对收集的数据进行分析，最终得出力学性能检测结果。在薄膜样品拉断以后，力学检测机构所有组成部件复位。

具体的，如图8-图10所示，优选夹具为分别夹紧薄膜样品两端的两个，且两个夹具的结构相同，此夹具包括：滑动设置在第三导轨21上的第二支架27；设置在第二支架27顶端的气缸28；连接在气缸28的活塞上的上夹片29，该上夹片29在活塞的带动下能够相对于平台2进行升降；设置在第二支架27底端的下夹片30，上夹片29能够压紧下夹片30以实现对薄膜样品的夹紧，并且下夹片30上开设有吸气孔31，吸气孔31也外接有抽真空设备，通过吸气孔31的吸气能够在夹紧薄膜样品之前将薄膜样品吸附在下夹片30上。薄膜样品从裁切机构向力学检测机构转移的过程为：在裁刀17、吸盘19及被吸附的薄膜样品上升到一定的高度后，夹具随着第二导轨20移动至裁刀17、吸盘19及薄膜样品的下方，然后令裁刀17上的吸盘19停止吸附薄膜，同时下夹片30上的吸气孔31开始吸气，从吸盘19上落下的薄膜样品被吸附在下夹片30上，在将薄膜样品吸附在下夹片30上后，第三导轨21及其上的部件在第二导轨20上反向移动以远离裁切机构，当第三导轨21到达合适的位置后停止移动，此时吸气孔31停止吸气，同时气缸28启动，在压力的作用下，上夹片29开始向下移动(如图9中向下的箭头所示)直至与下夹片30接触，薄膜样品较宽的端部被夹具夹紧。其中，气缸28的启停通过电磁阀控制，而电磁阀又在控制器的控制下工作；上夹片29和下夹片30都进行粗糙处理(即加工出如图10所示的沟槽)，以增大夹紧薄膜样品的摩擦力，提升对薄膜样品的夹紧牢固性。

另外，本实施例提供的表征装置的机体上还预留了多种安装孔，其可以用于增设部件，以实现表征装置功能的扩展，如x射线检测，薄膜的双折射检测等。

本说明书中对各部分结构采用递进的方式描述，每个部分的结构重点说明的都是与现有结构的不同之处，高分子材料的表征装置的整体及部分结构可通过组合上述多个部分的结构而得到。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。