一種高剪切速率流動垂直疊加振蕩流變測試方法及裝置製造方法
2023-10-11 22:42:59 4
一種高剪切速率流動垂直疊加振蕩流變測試方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種高剪切速率流動垂直疊加振蕩流變測試方法及裝置。其特徵在於料筒內的物料在柱塞的擠壓下，通過環縫型口模，形成高剪切速率的主流場，根據柱塞速度、完全發展流動區的壓力梯度、口模形狀、柱塞界面尺寸等，計算得到主流場剪切應力與剪切速率的值；通過模芯轉子的振蕩運動帶動口模縫隙間的物料產生垂直疊加振蕩流場，根據模芯轉子的扭矩和振蕩頻率，及料筒和模芯轉子的尺寸等，計算得到疊加振蕩流場的剪切應力、剪切應變及剪切速率的值，進一步得到各種物料函數；料筒上安裝加熱裝置，保證料流在實驗過程中恆溫。該方法與裝置可用於表徵高剪切速率下物料的粘彈性及微觀結構，檢驗高剪切速率下物料的本構方程，指導成型加工。
【專利說明】一種高剪切速率流動垂直疊加振蕩流變測試方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高剪切速率流動垂直疊加振蕩流變測試方法及裝置。
【背景技術】
[0002]目前，目前商業化的流變儀無法研究高剪切速率下物料的動態流變行為。高剪切速率流變行為的研究只能藉助毛細管流變儀，無法研究動態流變行為。動態流變測試所用儀器主要為旋轉流變儀，限於低剪切速率，與實際的成型加工過程相差較大，不能滿足實際生產的需要。
[0003]申請號為CN200510033364的中國專利介紹了 一種聚合物毛細管正弦脈動擠出流變儀，它能夠測量正弦脈動作用下聚合物在毛細管中的流變行為。申請號為CN200820210912的中國專利介紹了一種聚合物複合材料流變特性測試方法及其裝置，它能夠真實測量聚合物複合材料在物理場強化作用下的擠出成型過程、毛細管擠出過程、注射成型過程的流變行為，還能測量當加工條件和參數按特定程序變化時聚合物複合材料的流變行為。申請號為CN 201110391282的中國專利介紹了一種直線振動式環形縫隙擠壓流變儀，中心棒與料筒之間的環形縫隙構成測試腔，料筒內可流動的待測樣品在擠壓柱塞杆的擠壓作用下經測試腔流出，中心棒沿中心線作直線振動。上述發明實現了高剪切速率下動態流變行為的測試，但是，上述發明均為高剪切速率流動平行疊加振蕩的流變測試方法，測試過程中，物料密度隨時間發生變化，且主流場與疊加流場之間存在耦合作用。
[0004]垂直疊加振蕩流變測試中主流場與疊加流場之間的耦合作用可以忽略。目前的垂直疊加流變測試以旋轉流變儀中轉子的旋轉運動產生的流場為主流場，在垂直於主流場的方向，疊加振蕩。由於離心力、爬竿效應等原因，這種結構的流變儀主流場能達到的剪切速率一般小於10s—1，遠小於很多成型加工過程中的剪切速率。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種高剪切速率流動垂直疊加振蕩流變測試方法及裝置。可以控制主流場和疊加振蕩流場的剪切速率(或剪切應變)的值，測試得到主流場和疊加振蕩流場的剪切應力的值，並可以進一步計算得到各種物料函數。流變儀主流場能達到的最大剪切速率為IO5s-1,可測量剪切速率範圍涵蓋絕大部分成型加工過程。得到的各種物料函數，可以用於表徵高剪切速率下物料的粘彈性及微觀結構，也可以用於檢驗高剪切速率下物料的本構方程，指導成型加工設備及工藝的改進。本測試方法及裝置實現了高剪切速率下的非穩態流變測試，克服了傳統的旋轉流變儀只能在低剪切速率下進行流變測試，毛細管流變儀僅可以用於穩態流變測試的缺陷。
[0006]本發明提供的裝置，主要包括:柱塞；驅動柱塞運動的電機及其控制系統；料筒及其溫度控制系統；模芯轉子；驅動模芯轉子運動的電機及其控制系統；環縫完全發展流動區軸向壓力梯度測試系統；模芯轉子周向扭矩測試系統；軟體系統。
[0007]料筒上安裝加熱裝置並實現閉環控制，保證料流在實驗過程中恆溫。料筒達到設定的溫度後，將測試物料加入料筒，並等待物料溫度穩定於設定溫度。驅動柱塞的電機的控制系統控制電機按設定速度運動，電機推動柱塞擠壓料筒內的料流，通過環縫型口模，形成高剪切速率的主流場。環縫完全發展流動區軸向壓力梯度測試系統測試完全發展流動區軸向壓力梯度。根據柱塞速度、完全發展流動區的壓力梯度、口模形狀、柱塞界面尺寸等，計算得到主流場剪切應力與剪切速率的值。驅動模芯轉子運動的電機的其控制系統控制電機按設定波形振蕩，電機驅動環縫型口模模芯轉子振蕩運動，模芯轉子帶動口模縫隙間的物料產生垂直疊加振蕩流場。模芯轉子周向扭矩測試系統測試環縫模芯轉子的周向扭矩。根據模芯轉子的扭矩和振蕩頻率，及料筒和模芯轉子的尺寸等，計算得到疊加振蕩流場的剪切應力、剪切應變及剪切速率的值，並可以進一步計算得到各種物料函數。
