CN102346124A - 一种纤维材料浸润性能测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纤维材料浸润性能测量装置，所述测量装置由红外发生器(1)、红外接收器(2)、液体上进样管(3)、液体下进样管(4)、样品托架(6)、液体收集器(7)、多通道信号采集卡(8)、电脑(9)、控温泵(10)和稳压电源(11)组成；红外发生器(1)位于液体上进样管(3)的上方，红外接收器(2)位于液体液体下进样管(4)的下方；样品托架(6)用于搁置纤维材料样品(12)，液体收集器(7)置于样品托架(6)的下方；控温泵(10)分别连接液体上进样管(3)和液体下进样管(4)，多通道信号采集卡(8)和电脑(9)分别与红外接收器(2)连接；稳压电源(11)与红外发生器(1)连接，为其提供稳定电源。本装置可以测量液体在纤维材料中的铺展性能。
Description
技术领域
本发明涉及材料测量装置，具体涉及采用红外***测量液体在纤维材料中铺展性能的装置，尤其涉及一种纤维材料浸润性能测量装置。
背景技术
液体对纤维材料的浸润性能一般可通过测量液体与纤维材料表面的接触角来表达，通过光学***拍下液滴在纤维材料表面的形状，并计算接触角的大小来表达液体对纤维材料的浸润性。对于拒水性材料以上方法是一个很好的方法，然而对于亲水性材料由于液体在纤维材料中迅速扩展，没有稳定的接触角，只有瞬间接触角。瞬间接触角测量只有依赖于高速摄影机高速捕捉才能做到，这一瞬间接触角的获得也不能有效表达液体在纤维中世纪铺展状况。液体在水中浸润过程，最传统的方法是芯吸高度法，这种方法简单易行，不过指标简单，并不能反映整个浸润过程。另外一种方法是电阻变化法来测量材料的透湿性能，这种方法原理是纤维材料在含水率变化条件下，材料导电率变化，从而测量浸润性能。但是这种方法对于导电液体在材料中铺展能够测量，对于非导电液体在纤维中浸润铺展过程却无能为力。现在市场中大部分纤维增强复合材料大多采用非导电树脂，来扩大复合材料使用范围，因此需要相应的检测装置来实现非导电液体在纤维材料中浸润铺展性能。纤维材料中液体浸润铺展的红外测量装置，则突破了液体范围的限制，使得应用领域更为广泛。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于测量液体在纤维材料中浸润铺展性能，特别是非导电液体的浸润铺展测量。
为达到上述目的，本发明利用红外光波对液体在纤维材料内浸润变化特异性，来实现铺展性能测量。
本发明提供一种纤维材料浸润性能测量装置，它由红外发生器、红外接收器、液体上进样管、液体下进样管、样品托架、液体收集器、多通道信号采集卡、电脑、控温泵和稳压电源组成。红外发生器位于液体上进样管的上方，红外接收器位于液体下进样管的下方，红外发生器与红外接收器互相对应；液体上进样管的管口位于样品托架中央部的上方，液体下进样管的管口位于样品托架中央部，并与纤维材料样品触及；样品托架用于搁置纤维材料样品，液体收集器置于样品托架的下方，收集剩余液体；；控温泵分别连接液体上进样管和液体下进样管，用于控制进样液体的温度-50℃-200℃，优选25-30℃；多通道信号采集卡和电脑分别与红外接收器连接；稳压电源与红外发生器连接，为其提供稳定电源。
所述设备部件都可市售得到。
红外发生器与红外接收器互相对应，并且成对设置，可以形成多对红外光路直线，待测纤维材料样品的位置与该光路直线垂直。液体既可由纤维材料样品上方的液体上进样管进入，也可由纤维材料样品下方的液体下进样管进入纤维材料样品，进样管与多对红外光路直线不交叠。样品托架和样品托架下方的剩余液体收集器皆由石英玻璃等红外光穿透性能较好的材料加工而成。USB2832多通道采集卡(市售)同步采集红外接收器红外光强度变化值，稳压电源为红外发生器长时间稳定工作提供条件。多对红外测量光路位于离圆心(液体进样点)不同半径的圆周上，从而完成对导电液体如：水、氯化钠、碳酸钾和非导电液体如：环氧树脂、无水乙醇、甘油等在纤维材料中的浸润过程特性测量。
由于纤维材料的各向异性，因而液体浸润和铺展也有方向性，所以红外接收器与进样管位置的排列方法也需要有一定设计，图2中演示了几种常用的红外接收器与进样管位置。图A则是辐射交错型排列方法，以增加相对距离，主要用于纤维排列稠密的材料，如高密平纹碳纤维材料。图B三叉星型排列方式，增加测量纤维材料等半径方向上的浸润平均性。用于纤维材料方向性很明显的纤维，如玻璃纤维。图C十字型排列，用于材料经向与纬向采用不同纤维材料的如棉花和羊毛，可以确定不同方向上浸润性能差异。图D一字形排列。用于同一种纤维经纬密度相同的平纹纤维材料如蚕丝，纤维各方向上铺展效果几乎相同。
