[发明专利]一种拉伸/剪切可控复合流场的偏心圆筒流变装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物流变学测试技术，尤其涉及一种拉伸/剪切可控复合流场的偏心圆筒流变装置及方法。

背景技术

聚合物加工成型过程中熔体的流动通常伴随着剪切与拉伸同时存在的复杂流动，两种流动形式在流动空间存在不同的强度，对聚合物熔体的分子取向，组分间分散状态等微观结构产生不同的影响，并最终影响聚合物制品的尺寸、形状、物理特性等宏观性能。复杂流动中，流场中的应力应变状态显然受到熔体的拉伸流变特性和剪切流变特性的综合影响，这种综合影响规律目前还缺乏研究，传统的流变测量方法，还只是建立在简单的剪切流动或者拉伸流动基础上，测得的熔体流变参数也只是单纯的剪切流变或拉伸流变参数，表征的流变特性也只是简单流动中的特性，利用这些参数，既无法准确计算熔体在复杂流场的流动状态，也无法解释复杂流场中的各种特殊现象。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种拉伸/剪切可控复合流场的偏心圆筒流变装置及方法。探索聚合物熔体在复杂流场中的流变行为规律，增加流变学实验研究手段，从而更好地指导聚合物成型加工过程。

本发明通过下述技术方案实现：

一种拉伸/剪切可控复合流场的偏心圆筒流变装置，包括测量装置I、升降装置II、偏心度调节装置III；

所述测量装置I包括外筒6、置于外筒6内部的内筒4、用于驱动内筒4旋转的电机2、设置在外筒6外部的对流辐射加热炉5，内筒4连接电机2的转轴；所述外筒6与内筒4之间形成间隙，该间隙用于盛装待测的聚合物；

所述偏心度调节装置III包括旋转机构，该旋转机构的旋转轴17通过一根径向设置的旋臂19连接电机2的电机本体；当旋转轴17转动时，通过旋臂19使电机2的电机本体整体移动，进而改变内筒4的轴线与外筒6的轴线之间相对位置，即内筒4与外筒6之间的偏心度；

升降装置II设置在测量装置I的下放，用于调节外筒6的高度。

所述旋转轴17上设置有光学编码器16和扭矩传感器15；所述电机2的转轴上设有光栅型编码器1。

所述升降装置II包括蜗轮蜗杆减速器10和用于驱动蜗轮蜗杆减速器10转动的步进电机11，该蜗轮蜗杆减速器10的丝杠副8端部设有力传感器7，通过力传感器7连接在外筒6的底部；在升降装置II上、力传感器7的下方设有激光位置传感器9。

所述外筒6的筒壁上设有压力及温度传感器20。

所述电机2的轴承采用陶瓷滚针轴承3。

设置在旋转轴17两端的轴承采用陶瓷角接触球轴承14、18。

所述旋转机构还包括用以驱动旋转轴17转动的步进电动机12和减速器13。

所述电机2为无刷直流电机。

测量装置I通过具有测量功能的电机驱动内筒旋转，并利用电机测量内筒的转矩，安装在内筒(即电机转轴)上的光栅型编码器同步测量内筒的转速与转角，外筒底面安装的力传感器可测量外筒的径向力和转矩，此外，外筒壁面上安装的若干压力—温度传感器能够测量内外筒间隙内聚合物熔体的温度、压力分布；升降装置II通过蜗轮蜗杆减速器和丝杆副组成的传动机构调节外筒的升降，以便圆筒的拆卸与清理，激光位移传感器实时反馈外筒的高度，控制两筒底面的间距；偏心度调节装置III通过驱动旋臂转动，从而产生内筒轴线相对于外筒轴线的偏心，步进电机和角位移编码器组成的闭环控制系统确保内筒以要求的角度偏转。本仪器能够研究聚合物熔体在复杂流场中的特殊流变行为，对聚合物加工工程的技术发展具有现实的意义。

采用上述偏心圆筒流变装置，测量聚合物熔体拉伸/剪切应力的方法如下：

步骤一：步进电动机12和减速器13带动旋转轴17转动，并通过旋臂19使电机2的电机本体整体移动，使内筒4的轴线与外筒6的轴线之间相对位置，按照设定的距离偏移后，步进电动机12停止，减速器13自锁；

步骤二：升降装置II通过激光位置传感器9位置反馈调节外筒6底部的高度到测量位置后，步进电机11停止，蜗轮蜗杆减速器10自锁；

步骤三：将待测聚合物放进内筒4和外筒6之间的间隙内，合上对流辐射加热炉5，加温到设定温度；

步骤四：控制电机2驱动内筒4在应变控制或应力控制模式下工作，在应变控制模式下，光栅型编码器1和电机2组成闭环系统确保内筒4按设定转速旋转，同时电机2作为内筒4转矩的测量工具，在应力控制模式下，电机2控制内筒4的转矩不变，而光栅型编码器1则作为内筒2转速的测量工具；