[发明专利]一种在线监测微注塑中复合材料形态演变的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合物微纳制造过程的调控装置及方法，具体涉及一种微注塑中复合材料形态演变的在线监测装置及方法。

背景技术

在迅速发展的微机电系统(MEMS)驱动下，作为微纳制造领域新兴发展的一项重要技术，微注塑在聚合物微纳制造中的作用变得日益重要。凭借成本低、生产率高以及材料利用率高等诸多优势，近年来微注塑技术已被用于生产制造众多种类的聚合物微纳器件。产品微型化趋势的不断发展，不仅对微注塑制品的尺寸精度提出了更为严格的要求，而且对其各项性能指标也提出了更高的要求。在此背景下，微尺度下如何从材料复合的角度进行深入研究是个值得探讨的新课题。通过材料复合，可借鉴纳米复合材料发展中积累的相关经验，实现多种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料微制品产生优良且可调控的综合性能，以满足国内外市场对高性能微注塑制品的巨大需求。

根据制品“形态决定性能，性能决定用途”这一原理，研究微注塑中聚合物复合材料形态演变规律是当前该领域中切合实际且迫切需要解决的问题。由于流动过程中聚合物熔体行为的复杂性及影响因素的多样性，目前研究聚合物复合材料的内部形态主要采取离线检测方式，即成型过程结束后对制品进行切割取样、表面处理，再借助电子扫描显微镜、透射电子显微镜以及光学显微镜等仪器/手段进行观测表征。如果检测结果不能满足预期的材料形态要求，需要调整工艺参数进行重复实验/生产，然后再次进行取样和形态测试表征，如此反复直至满足要求为止。显然，上述离线检测方法耗时长且过程繁琐；此外，检测前对制品的取样及后续物理/化学处理过程会不可避免地破坏复合材料内部的原有形态，从而造成检测误差。

鉴于上述离线检测方式的不足，如果能够在微注塑成型过程中对聚合物复合材料内部形态演变过程进行实时监测，从而对微制品的注塑成型工艺进行优化，就能够显著降低检测时间并提高检测精度。专利(申请公布号：CN103085249A；专利名称：一种可视化聚合物熔体注塑充模流动系统)公开了一种模拟聚合物熔体注塑充模流动的实时监测系统，该专利所述系统的主要功能与目前普遍使用的可视化系统相同，即用于观测聚合物熔体的宏观流动状态。而从监测微尺度下聚合物复合材料形态演变(如微纳米颗粒的运动状态)角度来看，该专利存在如下明显缺陷：(1)该系统为模拟实验装置，利用常温下呈流动状态的聚合物材料，其实验结果很难准确反映高温熔融状态下注塑生产过程中聚合物复合材料的真实形态演变；(2)该专利所涉及的为常规注塑尺寸范围，无法适用于尺寸微小的微注塑场合；(3)最为关键的是，该系统采用透明聚合物流体，且利用穿透式光路，因此高速摄像机所获取图像中关于填料颗粒的形态信息为沿流道整个深度方向的综合效果，从而无法清楚地观测到流道内指定深度位置聚合物复合材料的形态。综上所述，为实现微注塑过程中聚合物复合材料形态演变的在线监测，目前该领域依然存在许多问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种在线监测微注塑中复合材料形态演变的装置及方法，以满足快速发展的微注塑成型技术对及时准确过程检测手段的需求。为了实现上述目的，本发明采取以下技术解决方案：

本发明提供的一种在线监测微注塑中复合材料形态演变的装置，包含熔体调控模块，所述熔体调控模块包括型腔板、滑动密封圈、导柱、透明型腔盖板、支撑板、轴承、电机和传动轴；所述透明型腔盖板固定安装于与电机相联接的传动轴上；所述传动轴通过轴承轴向固定于支撑板上；所述型腔板与透明型腔盖板之间通过导柱的轴向运动可形成“闭合”与“开启”两种相对位置关系；在所述电机和传动轴带动下，透明型腔盖板可绕其轴线转动；所述熔体调控模块可装配于标准注塑模架内，便于实现注塑成型在线操作。

所述型腔板上设有一个锥形主流道，所述锥形主流道大端处设有一个与之连通的半圆形微流道，所述半圆形微流道末端沿周向设有一条与之连通的排气槽；所述排气槽的末端设有一个与之连通的排气孔，所述排气孔与锥形主流道位于同一直径上；所述半圆形微流道内外各设有一个与其同心的环形密封槽；所述型腔板与透明型腔盖板“闭合”时，借助环形密封槽内的滑动密封圈可实现半圆形微流道的密封；所述型腔板中央设有一个圆形空腔，且于半圆形微流道一侧设有一条贯穿的加热管道；所述加热管道两边各设有一条与之平行的冷却管道。

所述半圆形微流道的半径为r，矩形截面的宽度为W、深度为H，相关尺寸取值范围优选为：50mm≤r≤200mm；200μm≤H≤1000μm；10≤W/H≤20。