[0008]完全發展流動區的壓力梯度的值可根據置於環形縫隙入口處的壓力傳感器測得的數據，結合環形縫隙尺寸計算得到的。這種情況下，需要使用不同長度的轉子進行末端校正。
[0009]完全發展流動區的壓力梯度的值也可根據置於環形縫隙內完全發展流動區的壓力傳感器測得的數據，結合環形縫隙尺寸計算得到。這種情況下，不需要進行末端校正。
[0010]模芯轉子的扭矩測試系統的扭矩傳感器可以安裝在電機與轉子連接處。這種情況下，計算疊加振蕩流場的剪切應力時，需要使用不同長度的轉子進行末端校正，且進行空載實驗進行轉子的轉動慣量校正。
[0011]也可以將轉子分成有末端效應的部分和無末端效應的部分，模芯轉子的扭矩測試系統的扭矩傳感器置於這兩部分之間，這樣扭矩傳感器僅測試模芯轉子中間無末端效應部分的扭矩。這種情況下，計算疊加振蕩流場的剪切應力時，不需要進行末端校正，但是要進行空載實驗進行轉子的轉動慣量校正。
[0012]模芯轉子振蕩的波形可以被控制，可以是正弦波、鋸齒型波、矩形波或隨機波等，也可以是勻速轉動疊加上述振蕩波形，轉子的勻速轉動也被看做一種特殊的振蕩模式，即勻速轉動疊加振幅和頻率均為零的振蕩。模芯轉子的形狀可以是但不限於圓柱形。
[0013]本發明所涉及的裝置，可以達到但不限於以下測試範圍與精度:主流場剪切速率可調節範圍為10_2?IO5S'振蕩剪切分量的頻率可調範圍為10_3Ηζ?102Ηζ，角位移解析度〈I μ rad,扭矩解析度〈I μ Nm，溫度範圍均為室溫?400 ° C，溫度穩定性〈+/-0.1 ° C。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的測試裝置示意圖。
[0015]圖2為本發明實施例所述壓力傳感器置於環縫型口模入口處的示意圖。
[0016]圖3為本發明實施例所述壓力傳感器置於完全發展流動區的示意圖。
[0017]圖4為本發明實施例所述扭矩傳感器安裝在電機與轉子連接處的示意圖。
[0018]圖5為扭矩傳感器安裝在模芯轉子兩部分之間的示意圖。
[0019]附圖標記說明:1、柱塞；2、料筒；3、環縫型口模；4、物料；5、完全發展流動區；6、模芯轉子；7、溫度傳感器；8、置於環縫型口模入口處的壓力傳感器；9、置於完全發展流動區的壓力傳感器；10、安裝在電機與轉子連接處的扭矩傳感器；11、安裝在模芯轉子兩部分之間的扭矩傳感器。【具體實施方式】
[0020]以下結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。但本發明的保護範圍不能認為只局限於下述【具體實施方式】。對所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的基本前提下，還可以做出若干簡單推演或等同替換，這些等同替換方案仍然將被視為在本發明的保護範圍之內。
[0021]發明的測試裝置的核心結構由柱塞1、料筒2和模芯轉子6組成，料筒內裝有物料
4。料筒2和模芯轉子6共同圍成的空間為環縫型口模3。料筒2上安裝加熱裝置，根據溫度傳感器7測得的溫度值進行閉環控制，保證料流在實驗過程中恆溫。料筒2達到設定的溫度後，將測試物料4加入料筒，並等待物料4溫度穩定於設定溫度。驅動柱塞的電機的控制系統控制電機按設定速度運動，電機推動柱塞擠壓料筒內的料流，通過環縫型口模3，形成高剪切速率的主流場。環縫型口模3可以分成三部分，入口區與出口區料流不穩定，有末端效應，中間部分是完全發展流動區5。環縫完全發展流動區軸向壓力梯度測試系統測試完全發展流動區軸向壓力梯度。根據柱塞速度、完全發展流動區的壓力梯度、口模形狀、柱塞界面尺寸等，計算得到主流場剪切應力與剪切速率的值。驅動模芯轉子運動的電機11的控制系統控制電機按設定波形振蕩，電機驅動模芯轉子6振蕩運動，模芯轉子6帶動口模縫隙間的物料產生垂直疊加振蕩流場。模芯轉子周向扭矩測試系統測試環縫模芯轉子的周向扭矩。根據模芯轉子6的扭矩和振蕩頻率，及料筒2和模芯轉子6的尺寸等，計算得到疊加振蕩流場的剪切應力、剪切應變及剪切速率的值，並可以進一步計算得到各種物料函數。
[0022]環縫完全發展流動區軸向壓力梯度可以根據置於環縫型口模入口處的壓力傳感器8測試得到的壓力值，結合環形縫隙尺寸計算得到。這種情況先只用一根壓力傳感器即可，需要使用不同長度的轉子進行末端校正。
[0023]環縫完全發展流動區軸向壓力梯度也可以根據置於完全發展流動區的壓力傳感器9測試得到的壓力值，結合環形縫隙尺寸計算得到。這種情況下至少需要兩根壓力傳感器，不需要進行末端校正。
