一种实现快速降温的熔体拉伸装置

1.本实用新型属于高分子材料研究领域，尤其涉及利用温度场和拉伸场协同调控高分子材料结构和性能的研究领域，具体涉及一种实现快速降温的熔体拉伸装置。


背景技术：

2.在高分子材料的实际工业加工过程中，高分子熔体在固化为最终制品之前，不仅要经历复杂的剪切、拉伸等流动外场，同时也涉及急剧的温度变化，如注塑成型时熔体从料筒（高温）流入到模具型腔（低温）、薄膜流延时熔体从口模（高温）挤出至流延棍（低温）等。对于半结晶性高分子，流动场通过引起分子链取向，可以显著改变材料的结晶行为，如结晶动力学、晶型及晶体形态等。而温度场，特别是加工中常涉及的快速降温过程，也是影响微观结构如晶型、晶体取向及结晶度等的重要因素，并且在极端条件下能够抑制高分子结晶。通过合理设计加工参数来调控高分子材料的微观晶体结构及形态，对于优化材料的宏观性能表现具有重要意义。
3.流动场和温度场对结构形成及演化的影响表现为协同、耦合和竞争关系，其过程依赖于流场强度、温度及降温速率等加工参数。尽管关于高分子结晶行为的研究已有大量积累，但现有技术的研究方向仍然集中在分别单独考察流动场或温度场的作用效果，缺乏对二者协同效应的认识和理解，造成理论研究和实际高分子材料工业加工脱节。由于高分子结晶行为的复杂性，简单将流动场和温度场的单独效果进行叠加，并不能从根本上反映和预测出耦合外场条件下制品的微观结构特征和宏观材料性能。因此，需要提供一种能够兼顾实施流动场和温度场的熔体加工装置，以探究高分子材料在两场耦合条件下的结晶行为及性能表现，从而为工业加工中优化熔体加工工艺和改善制品性能提供参考。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种实现快速降温的熔体拉伸装置，本实用新型集合了高温熔体拉伸和快速降温两个控制单元，可以大范围调节流动场参数和温度场参数，便于开展加工
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结构
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性能的模型化实验研究以及确定高温材料在实际工业化加工的工艺参数并进行推广应用。
5.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：
6.一种实现快速降温的熔体拉伸装置，所述装置包括拉伸系统和温控系统，所述拉伸系统包括至少两个用于夹持熔体材料的夹具，且夹具分别由动力源驱动并使得夹持的熔体部位相对其他部位作对向或/背向形变，所述温控系统包括冷却机构，冷却机构包括冷却剂容器以及用于连接冷却剂容器的冷却管道，所述冷却管道的出口朝向夹具处设置。
7.优选的，所述装置还包括用于放置熔体的作业腔体，所述夹具和管道的出口均设置于作业腔体内，构成所述作业腔体的封板中的至少一个与其他封板可拆卸连接。
8.优选的，所述拉伸系统包括两个并列设置的滚筒夹具，两滚筒夹具的滚筒通过联轴器与扭矩传感器连接，扭矩传感器通过联轴器与伺服电机的输出轴连接。
9.优选的，所述温控系统还包括加热机构，加热机构包括设置于作业腔体内的电加热棒以及用于对作业腔体内部温度监测的热电偶，以及位于外界的保护气体容器和连通保护气体容器和作业腔体的保护气体管道，保护气体管道上设有相应的控制阀门。
10.优选的，由冷却剂容器至出口方向的所述冷却管道上顺次设有电动泵、流量阀和低温电磁阀。
11.优选的，所述低温电磁阀为二位三通阀，低温电磁阀的进口和第一出口分别与冷却管道连通、第二出口与外界连通。
12.优选的，所述冷却管道为聚四氟管，冷却管道的出口呈l型并对准夹具间的熔体等高设置。
13.需要说明的是，本实用新型中的伺服电机、电动泵、电加热棒、均通过外界的pc控制端进行控制，扭矩传感器、热电偶监测的相应的数据也会通过pc控制端进行显示，当然也可以采用传统的控制方式，但是为了保证可以大范围调节流动场参数（包括温度、应变及应变速率等）和温度场参数（熔体降温速率），以及流动场和温度场施加的先后次序及间隔时间精确性，本实用新型更合适采用配套研发的软件进行精确控制和数据监测，但是软件控制部分不属于实用新型专利的保护客体，故本实用新型中不对其作具体描述，但是即便是缺失了相应软件，上述各个机构的工作以及相应的信号和控制方式也属于本领域的成熟、公知技术。同时，本实用新型中所述的保温气体采用低压氮气、冷却剂采用液氮。相应的夹具可以采用本实用新型中优选方案即滚筒夹具，当然也可以采用其他形式的夹具，同时配合夹具的动力源可以采用电缸等相应的配套方式。
14.以下对本实用新型的具体工作方式进行描述：
15.首先，开启作业腔体，将高分子材料样品（片状，长45mm，宽≤20mm）的长度两端用滚筒夹具固定，然后闭合作业腔体，通过保护气体管道对作业腔体内充盈低压氮气，使得高分子材料样品处于保护气体环境，然后控制电加热棒加热至高分子材料处于熔点以上熔融状态，保温一定时长以消除热历史，然后降温至目标熔体拉伸所需要的温度。
16.同时，在作业腔体内温度即将达到拉伸温度之前，预先设定拉伸参数包括应变和应变速率，同时扭矩传感器供电，等待采集力学信号；而且开启电动液氮泵，此时低温电磁阀断电，液氮经低温电磁阀的第二出口持续排放到开放空间，该过程目的是对电动泵
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低温电磁阀之间的冷却管道区域进行提前降温，以降低后期正式冷却时液氮在该段管道中发生热交换而气化，造成对高分子材料熔体的冷却效果变差。
17.当作业腔体内温度达到拉伸温度时，立即以恒定应变速率将高分子材料样品拉伸至规定应变，同时扭矩传感器采集拉伸过程中的电压
