一種超聲波在線表徵結晶動力學過程的方法和裝置製造方法
2023-05-26 11:03:51
一種超聲波在線表徵結晶動力學過程的方法和裝置製造方法
【專利摘要】一種利用超聲波在線表徵材料結晶動力學過程的測試方法和裝置：在PVT測試裝置的密閉料腔安裝溫度、壓力傳感器和超聲波探頭，冷卻材料進行結晶，同步檢測獲得不同壓強和溫度下的比容和超聲波聲速對時間曲線，由曲線拐點可將材料所處的熱學狀態分為固態、結晶區和熔融態；將同步的超聲波速度對比容作圖擬合建立其定量關係。將結晶動力學方程中結晶度用比容表達的形式轉換為用超聲波速度的形式，定量分析結晶過程，研究材料組成、溫度和壓強及介質對結晶的影響規律。在生產線或模具料腔內安裝溫度、壓強傳感器和超聲波探頭，可原位、無損且方便地在線表徵結晶歷程，優化反饋控制冷卻工藝、配方，評價製品質量。該法易高壓在線測試和快速變壓變溫測試。
【專利說明】一種超聲波在線表徵結晶動力學過程的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料測試領域，特別是一種超聲波在線表徵材料結晶動力學過程的方法和裝置。
【背景技術】
[0002]一些材料在降溫過程是過冷液體，通過局部有序化形成結晶結構。該過程是一種熱動力學過程，材料組成、溫度、壓力和介質等條件對晶體結構、結晶速度和結晶度有影響，準確把握該影響規律可有效調控制品微觀結構及其性能。
[0003]結晶過程中材料的熱容和比容(密度的倒數)等性能發生變化，監測其變化即可表徵結晶動力學過程。動態掃描量熱儀(DSC)等可用於表徵材料冷卻過程中熱容變化，被廣泛用於表徵結晶過程，但必須針對確定小質量試樣，難以直接用於製品冷卻定型過程，即測試是離線進行的。常規DSC是常壓下進行，新近出現的高壓DSC在變壓過程難於穩定，且也是針對確定質量試樣測試，不便用於在線表徵。
[0004]另一方面，進行PVT (壓力-體積-溫度)裝置可測試結晶過程中比容變化反映結晶的動態特性。實際上，常規PVT測試必須針對封閉體積內確定量材料進行，難於真正實現在線表徵。本專利 申請人:提出了利用超聲波在線表徵聚合物比容的方法(見專利「一種在線測試熔融指數的方法和裝置」，申請號201310304246.3)。這樣，本專利提出:在建立了超聲波聲速與比容的定量關係後，可進一步對冷卻製品進行超聲波無損監測，在線表徵材料結晶動力學過程。相對DSC測試，超聲波表徵法可針對非固定質量樣品，如連續生產過程或大型製品，容易實現高壓測試和快速變壓、變溫瞬態測試。
[0005]為原位監測製品結晶歷程，本發明提出在生產線或成型模具料腔安裝超聲波系統，通過監測材料冷卻過程中超聲波傳遞特性(如聲速或衰減係數)，在線表徵結晶過程的方法和裝置。高頻率超聲波幾乎是無損的機械波，用其在線測試具有信號反饋靈敏、檢測信息豐富及操作安裝方便等優點。
【發明內容】
[0006]為了克服現有技術不在線的不足，本發明的目的在於提供一種利用超聲波在線表徵材料結晶動力學過程的測試方法和裝置。
[0007]先建立材料中傳遞超聲波聲速曲線和其比容曲線的對應關係，分析獲得聲速-比容定量關係。為此，在PVT測試裝置的密閉料腔安裝溫度、壓力傳感器和超聲波探頭，在測試冷卻過程材料比容的同時，同步測試其中傳遞的超聲波聲速，獲得比容和聲速對溫度或時間的曲線。需要說明的是，PVT測試中同步超聲波測試可採用透射模式或反射模式；為保證測試精度，被測對象應為料腔中材料，壓力傳感器和超聲波探頭應與材料直接接觸，溫度傳感器前段儘可能接近被測材料。一些壓力傳感器與溫度傳感器為一體，這時不需要單獨安裝溫度傳感器，更方便使用。