根据液体扩散原理，尽管排列***，但是多对红外测量光路与试样交汇点应在距离进样点等半径的圆周上，来满足测量需求。
由于采用了以上技术方案，***解决了液体在纤维材料中浸润铺展性能的测量，特别是非导电液体在材料中的铺展过程测量。对于纤维复合材料中树脂与纤维浸润性能定量、准确研究，提供了有效、标准化的测量方法与手段。同时也为所有液体与纤维材料浸润特性定量表征提供了另一种有效的实验方法。
附图说明
以下结合附图及具体实施方式对本发明装置作进一步说明。
图1本发明一种纤维材料浸润性能测量装置的结构示意图
图2本发明红外接收器与进样管位置排列
A辐射交错型排列
B三叉星型排列
C十字型排列
D一字形排列
图3纤维材料浸润过程图
ABCDEF，分别代表纤维材料与液体不同时刻的浸润状态
A，10秒；B，20秒；C，30秒；D，40秒；E，60秒；F，80秒
图4不同纤维材料浸润曲线对比
曲线横坐标为时间，纵坐标为浸润率，上侧L1为玻璃纤维组成的较快浸润材料，下侧L2为碳纤维组成的较慢浸润材料。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明一种纤维材料浸润性能测量装置由红外发生器1、红外接收器2、液体上进样管3、液体下进样管4、样品托架6、液体收集器7、多通道信号采集卡8、电脑9、控温液体泵10和稳压电源11组成。红外发生器1位于液体上进样管3的上方，红外接收器2位于液体下进样管4的下方，红外发生器1与红外接收器2互相对应，成对出现；进样管3、4与多对红外光路直线均不交叠。液体上进样管3和液体下进样管4分别位于样品托架6的上方和下方，样品托架6用于搁置纤维材料样品12，液体收集器7置于样品托架6的下方；液体上进样管管口5位于样品托架6的中央上方，液体下进样管管口5位于样品托架6的中央，并与纤维材料样品12触及；控温泵10分别连接液体上进样管3和液体下进样管4，用于控制进样液体的温度；多通道信号采集卡8和电脑9分别与红外接收器2连接；稳压电源11与红外发生器1连接，为其提供稳定电源。
使用时，红外发生器1与红外接收器2成对出现并成一条光路直线，纤维材料样品12置于样品托架6上，与该光路直线垂直。液体既可由纤维材料样品12上方的液体上进样管3进入，控温泵10控制液体在25℃温度条件下定量地(20ml)，达到纤维材料样品12浸润喂入进样管，进样管与光路直线不交叠，避免进样管对光路造成影响。样品托架6和样品托架6下方的剩余液体收集器7皆由石英玻璃等红外光穿透性能较好的材料加工而成，减小不必要的光损耗，同时也便于实验后液体清洗。多通道采集卡8同步采集红外接收器2红外光强度变化值，稳压电源11为红外发生器长时间稳定工作提供条件。
红外接收器3的信号经过多通道信号采集卡8进入电脑9进行分析储存，分析***连续测量浸润过程中的光学信号变化，纯干燥纤维材料和纯液体的红外透光量值作为浸润性能参照系的零点和全浸润点(100％)，浸润过程则是纤维材料和液体按照不同比例空间上混合的结果。
实施例2
图2列出几种常用的红外接收器与进样管位置的排布方法(俯视图)。
A则是辐射交错型排列方法，以增加相对距离，主要用于纤维排列稠密的材料，如高密平纹碳纤维材料。
B三叉星型排列方式，增加测量纤维材料等半径方向上的浸润平均性。用于纤维材料方向性很明显的纤维，如玻璃纤维。
C十字型排列，用于材料经向与纬向采用不同纤维材料的如棉花和羊毛，可以确定不同方向上浸润性能差异。
D一字形排列。用于同一种纤维经纬密度相同的平纹纤维材料如蚕丝，纤维各方向上铺展效果几乎相同。
然而，根据液体扩散原理，尽管排列***，但是多对红外测量光路直线与纤维材料样品12交汇点应在距离进样点的等半径圆周上，来满足测量需求。
实施例3
结合图3和图4通过多对红外测量光路位于离圆心(液体进样点)的等半径圆周上，来完成对液体在纤维材料中的浸润过程特性测量。电脑根据分析***提供的数据，进行绘图计算分析，(本发明根据数据绘图是通用方法，如同excel根据数据绘图)得到浸润程度和时间的曲线，从而对比分析不同纤维材料和不同液体之间的相对浸润性能评价。
首先利用红外发射器和红外接收器组成的光路***测量纯浸润液体的光学性质，作为100％浸润的标志点，如图3和图4中A所示。然后把碳纤维材料12(玻璃纤维材料可采用相同流程)放置在样品托架6上，如图3和图4中B所示，这种状态下的该红外该点光学特性作为0％浸润的标志点(即不浸润点)。随后通过下进样管4注入环氧树脂液体(液体温度80℃)(20ml)至碳纤维材料12中，(玻璃纤维材料可采用相同流程)如图3和图4中C所示。随着时间的推移，浸润液逐渐替代碳纤维材料12间的空隙，浸润程度逐渐升高，如图3和图4中D和E所示。最后碳纤维材料12逐渐消失，浸润后浸润区，(玻璃纤维材料相同流程)如图3和图4中F所示，此时只有少量纤维间气泡排出，此时的光学特性接近于100％浸润点。图3和图4具体说明了浸润基本过程和对应光学数值转换出的浸润程度曲线。通过浸润曲线，可以准确分析出纤维材料12与液体之间的浸润性能。图4中看出，“较快浸润”(玻璃纤维样品)的纤维材料12铺展性能要好于“较慢浸润”(碳纤维样品)，这一现象在30秒至90秒之间较为明显，而90秒之后则都逐渐趋向于完全浸润，而“较快浸润”玻璃纤维也始终好于“较慢浸润”的浸润性能。
