一種高剪切速率流動(dòng)垂直疊加振蕩流變測試方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高剪切速率流動(dòng)垂直疊加振蕩流變測試方法及裝置。其特征在于料筒內(nèi)的物料在柱塞的擠壓下，通過環(huán)縫型口模，形成高剪切速率的主流場，根據(jù)柱塞速度、完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的壓力梯度、口模形狀、柱塞界面尺寸等，計(jì)算得到主流場剪切應(yīng)力與剪切速率的值；通過模芯轉(zhuǎn)子的振蕩運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)口?？p隙間的物料產(chǎn)生垂直疊加振蕩流場，根據(jù)模芯轉(zhuǎn)子的扭矩和振蕩頻率，及料筒和模芯轉(zhuǎn)子的尺寸等，計(jì)算得到疊加振蕩流場的剪切應(yīng)力、剪切應(yīng)變及剪切速率的值，進(jìn)一步得到各種物料函數(shù)；料筒上安裝加熱裝置，保證料流在實(shí)驗(yàn)過程中恒溫。該方法與裝置可用于表征高剪切速率下物料的粘彈性及微觀結(jié)構(gòu)，檢驗(yàn)高剪切速率下物料的本構(gòu)方程，指導(dǎo)成型加工。
【專利說明】一種高剪切速率流動(dòng)垂直疊加振蕩流變測試方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高剪切速率流動(dòng)垂直疊加振蕩流變測試方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，目前商業(yè)化的流變儀無法研究高剪切速率下物料的動(dòng)態(tài)流變行為。高剪切速率流變行為的研究只能借助毛細(xì)管流變儀，無法研究動(dòng)態(tài)流變行為。動(dòng)態(tài)流變測試所用儀器主要為旋轉(zhuǎn)流變儀，限于低剪切速率，與實(shí)際的成型加工過程相差較大，不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。
[0003]申請?zhí)枮镃N200510033364的中國專利介紹了 一種聚合物毛細(xì)管正弦脈動(dòng)擠出流變儀，它能夠測量正弦脈動(dòng)作用下聚合物在毛細(xì)管中的流變行為。申請?zhí)枮镃N200820210912的中國專利介紹了一種聚合物復(fù)合材料流變特性測試方法及其裝置，它能夠真實(shí)測量聚合物復(fù)合材料在物理場強(qiáng)化作用下的擠出成型過程、毛細(xì)管擠出過程、注射成型過程的流變行為，還能測量當(dāng)加工條件和參數(shù)按特定程序變化時(shí)聚合物復(fù)合材料的流變行為。申請?zhí)枮镃N 201110391282的中國專利介紹了一種直線振動(dòng)式環(huán)形縫隙擠壓流變儀，中心棒與料筒之間的環(huán)形縫隙構(gòu)成測試腔，料筒內(nèi)可流動(dòng)的待測樣品在擠壓柱塞桿的擠壓作用下經(jīng)測試腔流出，中心棒沿中心線作直線振動(dòng)。上述發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高剪切速率下動(dòng)態(tài)流變行為的測試，但是，上述發(fā)明均為高剪切速率流動(dòng)平行疊加振蕩的流變測試方法，測試過程中，物料密度隨時(shí)間發(fā)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(zhuǎn)流變儀中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的流場為主流場，在垂直于主流場的方向，疊加振蕩。由于離心力、爬竿效應(yīng)等原因，這種結(jié)構(gòu)的流變儀主流場能達(dá)到的剪切速率一般小于10s—1，遠(yuǎn)小于很多成型加工過程中的剪切速率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種高剪切速率流動(dòng)垂直疊加振蕩流變測試方法及裝置?？梢钥刂浦髁鲌龊童B加振蕩流場的剪切速率(或剪切應(yīng)變)的值，測試得到主流場和疊加振蕩流場的剪切應(yīng)力的值，并可以進(jìn)一步計(jì)算得到各種物料函數(shù)。流變儀主流場能達(dá)到的最大剪切速率為IO5s-1,可測量剪切速率范圍涵蓋絕大部分成型加工過程。得到的各種物料函數(shù)，可以用于表征高剪切速率下物料的粘彈性及微觀結(jié)構(gòu)，也可以用于檢驗(yàn)高剪切速率下物料的本構(gòu)方程，指導(dǎo)成型加工設(shè)備及工藝的改進(jìn)。本測試方法及裝置實(shí)現(xiàn)了高剪切速率下的非穩(wěn)態(tài)流變測試，克服了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)流變儀只能在低剪切速率下進(jìn)行流變測試，毛細(xì)管流變儀僅可以用于穩(wěn)態(tài)流變測試的缺陷。
[0006]本發(fā)明提供的裝置，主要包括:柱塞；驅(qū)動(dòng)柱塞運(yùn)動(dòng)的電機(jī)及其控制系統(tǒng)；料筒及其溫度控制系統(tǒng)；模芯轉(zhuǎn)子；驅(qū)動(dòng)模芯轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的電機(jī)及其控制系統(tǒng)；環(huán)縫完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)軸向壓力梯度測試系統(tǒng)；模芯轉(zhuǎn)子周向扭矩測試系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)。