[0008]下圖1提出一種PVT-超聲波同步測試裝置和方法進行說明，但本專利並不局限於此。料腔I被圍於加熱/冷卻部件2內，通過熱傳導可準確調節被測材料3的溫度；材料3被料腔I和可移動改變材料體積的柱塞4及通過螺紋連接密封的螺栓堵頭5封閉；在料腔一截面內安裝溫度/壓強傳感器6、超聲波發射探頭7和超聲波接受探頭8 (反射模式時僅一個探頭進行發射和接受超聲波)，柱塞4的位置變化通過位移傳感器9測試，柱塞4與直線移動驅動系統10連接而變化位置，該驅動系統10可用液壓缸、氣缸或絲槓驅動等機構形式。由柱塞4位置計算出被封閉材料的體積，與其質量比為比容；從傳感器同步檢測壓強、溫度和超聲波聲速。對材料從高溫冷卻到結晶的全過程中，按一定間隔時間讀取這些數據並記錄，獲得不同壓強和溫度下的比容曲線和超聲波聲速曲線。將同一溫度或同一壓力下的比容曲線和超聲波聲速曲線作在一張圖內，得到其等溫或等壓曲線。由聲速曲線拐點可確定結晶開始溫度和結束溫度，連接不同壓力下結晶開始溫度點和結束溫度點形成兩條線，由低溫到高溫可將材料所處的熱力學狀態定義為固態、結晶區和熔融態。這樣，可分析結晶歷程、溫度和壓強及其變化速率對結晶過程的影響規律；改變材料組成進行測試還可分析材料組成和結構對其結晶過程的影響。
[0009]一定壓力和溫度下確定狀態材料的比容和一定頻率超聲波在其中傳遞速度是唯一的。將結晶過程超聲波速度曲線與比容曲線進行對比，用同步的超聲波速度對比容作圖，擬合建立聲速-比容定量關係。
[0010]進一步，應用現有結晶動力學理論和基於比容變化表徵結晶過程的方法，將結晶動力學方程中結晶度用比容表達的形式轉換為用超聲波速度的形式，從而用超聲波聲速變化定量分析結晶度隨冷卻時間變化的動態過程，研究材料組成、溫度和壓強及介質對結晶度和結晶結構的影響規律。
[0011]需要說明的是，超聲波聲速-比容定量關係、結晶動力學方程及結晶度-比容定量關係可以考慮不同材料或工藝條件採取不同數學表達式。
[0012]上述說明的結晶過程可以是靜態的；若結晶過程樣品承受剪切或其他作用，也可在動態實驗裝置上安裝超聲波系統用於研究剪切等作用下結晶動力學過程。
[0013]現場應用時，在生產線或模具料腔內安裝溫度傳感器、壓強傳感器和超聲波探頭，監測一定溫度和壓強下材料結晶過程的超聲波聲速曲線可用於反映結晶過程的特徵，對照相同溫度和壓力下材料比容-超聲波聲速對應曲線特徵點，即可在線表徵結晶歷程，進而還可定量分析其結晶動力學。
[0014]超聲波在線表徵結晶過程裝置示意為圖2或3。被測材料I置於生產線或模具的料腔2內，在料腔一截面四周安裝壓強傳感器3和溫度傳感器4分別測試物料的壓強和溫度。同時，通過超聲波發射檢測系統7採用透射(圖2)或反射(圖3)模式測試超聲波穿過厚度I材料所需要傳播時間At，便得到聲速V = ULt0傳感器測試的信號通過信號線6存入檢測系統7進行保存。採用超聲波透射模式如圖2，超聲波探頭5發射聲波被探頭8檢測接收；採用超聲波反射模式如圖3，超聲波探頭8既發射聲波又檢測接收聲波。
[0015]該專利的效果是，這種在線表徵是原位進行的，屬於無損檢測，即時、準確且方便，可反饋優化控制冷卻溫度和壓力等參數。通過在線監控生產，更快速優化冷卻凝固工藝，方便地進行配方研究和製品質量評價。與現有離線方法相比，超聲波表徵結晶動力學除在線表徵特點外，還有容易實現高壓測試和快速變壓、變溫瞬態測試的優勢。【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1 PVT-超聲波同步測試表徵結晶過程的裝置
1-料腔，2-加熱/冷卻部件，3-被測材料，4-柱塞，5-螺栓堵頭，6-溫度/壓強傳感器，7-超聲波發射探頭，8-超聲波接受探頭，9-位移傳感器，10-直線移動驅動系統。
[0017]圖2基於超聲透射模式在線表徵結晶過程中在料腔一截面內傳感器安裝示意圖1 -被測材料，2-料腔，3-壓強傳感器，4-溫度傳感器，5-超聲波發射探頭，6-信號線，7-溫度-壓力檢測-超聲波發射檢測系統，8-超聲波接收探頭。