Claims (7)
1.一种纤维材料浸润性能测量装置，其特征在于，所述测量装置由红外发生器(1)、红外接收器(2)、液体上进样管(3)、液体下进样管(4)、样品托架(6)、液体收集器(7)、多通道信号采集卡(8)、电脑(9)、控温泵(10)和稳压电源(11)组成；红外发生器(1)位于液体上进样管(3)的上方，红外接收器(2)位于液体液体下进样管(4)的下方；液体上进样管(3)和液体下进样管(4)分别位于样品托架(6)的上方和下方，样品托架(6)用于搁置纤维材料样品(12)，液体收集器(7)置于样品托架(6)的下方；控温泵(10)分别连接液体上进样管(3)和液体下进样管(4)，用于控制进样液体的温度；多通道信号采集卡(8)和电脑(9)分别与红外接收器(2)连接；稳压电源(11)与红外发生器(1)连接，为其提供稳定电源。
2.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述红外发生器(1)与红外接收器(2)互相对应，并成对设置，形成多对红外光路直线，进样管(3)、(4)与所述多对红外光路直线均不交叠，待测纤维材料样品(12)的位置与所述多对光路直线垂直。
3.根据权利要求2的测量装置，其特征在于，所述由红外发生器(1)、红外接收器(2)形成的多对红外测量光路直线与纤维材料样品(12)交汇点应在距离进样点的等半径的圆周上。
4.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述液体上进样管管口(5)位于样品托架(6)的中央上方，液体下进样管管口(5)位于样品托架(6)的中央，并与纤维材料样品(12)触及。
5.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述样品托架(6)和液体收集器(7)由石英玻璃加工而成。
6.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述装置测量时的进样液体温度为-50℃-150℃；优选25-30℃。
7.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述装置测量时的进样液体量为0.5ml-100ml；优选12ml。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Free format text: FORMER OWNER: YANG HAIHUA Effective date: 20130115 Owner name: SUZHOU UNIVERSITY Free format text: FORMER OWNER: LIU YUQING Effective date: 20130115 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 200033 JIADING, SHANGHAI CITY TO: 215006 SUZHOU, JIANGSU PROVINCE |
|
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20130115 Address after: 215006 Suzhou, Jiangsu, No. ten Zi street, No. 1 Applicant after: Soochow University Address before: 200033 room 2, Lane 99, Lane 1603, Feng Zhuang Road, Shanghai Applicant before: Liu Yuqing Applicant before: Yang Haihua |
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| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20120208 |