[0024]模芯轉子6的扭矩測試系統可以採用安裝在電機與轉子連接處的扭矩傳感器10。這種情況下，計算疊加振蕩流場的剪切應力時，需要使用不同長度的轉子進行末端校正，且進行空載實驗進行轉子的轉動慣量校正。
[0025]模芯轉子6的扭矩測試系統也可以採用安裝在模芯轉子兩部分之間的扭矩傳感器12。將轉子分成有末端效應的部分和無末端效應的部分，模芯轉子6的扭矩測試系統的扭矩傳感器置於這兩部分之間，這樣扭矩傳感器僅測試模芯轉子6中間無末端效應部分的扭矩。這種情況下，計算疊加振蕩流場的剪切應力時，不需要進行末端校正，但是要進行空載實驗進行轉子的轉動慣量校正。
[0026]模芯轉子6振蕩的波形可以被控制，可以是正弦波、鋸齒型波、矩形波或隨機波等，也可以是勻速轉動疊加上述振蕩波形，轉子的勻速轉動也被看做一種特殊的振蕩模式，即勻速轉動疊加振幅和頻率均為零的振蕩。模芯轉子的形狀可以是但不限於圓柱形。
[0027]本發明所涉及的裝置，可以達到但不限於以下測試範圍與精度:主流場剪切速率可調節範圍為10_2?IO5S'振蕩剪切分量的頻率可調範圍為10_3Ηζ?102Ηζ，角位移解析度〈I μ rad,扭矩解析度〈I μ Nm，溫度範圍均為室溫?400 ° C，溫度穩定性〈+/-0.1 ° C。
【權利要求】
1.一種高剪切速率流動垂直疊加振蕩流變測試方法及裝置，其特徵在於:料筒內的物料在柱塞的擠壓下，通過環縫型口模，形成高剪切速率的主流場，根據柱塞速度、完全發展流動區的壓力梯度、口模形狀、柱塞界面尺寸等，計算得到主流場剪切應力與剪切速率的值；通過環縫型口模模芯轉子的振蕩運動帶動口模縫隙間的物料產生垂直疊加振蕩流場，根據模芯轉子的扭矩和振蕩頻率，及料筒和模芯轉子的尺寸等，計算得到疊加振蕩流場的剪切應力、剪切應變及剪切速率的值，並可以進一步計算得到各種物料函數；料筒上安裝加熱裝置，保證料流在實驗過程中恆溫。
2.如權利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特徵在於:完全發展流動區的壓力梯度的值是根據置於環形縫隙入口處的壓力傳感器測得的數據，結合環形縫隙尺寸計算得至IJ，且需要使用不同長度的轉子進行末端校正。
3.如權利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特徵在於:完全發展流動區的壓力梯度的值是根據置於環形縫隙內完全發展流動區的壓力傳感器測得的數據，結合環形縫隙尺寸計算得到，不需要進行末端校正。
4.如權利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特徵在於:模芯轉子的扭矩測試通過電機與轉子連接處安裝扭矩傳感器測得；計算疊加振蕩流場的剪切應力時，需要使用不同長度的轉子進行末端校正，且進行空載實驗進行轉子的轉動慣量校正。
5.如權利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特徵在於:扭矩傳感器僅測試模芯轉子中間無末端效應部分的扭矩；計算疊加振蕩流場的剪切應力時，不需要進行末端校正，但是要進行空載實驗進行轉子的轉動慣量校正。
6.如權利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特徵在於:可精確控制柱塞的運動速度和運動時間；料筒上安裝有加熱裝置和溫度傳感器，可以對料筒溫度進行閉環控制。
7.如權利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特徵在於:模芯轉子振蕩的波形可以被控制，可以是正弦波、鋸齒型波、矩形波或隨機波等，也可以是勻速轉動疊加上述振蕩波形，轉子的勻速轉動也被看做一種特殊的振蕩模式，即勻速轉動疊加振幅和頻率均為零的振蕩。
8.如權利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特徵在於:模芯轉子的形狀可以是但不限於圓柱形。
9.如權利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特徵在於:主流場剪切速率可調節範圍為10_2?IO5s-1,振蕩剪切分量的頻率可調範圍為IO-3Hz?IO2Hz,角位移解析度〈I μ rad，扭矩解析度〈I μ Nm，溫度範圍為室溫?400 ° C，溫度穩定性〈+/-0.1° C。
【文檔編號】G01N11/14GK103822852SQ201410076542
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月4日 優先權日:2014年3月4日
【發明者】李祥剛, 劉躍軍 申請人:湖南工業大學