[0018]圖3基於超聲反射模式在線表徵結晶過程中在料腔一截面內傳感器安裝示意圖1-被測材料，2-料腔，3-超聲波探頭，4-溫度傳感器，5-壓強傳感器，6-信號線，
7-溫度-壓力檢測-超聲波發射檢測系統。
[0019]圖4不同壓力下聚丙烯中聲速隨溫度變化的關係圖。
[0020]圖5不同壓力下聚丙烯中比容隨溫度變化的關係圖。
[0021]圖6不同壓力下聚丙烯結晶開始溫度(Tcs)和結束溫度(TCE)。
[0022]圖7不同壓力下聚丙烯結晶時間(0-4分鐘)與結晶度之間的關係圖1。
[0023]圖8不同壓力下聚丙烯結晶時間(4-6分鐘)與結晶度之間的關係圖1I。
[0024]圖9lg[-1g(1-D)]與!^的擬合關係圖。
【具體實施方式】
[0025]實施方案一:以圖1的PVT測試裝置料腔安裝超聲波探頭對聚丙烯熔體冷卻過程進行在線測試，獲得等溫和等壓條件下聚丙烯比容和其中傳遞超聲波聲速對時間的同步對應曲線，見圖4和圖5。
[0026]一定溫度T和壓強P下，材料內傳遞超聲波聲速與其比容是唯一對應的，不同壓力下曲線幾乎是平行的；一定壓力下，圖4中超聲波聲速隨溫度的變化曲線與圖5中比容隨溫度的變化曲線相似，由聲速曲線拐點可確定結晶開始溫度(Iffi)和結束溫度(Tra)。連接不同壓力下結晶開始溫度點和結束溫度點形成兩條線，由低溫到高溫可將材料所處的熱力學狀態定義為固態、結晶區和熔融態。隨著壓力的增加，結晶溫度範圍整體向高溫區域移動並且結晶速度明顯加快，結晶開始的時間也隨之提前，完成結晶的時間逐漸縮短。
[0027]下面舉例具體說明如何利用超聲波定量表徵結晶動力學過程。
[0028]( I)分析結晶溫度受壓力的影響。
[0029]對照圖4和圖5，可獲得不同壓力下聚丙烯結晶開始溫度(Tcs)和結束溫度(TCE)，繪為圖6。兩個溫度對壓強近似直線依賴關係T=' P，參數是與壓力有關的材料常數。擬合值見表1。
[0030]表1參數、Bp的數值
【權利要求】
1.一種利用超聲波在線表徵材料結晶動力學過程的測試方法和裝置，其特徵在於，在生產線或模具料腔內安裝溫度傳感器、壓強傳感器和超聲波探頭，監測一定溫度和壓強下材料結晶過程的超聲波聲速曲線，在線表徵結晶動力學過程。
2.根據權利要求1所述的一種利用超聲波在線表徵材料結晶動力學過程的測試方法和裝置，其特徵在於，建立超聲波聲速曲線分析結晶動力學過程的方法為:同步測試材料比容和傳遞超聲波聲速建立聲速-比容定量關係；應用現有結晶動力學理論和基於比容變化表徵結晶過程的方法，將結晶動力學方程中結晶度用比容表達的形式轉換為用超聲波速度的形式；從而用超聲波聲速變化定量分析結晶度隨冷卻時間變化的動態過程，研究材料組成、溫度和壓強及介質對結晶度和結晶結構的影響規律。
3.根據權利要求2所述的建立超聲波聲速曲線分析結晶動力學過程的方法，其特徵在於，建立聲速-比容定量關係的方法和裝置為:在PVT測試裝置的密閉料腔安裝溫度、壓力傳感器和超聲波探頭；由測試冷卻過程被封閉材料的體積與其質量比為比容，從傳感器同步檢測壓強、溫度和超聲波聲速；對材料從高溫冷卻到結晶的全過程中，按一定間隔時間讀取這些數據並記錄，獲得不同壓強和溫度下的比容和超聲波聲速對時間曲線；將同一溫度或同一壓力下的比容曲線和超聲波聲速曲線作在一張圖內，得到其等溫或等壓曲線；將該超聲波速度曲線與比容曲線進行對比，將同步的超聲波速度對比容作圖，擬合建立聲速-比容定量關係。
【文檔編號】G01N29/07GK103512956SQ201310468196
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月10日 優先權日:2013年10月10日
【發明者】王克儉, 程麗華 申請人:北京化工大學