[0007]料筒上安裝加熱裝置并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，保證料流在實(shí)驗(yàn)過程中恒溫。料筒達(dá)到設(shè)定的溫度后，將測試物料加入料筒，并等待物料溫度穩(wěn)定于設(shè)定溫度。驅(qū)動(dòng)柱塞的電機(jī)的控制系統(tǒng)控制電機(jī)按設(shè)定速度運(yùn)動(dòng)，電機(jī)推動(dòng)柱塞擠壓料筒內(nèi)的料流，通過環(huán)縫型口模，形成高剪切速率的主流場。環(huán)縫完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)軸向壓力梯度測試系統(tǒng)測試完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)軸向壓力梯度。根據(jù)柱塞速度、完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的壓力梯度、口模形狀、柱塞界面尺寸等，計(jì)算得到主流場剪切應(yīng)力與剪切速率的值。驅(qū)動(dòng)模芯轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的電機(jī)的其控制系統(tǒng)控制電機(jī)按設(shè)定波形振蕩，電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)縫型口模模芯轉(zhuǎn)子振蕩運(yùn)動(dòng)，模芯轉(zhuǎn)子帶動(dòng)口?？p隙間的物料產(chǎn)生垂直疊加振蕩流場。模芯轉(zhuǎn)子周向扭矩測試系統(tǒng)測試環(huán)縫模芯轉(zhuǎn)子的周向扭矩。根據(jù)模芯轉(zhuǎn)子的扭矩和振蕩頻率，及料筒和模芯轉(zhuǎn)子的尺寸等，計(jì)算得到疊加振蕩流場的剪切應(yīng)力、剪切應(yīng)變及剪切速率的值，并可以進(jìn)一步計(jì)算得到各種物料函數(shù)。
[0008]完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的壓力梯度的值可根據(jù)置于環(huán)形縫隙入口處的壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)，結(jié)合環(huán)形縫隙尺寸計(jì)算得到的。這種情況下，需要使用不同長度的轉(zhuǎn)子進(jìn)行末端校正。
[0009]完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的壓力梯度的值也可根據(jù)置于環(huán)形縫隙內(nèi)完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)，結(jié)合環(huán)形縫隙尺寸計(jì)算得到。這種情況下，不需要進(jìn)行末端校正。
[0010]模芯轉(zhuǎn)子的扭矩測試系統(tǒng)的扭矩傳感器可以安裝在電機(jī)與轉(zhuǎn)子連接處。這種情況下，計(jì)算疊加振蕩流場的剪切應(yīng)力時(shí)，需要使用不同長度的轉(zhuǎn)子進(jìn)行末端校正，且進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量校正。
[0011]也可以將轉(zhuǎn)子分成有末端效應(yīng)的部分和無末端效應(yīng)的部分，模芯轉(zhuǎn)子的扭矩測試系統(tǒng)的扭矩傳感器置于這兩部分之間，這樣扭矩傳感器僅測試模芯轉(zhuǎn)子中間無末端效應(yīng)部分的扭矩。這種情況下，計(jì)算疊加振蕩流場的剪切應(yīng)力時(shí)，不需要進(jìn)行末端校正，但是要進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量校正。
[0012]模芯轉(zhuǎn)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(jī)波等，也可以是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)疊加上述振蕩波形，轉(zhuǎn)子的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)也被看做一種特殊的振蕩模式，即勻速轉(zhuǎn)動(dòng)疊加振幅和頻率均為零的振蕩。模芯轉(zhuǎn)子的形狀可以是但不限于圓柱形。
[0013]本發(fā)明所涉及的裝置，可以達(dá)到但不限于以下測試范圍與精度:主流場剪切速率可調(diào)節(jié)范圍為10_2?IO5S'振蕩剪切分量的頻率可調(diào)范圍為10_3Ηζ?102Ηζ，角位移分辨率〈I μ rad,扭矩分辨率〈I μ Nm，溫度范圍均為室溫?400 ° C，溫度穩(wěn)定性〈+/-0.1 ° C。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的測試裝置示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明實(shí)施例所述壓力傳感器置于環(huán)縫型口模入口處的示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明實(shí)施例所述壓力傳感器置于完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明實(shí)施例所述扭矩傳感器安裝在電機(jī)與轉(zhuǎn)子連接處的示意圖。
[0018]圖5為扭矩傳感器安裝在模芯轉(zhuǎn)子兩部分之間的示意圖。