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时间信号，并可以通过pc端上预载的软件转化为应力
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应变曲线，以获取分子链变形、熔体模量等信息；拉伸停止后，停止电加热棒的保温，同时低温电磁阀通电，第二出口关闭、第一出口开启，此时液氮经第一出口并直接喷向变形后的高温高分子材料样品，使其快速降温。平均降温速率由液氮流量的大小来控制，而熔体拉伸和液氮降温之间的时间间隔自由可调。
18.待作业腔体和内部的高分子材料样品充分冷却后，关闭电动泵，取出经拉伸和快速降温双重处理后的固态高分子材料样品，随后进行相关的微观结构及形态表征检测，并将其与材料宏观性能关联，探究流动场和温度场的协同作用机制。
19.本实用新型作为一种实验性质较多的装置，其目的在于探究兼顾实施流动场和温
度场的熔体加工装置，以探究高分子材料在两场耦合条件下的结晶行为及性能表现，从而为工业加工中优化熔体加工工艺和改善制品性能提供参考。
20.本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：本实用新型集合了高温熔体拉伸和快速降温两个控制单元，可以大范围调节流动场参数和温度场参数；整体结构紧凑，方便拆卸，样品尺寸小，资源消耗低，便于开展加工
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结构
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性能的模型化实验研究以及确定高温材料在实际工业化加工的工艺参数并进行推广应用。
附图说明
21.图1为具体实施方式中实现快速降温的熔体拉伸装置的结构示意图；
22.图2为图1所示装置中拉伸系统和作业腔体的立体连接结构示意图。
具体实施方式
23.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
24.如图1
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2所示，一种实现快速降温的熔体拉伸装置，所述装置包括安装台1，以及设置于安装台1上的拉伸系统、温控系统和由数块封板组成的作业腔体3，作业腔体3的顶部封板可以与其他封板拆卸连：
25.所述拉伸系统包括两个并列设置于作业腔体3内的滚筒夹具24，两滚筒夹具24的滚筒通过作业腔体3外的联轴器22与扭矩传感器23连接，扭矩传感器23通过联轴器22与伺服电机21的输出轴连接；
26.所述温控系统包括冷却机构和加热机构，冷却机构包括冷却剂容器以及用于连接冷却剂容器31的冷却管道33，冷却管道33的出口与设置于作业腔体3顶部封板上的l型喷管35连接，l型喷管35的出口对准滚筒夹具24之间的高分子材料样品处设置，由冷却剂容器至出口方向的所述冷却管道33上顺次设有电动泵36、流量阀32和低温电磁阀34，所述低温电磁阀34为二位三通阀，低温电磁阀34的进口和第一出口分别与冷却管道33连通、第二出口与外界连通。
27.加热机构（图中未画出）包括设置于作业腔体3内的电加热棒以及用于对作业腔体内部温度监测的热电偶，以及位于外界的保护气体容器和连通保护气体容器和作业腔体的保护气体管道，保护气体管道上设有相应的控制阀门。
28.具体的，所述冷却管道33为聚四氟管，l型喷嘴35为不锈钢材质，本实施例中的伺服电机、电动泵、电加热棒均通过外界的pc控制端进行控制，扭矩传感器、热电偶监测的相应的数据也会通过pc控制端进行显示，当然也可以采用传统的控制方式，流量阀的控制可以采用法兰物理调控等方式。
29.以下对本实施例的具体工作方式进行描述：
30.首先，开启作业腔体，将高分子材料样品（片状，长45mm，宽≤20mm）的长度两端用滚筒夹具固定，然后闭合作业腔体，通过保护气体管道对作业腔体内充盈低压氮气，使得高分子材料样品处于保护气体环境，然后控制电加热棒加热至高分子材料处于熔点以上熔融状态，保温一定时长以消除热历史，然后降温至目标熔体拉伸所需要的温度；
31.同时，在作业腔体内温度即将达到拉伸温度之前，预先设定拉伸参数包括应变和应变速率，同时扭矩传感器供电，等待采集力学信号；而且开启电动液氮泵，此时低温电磁阀断电，液氮经低温电磁阀的第二出口持续排放到开放空间，该过程目的是对电动泵
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低温电磁阀之间的冷却管道区域进行提前降温，以降低后期正式冷却时液氮在该段管道中发生热交换而气化，造成对高分子材料熔体的冷却效果变差。
32.当作业腔体内温度达到拉伸温度时，立即以恒定应变速率将高分子材料样品拉伸至规定应变，同时扭矩传感器采集拉伸过程中的电压
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时间信号，并可以通过pc端上预载的软件转化为应力
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应变曲线，以获取分子链变形、熔体模量等信息；拉伸停止后，停止电加热棒的保温，同时低温电磁阀通电，第二出口关闭、第一出口开启，此时液氮经第一出口并直接喷向变形后的高温高分子材料样品，使其快速降温。平均降温速率由液氮流量的大小来控制，而熔体拉伸和液氮降温之间的时间间隔自由可调。
33.待作业腔体和内部的高分子材料样品充分冷却后，关闭电动泵，取出经拉伸和快速降温双重处理后的固态高分子材料样品，随后进行相关的微观结构及形态表征检测，并将其与材料宏观性能关联，探究流动场和温度场的协同作用机制。