[发明专利]一种与X射线散射联用的湿度环境拉伸装置及其实验方法

说明书

本发明提供一种与X射线散射联用的湿度环境拉伸装置及其实验方法，该装置包括力学采集系统，升温装置，蒸汽发生装置，样品腔以及拉伸夹具。该装置的腔体可以根据需要进行切换，实现湿度环境和溶液环境的拉伸，通过氮气气路中氮气流量的调控实现腔体湿度在20‑98％RH。该装置设计5mm通光光路，有效减少溶液及蒸汽环境对于X射线的吸收。该装置的样品最小间距为20mm，并增加拉伸腔体长度，能够获得10倍以上的拉伸倍率。该装置电机转动由Labview软件控制，通过可编译运动控制器实现单轴拉伸、循环往复拉伸、应力松弛等多种外场施加模式。上述湿度环境拉伸装置拆卸和安装简便，适合与X射线检测装置进行联用，获得有效指导生产的科学理论。

技术领域

本发明涉及高分子薄膜加工过程中的在线研究表征技术领域，特别涉及一种与X射线散射联用的湿度环境拉伸装置及其实验方法。

背景技术

高分子材料的加工方式和使用环境的复杂性以及其中所涉及的多尺度结构在复杂外场耦合作用下的变化，就要求研究手段能够提供尽可能全面的外场参数以及表征方法需要时间分辨。

水凝胶材料因为其优异的生物相容性和柔韧性被视作为人工皮肤、柔性电极等的优异候选材料，但是水凝胶在有水和无水条件下展现出完全不同的力学性能，因此它的加工和使用需要有水参与。在纯水浴环境下的加工，容易导致过度的溶胀造成力学性能下降以及部分材料的溶解。蒸汽湿度环境下的加工方式能够保证水凝胶的水分不易丧失，同时能够通过调控蒸汽压来控制水凝胶材料的溶胀程度以及抑制水凝胶的溶解，实现水凝胶材料的加工和使用。因此，模拟水凝胶在蒸汽外场下的形变和相变行为，探究水凝胶中裂纹扩展抑制机理等问题，急需研制能够与X射线散射联用的湿度环境拉伸加工实验装置。

发明内容

本发明提出一种与X射线散射联用的单轴拉伸装置和实验方法，能够提供现有技术中没有的湿度拉伸环境。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种与X射线散射联用的湿度环境拉伸装置，包括高精度伺服电机，滚珠丝杆，加热棒，液位计，温湿度传感器，样品水槽，氮气气路和拉力传感器，其中：包括滚珠丝杆，拉力传感器，样品腔盖把手，夹头，样品腔盖，轴承，温湿度传感器，加热棒，水阀，氮气气路，样品水槽，液位计，联轴器和高精度伺服电机，其中，

通过定位架将滚珠丝杆固定与底座，并通过联轴器将滚珠丝杆与高精度伺服电机相连，滚珠丝杆两端螺纹相反，两个丝杆轴承分别套装于滚珠丝杆两端，夹头一端与丝杆轴承直接相连，另外一端与拉力传感器相连，拉力传感器与丝杆轴承相连；拉伸腔体中，设有温湿度传感器；下方样品水槽中，氮气气路外部与氮气阀相连，氮气气路内部置于样品水槽；加热棒通过螺纹固定在样品水槽一端，液位计通过螺纹固定与样品水槽另一端。

高精度伺服电机驱动滚珠丝杆运动，将高精度伺服电机转动转化为直线运动，滚珠丝杆带动纵向夹头运动，实现对薄膜样品的拉伸，运行速度连续可调，能够很好地配合不同材料对拉伸速度的响应；拉伸过程中，拉力传感器跟踪拉力变化，Labview软件控制系统对高精度伺服电机的控制和拉力传感器信号采集进行集成，能够进行同步控制与数据采集，拉力数据采集使用美国国家仪器公司生产的NI-USB6008数据采集卡，薄膜拉伸温度由温度控制器精确控制，样品水槽内设有一个加热棒，温湿度传感器探测的温度信息反馈到温度控制器，温度控制器自动调节工作状态以达到精确控温的目的，通过氮气通入的流速调控实现控制拉伸腔体湿度在20-98％RH以及腔体温度的均匀。

其中，装置模拟湿度环境拉伸加工条件时，实现对薄膜的拉伸比和拉伸倍率的精确调控，且能保证薄膜处于所需湿度环境。同时能采集拉伸过程中拉力的变化，原位检测拉伸之后薄膜结构演化，解释薄膜加工中结构演化行为与加工性能的关系。

本发明另外提供一种与X射线散射联用的湿度环境拉伸装置的实验方法，利用上述的湿度环境拉伸装置，与同步辐射小角X射线散射实验站联用，原位研究薄膜拉伸加工中结构演化行为与加工性能的关系。

该装置与X射线实验站联用时主要的实验步骤为：