[0019]附圖標(biāo)記說明:1、柱塞；2、料筒；3、環(huán)縫型口模；4、物料；5、完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)；6、模芯轉(zhuǎn)子；7、溫度傳感器；8、置于環(huán)縫型口模入口處的壓力傳感器；9、置于完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的壓力傳感器；10、安裝在電機(jī)與轉(zhuǎn)子連接處的扭矩傳感器；11、安裝在模芯轉(zhuǎn)子兩部分之間的扭矩傳感器?！揪唧w實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。但本發(fā)明的保護(hù)范圍不能認(rèn)為只局限于下述【具體實(shí)施方式】。對所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)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(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0021]發(fā)明的測試裝置的核心結(jié)構(gòu)由柱塞1、料筒2和模芯轉(zhuǎn)子6組成，料筒內(nèi)裝有物料
4。料筒2和模芯轉(zhuǎn)子6共同圍成的空間為環(huán)縫型口模3。料筒2上安裝加熱裝置，根據(jù)溫度傳感器7測得的溫度值進(jìn)行閉環(huán)控制，保證料流在實(shí)驗(yàn)過程中恒溫。料筒2達(dá)到設(shè)定的溫度后，將測試物料4加入料筒，并等待物料4溫度穩(wěn)定于設(shè)定溫度。驅(qū)動(dòng)柱塞的電機(jī)的控制系統(tǒng)控制電機(jī)按設(shè)定速度運(yùn)動(dòng)，電機(jī)推動(dòng)柱塞擠壓料筒內(nèi)的料流，通過環(huán)縫型口模3，形成高剪切速率的主流場。環(huán)縫型口模3可以分成三部分，入口區(qū)與出口區(qū)料流不穩(wěn)定，有末端效應(yīng)，中間部分是完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)5。環(huán)縫完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)軸向壓力梯度測試系統(tǒng)測試完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)軸向壓力梯度。根據(jù)柱塞速度、完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的壓力梯度、口模形狀、柱塞界面尺寸等，計(jì)算得到主流場剪切應(yīng)力與剪切速率的值。驅(qū)動(dòng)模芯轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的電機(jī)11的控制系統(tǒng)控制電機(jī)按設(shè)定波形振蕩，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模芯轉(zhuǎn)子6振蕩運(yùn)動(dòng)，模芯轉(zhuǎn)子6帶動(dòng)口?？p隙間的物料產(chǎn)生垂直疊加振蕩流場。模芯轉(zhuǎn)子周向扭矩測試系統(tǒng)測試環(huán)縫模芯轉(zhuǎn)子的周向扭矩。根據(jù)模芯轉(zhuǎn)子6的扭矩和振蕩頻率，及料筒2和模芯轉(zhuǎn)子6的尺寸等，計(jì)算得到疊加振蕩流場的剪切應(yīng)力、剪切應(yīng)變及剪切速率的值，并可以進(jìn)一步計(jì)算得到各種物料函數(shù)。
[0022]環(huán)縫完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)軸向壓力梯度可以根據(jù)置于環(huán)縫型口模入口處的壓力傳感器8測試得到的壓力值，結(jié)合環(huán)形縫隙尺寸計(jì)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(zhuǎn)子進(jìn)行末端校正。
[0023]環(huán)縫完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)軸向壓力梯度也可以根據(jù)置于完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的壓力傳感器9測試得到的壓力值，結(jié)合環(huán)形縫隙尺寸計(jì)算得到。這種情況下至少需要兩根壓力傳感器，不需要進(jìn)行末端校正。
[0024]模芯轉(zhuǎn)子6的扭矩測試系統(tǒng)可以采用安裝在電機(jī)與轉(zhuǎn)子連接處的扭矩傳感器10。這種情況下，計(jì)算疊加振蕩流場的剪切應(yīng)力時(shí)，需要使用不同長度的轉(zhuǎn)子進(jìn)行末端校正，且進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量校正。
[0025]模芯轉(zhuǎn)子6的扭矩測試系統(tǒng)也可以采用安裝在模芯轉(zhuǎn)子兩部分之間的扭矩傳感器12。將轉(zhuǎn)子分成有末端效應(yīng)的部分和無末端效應(yīng)的部分，模芯轉(zhuǎn)子6的扭矩測試系統(tǒng)的扭矩傳感器置于這兩部分之間，這樣扭矩傳感器僅測試模芯轉(zhuǎn)子6中間無末端效應(yīng)部分的扭矩。這種情況下，計(jì)算疊加振蕩流場的剪切應(yīng)力時(shí)，不需要進(jìn)行末端校正，但是要進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量校正。
