CN109187221A - 一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置及方法 - Google Patents

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李子建
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Abstract

本发明涉及一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置，包括腔体、温控模块、形变模块、测量模块；温控模块包括对腔体进行加热的加热模块和对腔体进行冷却的冷却模块；形变模块包括装夹样品的夹具以及驱动样品形变的驱动装置，其中夹具位于腔体内；测量模块包括拉力传感器、温度传感器、影像测量仪、数据处理软件。还涉及一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试方法。本发明结构简单，操作方便，体积小，为高分子材料形状记忆效果测试提供了一种专用的设备，属于高分子材料测试领域。

Description

一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置及方法
技术领域
本发明涉及高分子材料测试领域，具体涉及一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置及方法。
背景技术
常见的形状记忆材料有形状记忆合金、形状记忆陶瓷以及形状记忆聚合物。其中，形状记忆聚合物是指具有初始形状的制品，在一定的条件下改变其初始形状并固定后，通过外界条件(如热、光、电、化学感应等)的刺激，又可恢复其初始形状的高分子材料。与形状记忆合金和陶瓷相比，形状记忆聚合物由于其刺激方式多样化、质轻价廉、更优异的弹性形变、力学性能可在较宽范围内调节、潜在的生物相容性及生物可降解性、柔韧性好、变形温度范围可调整、原材料充足、易加工成型、耐腐蚀、电绝缘性和保温效果好等优势，成为被大力发展的一种新型形状记忆材料。
作为一种相对较新的形状记忆材料，形状记忆聚合物及其复合材料更是由于其诸多突出优点和多功能性，有望成为未来智能材料的主角之一。而随着形状记忆聚合物的高速发展，其形状记忆效果的测试变得尤为重要。但是并没有现行的设备及装置对形状记忆进行特定的、准确的计量。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置及方法，对高分子材料形状记忆效果进行精确可靠测量。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置，包括腔体、温控模块、形变模块、测量模块；温控模块包括对腔体进行加热的加热模块和对腔体进行冷却的冷却模块；形变模块包括装夹样品的夹具以及驱动样品形变的驱动装置，其中夹具位于腔体内；测量模块包括拉力传感器、温度传感器、影像测量仪、数据处理软件。
作为一种优选，腔体包括一可启闭的耐高温石英玻璃窗；影像测量仪透过耐高温石英玻璃窗采集样品信息。
作为一种优选，加热模块包括电加热器、红外加热器或辐照加热器；冷却模块为制冷流体注入器，与腔体相接往腔体内注入制冷流体。
作为一种优选，影像测量仪为实时监测样品形状变化的CCD相机。
作为一种优选，形变模块中，夹具为拉伸、压缩或弯曲夹具；驱动装置为气动驱动装置或电动驱动装置，驱动夹具运动。
一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试方法，采用一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置，包括如下步骤：A.样品通过夹具固定在腔体内，将腔体密封，打开影像测量仪开始采集；B.通过加热模块对样品进行快速加热，使腔内温度达到测试温度后保持恒温；C.通过驱动装置带动夹具运动使得样品发生形变，保持形变稳定；D.通过冷却模块对样品进行降温，降低至设定温度后保持恒温，确保试样形变量稳定后松开夹具；E.快速升温至步骤B的温度，使得样品在无外力作用下自发形状记忆的形变回复，直至样品形变回复稳定；F.通过数据处理软件把影像测量仪所采集的样品变形图像转换为数据信息，得到所需结果。
作为一种优选，步骤B中，样品的温度达到120℃--350℃，保持恒温3min--15min。
作为一种优选，步骤C中，形变方式包括拉伸、压缩或弯曲，保持形变3min--15min。
作为一种优选，步骤D中，设定温度为5℃-40℃，保持恒温5min--30min。
作为一种优选，步骤F中，通过数据处理软件对影像测量仪采集的图像进行传输、处理和转换并拟合成样品形变随测试时间变化曲线，从而得到所需结果。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.结构简单，操作方便，体积小，为高分子材料形状记忆效果测试提供了专用的设备。
2.经济可行，易于操作。
附图说明
图1是一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试方法的流程图。
图2是实施例一的一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置的立体图。
图3是图2的腔体部分放大图。
其中，1是影像测量仪，2是拉力传感器，3是丝杆轴承座，4是丝杆螺母，5是丝杆，6是直线导轨，7是联轴器，8是电机，9是制冷通道，10是直线电机，11是可开合夹具，12是样品，13是温度传感器，14是上夹具，15是拉杆，16是加热元件。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置，包括腔体、温控模块、形变模块、测量模块。
腔体包括一可启闭的耐高温石英玻璃窗；影像测量仪透过耐高温石英玻璃窗获取样品影像。腔体上设有制冷通道，用以与冷却模块相接。
温控模块包括对腔体进行加热的加热模块和对腔体进行冷却的冷却模块。加热模块为红外加热器。冷却模块为制冷空气注入器，冷却模块与腔体上通道相接往腔体内注入冷空气。
形变模块包括装夹样品的夹具以及驱动样品形变的驱动装置，其中夹具位于腔体内。形变模块中，夹具为拉伸夹具；驱动装置驱动上夹具运动，驱动装置为电动驱动装置。具体包括丝杆轴承座、丝杆螺母、丝杆、直线导轨、联轴器、电机、直线电机、可开合夹具、上夹具、拉杆。电机通过联轴器带动丝杆转动，丝杆带动丝杆螺母平动，丝杆螺母通过拉杆带动上夹具上下运动。直线电机带动可开合夹具开合。样品装夹在上夹具和可开合夹具之间进行拉伸。
测量模块包括拉力传感器、温度传感器、影像测量仪、数据处理软件。影像测量仪为实时监测样品形状变化的CCD相机。
本实施例中，样品采用弹性聚氨酯(TPU)片材，其尺寸为150mm×10mm×4mm。
具体的步骤如下：
首先通过可开合夹具11和上夹具14固定样品，然后通过加热元件16进行加热，使温度达到180℃。再待腔体内温度稳定至180℃并维持5min后，通过驱动电机8使上夹具14向上运动从而对样品12进行拉伸。待样品拉伸至250mm长度后停止驱动电机8的运转，并保持样品12的长度不变。然后开始通过通道9通入冷空气来使腔体中的温度下降，下降至30℃稳定并持续10min后，通过驱动直线电机10来松开下端可开合夹具11。松开可开合夹具11间隔3min后，开始对腔体内部进行升温，使其达到180℃，在温度升温至180℃之后，样品开始发生形变回复(即形状记忆效果)。待样品的形状不再发生变化时，整个测量过程结束。在整个测量过程中，温度传感器13、拉力传感器2和影像测量仪1记录数据和图像，并通过数据处理软件对影像测量仪采集的图像进行传输、处理和转换，最终拟合成样品形变随测试时间变化曲线，从而得到样条形变回复结果。
实施例二
本实施例中，样品采用的是聚碳酸亚丙酯(PPC)片材，其尺寸为150mm×10mm×4mm。。
具体的步骤如下：
首先通过可开合夹具11和上夹具14固定待测样品12，然后通过加热元件16进行加热，使温度达到80℃。再待腔体内温度稳定至80℃并维持5min后，通过驱动电机8使上夹具14向下运动从而对样品12进行弯曲。待样品弯曲成L型后停止驱动电机8的运转，并保持样品12的形状不变。然后开始通过通道9通入冷空气来使腔体中的温度下降，下降至30℃稳定并持续10min后，通过驱动直线电机10来松开上夹具14。松开上夹具14间隔3min后，开始对腔体内部进行升温，使其达到80℃，在温度升温至80℃之后，样品会开始发生形变回复(即形状记忆效果)。待样品的形状不再发生变化时，整个测量过程结束。在整个测量过程中，温度传感器13、拉力传感器2和影像测量仪1记录数据和图像，并通过数据处理软件对影像测量仪采集的图像进行传输、处理和转换，最终拟合成样品形变随测试时间变化曲线，从而得到样条形变回复结果。
本实施例未提及部分同实施例一。
除了上述实施例提及的方式外，冷却模块还可以采用制冷流体注入器，向腔体内注入液氮等制冷流体介质。这些变换方式均在本发明的保护范围内。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置，其特征在于：包括腔体、温控模块、形变模块、测量模块；温控模块包括对腔体进行加热的加热模块和对腔体进行冷却的冷却模块；形变模块包括装夹样品的夹具以及驱动样品形变的驱动装置，其中夹具位于腔体内；测量模块包括拉力传感器、温度传感器、影像测量仪、数据处理软件。
2.按照权利要求1所述的一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置，其特征在于：腔体包括一可启闭的耐高温石英玻璃窗；影像测量仪透过耐高温石英玻璃窗采集样品信息。
3.按照权利要求1所述的一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置，其特征在于：加热模块包括电加热器、红外加热器或辐照加热器；冷却模块为制冷流体注入器，与腔体相接往腔体内注入制冷流体。
4.按照权利要求1所述的一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置，其特征在于：影像测量仪为实时监测样品形状变化的CCD相机。
5.按照权利要求1所述的一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置，其特征在于：形变模块中，夹具为拉伸、压缩或弯曲夹具；驱动装置为气动驱动装置或电动驱动装置，驱动夹具运动。
6.一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试方法，采用权利要求1至5中任一项所述的一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置，其特征在于：包括如下步骤：
A.样品通过夹具固定在腔体内，将腔体密封，打开影像测量仪开始采集；
B.通过加热模块对样品进行快速加热，使腔内温度达到测试温度后保持恒温；
C.通过驱动装置带动夹具运动使得样品发生形变，保持形变稳定；
D.通过冷却模块对样品进行降温，降低至设定温度后保持恒温，确保试样形变量稳定后松开夹具；
E.快速升温至步骤B的温度，使得样品在无外力作用下自发形状记忆的形变回复，直至样品形变回复稳定；
F.通过数据处理软件把影像测量仪所采集的样品变形图像转换为数据信息，得到所需结果。
7.按照权利要求6所述的一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试方法，其特征在于：步骤B中，样品的温度达到120℃--350℃，保持恒温3min--15min。
8.按照权利要求6所述的一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试方法，其特征在于：步骤C中，形变方式包括拉伸、压缩或弯曲，保持形变3min--15min。
9.按照权利要求6所述的一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试方法，其特征在于：步骤D中，设定温度为5℃-40℃，保持恒温5min--30min。
10.按照权利要求6所述的一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试方法，其特征在于：步骤F中，通过数据处理软件对影像测量仪采集的图像进行传输、处理和转换并拟合成样品形变随测试时间变化曲线，从而得到所需结果。
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