[0026]模芯轉(zhuǎn)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(jī)波等，也可以是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)疊加上述振蕩波形，轉(zhuǎn)子的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)也被看做一種特殊的振蕩模式，即勻速轉(zhuǎn)動(dòng)疊加振幅和頻率均為零的振蕩。模芯轉(zhuǎn)子的形狀可以是但不限于圓柱形。
[0027]本發(fā)明所涉及的裝置，可以達(dá)到但不限于以下測試范圍與精度:主流場剪切速率可調(diào)節(jié)范圍為10_2?IO5S'振蕩剪切分量的頻率可調(diào)范圍為10_3Ηζ?102Ηζ，角位移分辨率〈I μ rad,扭矩分辨率〈I μ Nm，溫度范圍均為室溫?400 ° C，溫度穩(wěn)定性〈+/-0.1 ° C。
【權(quán)利要求】
1.一種高剪切速率流動(dòng)垂直疊加振蕩流變測試方法及裝置，其特征在于:料筒內(nèi)的物料在柱塞的擠壓下，通過環(huán)縫型口模，形成高剪切速率的主流場，根據(jù)柱塞速度、完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的壓力梯度、口模形狀、柱塞界面尺寸等，計(jì)算得到主流場剪切應(yīng)力與剪切速率的值；通過環(huán)縫型口模模芯轉(zhuǎn)子的振蕩運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)口?？p隙間的物料產(chǎn)生垂直疊加振蕩流場，根據(jù)模芯轉(zhuǎn)子的扭矩和振蕩頻率，及料筒和模芯轉(zhuǎn)子的尺寸等，計(jì)算得到疊加振蕩流場的剪切應(yīng)力、剪切應(yīng)變及剪切速率的值，并可以進(jìn)一步計(jì)算得到各種物料函數(shù)；料筒上安裝加熱裝置，保證料流在實(shí)驗(yàn)過程中恒溫。
2.如權(quán)利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特征在于:完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的壓力梯度的值是根據(jù)置于環(huán)形縫隙入口處的壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)，結(jié)合環(huán)形縫隙尺寸計(jì)算得至IJ，且需要使用不同長度的轉(zhuǎn)子進(jìn)行末端校正。
3.如權(quán)利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特征在于:完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的壓力梯度的值是根據(jù)置于環(huán)形縫隙內(nèi)完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)，結(jié)合環(huán)形縫隙尺寸計(jì)算得到，不需要進(jìn)行末端校正。
4.如權(quán)利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特征在于:模芯轉(zhuǎn)子的扭矩測試通過電機(jī)與轉(zhuǎn)子連接處安裝扭矩傳感器測得；計(jì)算疊加振蕩流場的剪切應(yīng)力時(shí)，需要使用不同長度的轉(zhuǎn)子進(jìn)行末端校正，且進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量校正。
5.如權(quán)利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特征在于:扭矩傳感器僅測試模芯轉(zhuǎn)子中間無末端效應(yīng)部分的扭矩；計(jì)算疊加振蕩流場的剪切應(yīng)力時(shí)，不需要進(jìn)行末端校正，但是要進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量校正。
6.如權(quán)利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特征在于:可精確控制柱塞的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jìn)行閉環(huán)控制。
7.如權(quán)利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特征在于:模芯轉(zhuǎn)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(jī)波等，也可以是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)疊加上述振蕩波形，轉(zhuǎn)子的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)也被看做一種特殊的振蕩模式，即勻速轉(zhuǎn)動(dòng)疊加振幅和頻率均為零的振蕩。
8.如權(quán)利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特征在于:模芯轉(zhuǎn)子的形狀可以是但不限于圓柱形。
9.如權(quán)利要求1所述的流變測試方法及裝置，其特征在于:主流場剪切速率可調(diào)節(jié)范圍為10_2?IO5s-1,振蕩剪切分量的頻率可調(diào)范圍為IO-3Hz?IO2Hz,角位移分辨率〈I μ rad，扭矩分辨率〈I μ Nm，溫度范圍為室溫?400 ° C，溫度穩(wěn)定性〈+/-0.1° C。
【文檔編號(hào)】G01N11/14GK103822852SQ201410076542
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】李祥剛, 劉躍軍 申請人:湖南工業(yè)大學(xué)