CN109752244A - 纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪及其使用方法，其特征是，检测仪箱体一侧向内凹陷形成工作台，引伸计的上、下测量臂置于工作台上方，电动机的输出轴与丝杠连接，丝杠垂直布置于工作台上方，丝杠端部与上测量臂接触；上测量臂上安装有拉伸机构或压头，下测量臂上安装有托盘；拉伸机构包括安装块、两根连杆、两个滑块，安装块与上测量臂相连，两根连杆呈八字形，一端分别与安装块铰接，另一端分别与两个滑块铰接，两个滑块置于工作台上，且两个滑块的相对侧分别设有夹紧装置。本发明能够较为准确、真实的反应纳米凝胶类材料的伸长量、硬度，并将纳米凝胶类材料的伸长量、硬度进行量化表示，其为3D打印支架材料的打印提供准确的数据支持。

Description

纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪及其使用方法

技术领域

本发明涉及生命科学、材料学、医学及工程学检测技术，特别涉及一种针对纳复合凝胶类材料硬度拉伸自动测试仪及其使用方法。

背景技术

皮肤是人体最大的器官，大面积暴露于外部环境的皮肤组织时刻可能受到损伤，随着医疗技术的发展提出构建体外和体内组织和器官，为皮肤损伤的修复带来了新的曙光，组织工程皮肤是以三维多孔支架替代真皮植入创面，细胞会粘附于支架上，并在体内生长因子的作用下不断增殖、分化，皮肤组织生长的过程中还伴随着真皮组织的血管化及毛囊的形成，而支架会随着细胞生长而缓慢降解，最终形成了与原来损伤相同形态的新组织取代病损的皮肤，3D打印支架的技术被认为是连接人工组织与天然组织的桥梁，它提供了前所未有的灵活性和控制生物材料在空间分布的能力。因此，近年来在国内外受到了广泛的研究，特别是在水凝胶生物支架的方面进行了不断探索。针对以人体皮肤修复生物材料和支架构造为研究对象，拟从草物质中提取纳米纤维素经氧化改性后与胶原复合，制成皮肤支架所需的纳米凝胶复合材料。

在本发明之前，生物材料拉伸试验机应用于生物材料如生物软组织，如肌腱、韧带、肌膜、皮肤、肠膜、胶原蛋白和水凝胶等生物材料等等材料。生物材料拉伸试验件本身并非针对纳米复合凝胶类材料特性检测，用其做该材料的拉伸检测存在一定适应性问题，难以保证测量结果的准确性。在现有的测量分析实验中，由于生物软组织，如肌腱、韧带、肌膜、皮肤、肠膜和水凝胶等生物材料的脆弱特性，夹持式的拉伸机无法满足生物材料的测试，会导致材料的破坏，并且在对测量结果进行分析时所采用的参数（力——时间曲线），难以真实的反应纳米凝胶复合材料在受力的过程中受力与变形这两个参数的变化关系。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述缺陷，设计、开发出一种新型的纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪及其使用方法。

本发明的技术方案是：

纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪，其特征是，包括检测仪箱体、引伸计、电动机、丝杠，所述检测仪箱体一侧向内凹陷形成工作台，所述引伸计安装于检测仪箱体内部，该引伸计设有上测量臂、下测量臂，上、下测量臂伸出箱体外并置于工作台上方，所述上测量臂平行置于下测量臂上方且位置对应；所述电动机安装于检测仪箱体顶部，电动机的输出轴与丝杠连接，所述丝杠垂直布置于工作台上方，所述丝杠端部与上测量臂接触；所述上测量臂上安装有拉伸机构或压头，所述下测量臂上安装有托盘；所述拉伸机构包括安装块、两根连杆、两个滑块，所述安装块与上测量臂相连，两根连杆呈八字形，一端分别与安装块铰接，另一端分别与两个滑块铰接，两个滑块置于工作台上，且两个滑块的相对侧分别设有夹紧装置。

优选地，所述工作台为抛光镜面加工后的铝材表面。

优选地，所述上测量臂上套接有上移动块，所述下测量臂上套接有下固定块，上移动块与下固定块位置对应，所述拉伸结构的安装块或压头安装于上移动块底部，所述托盘安装于下固定块顶部。

优选地，所述检测仪箱体上设有用于遮挡工作台的防尘罩。

优选地，所述丝杠端部安装有压板，所述压板与上移动块顶部接触。

优选地，还设有PC机，所述检测仪箱体内设有引伸计数据采集装置，所述数据采集装置通过数据线与PC机相连。

优选地，所述检测仪箱体内还设有执行驱动卡、电机控制器,所述PC机与执行驱动卡相连，执行驱动卡和电机控制器相连，电机控制器控制电动机工作。

上述纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪的使用方法，其特征是，通过PC机发出信号传给执行驱动卡，执行驱动卡将信号发给电机控制器，带动电动机进行测量，测量完成后数据采集装置把数据信号传给PC机进行数据分析，具体包括以下步骤：

1）拉伸检测：

a.首先，将调制好的纳米复合凝胶类材料静置、冷却后，通过3D打印机打印出来，放置在硬纸做的载物台上，将拉伸机构与上移动块相连；

根据纳米复合凝胶类材料的大小调整拉伸机构中两滑块之间的距离，使拉伸机构上的两个夹紧装置刚好接触待测纳米复合凝胶类材料的两端，使两张硬纸上下夹紧纳米复合凝胶类材料，利用两夹紧装置分别夹住硬纸的两端（上下两张硬纸的两端分别夹住纳米复合凝胶类材料的两端）；装夹完毕后，用剪刀沿着硬纸载物台中线处的条形孔将两张硬纸剪断，打开PC机中的纳米复合凝胶类分析软件，准备测量；

b.软件开始运行，随即按下检测仪开关按钮；执行驱动卡得到信号后带动电动机转动，电动机通过轴带动丝杠转动，丝杠在转动的过程中下压上测量臂上的上移动块，上测量臂受到挤压带动拉伸机构，夹紧装置夹紧纳米复合凝胶类材料，拉伸机构通过上移动块下压带动拉伸机构，从而带动拉伸机构的两滑块在工作台表面向两侧拉伸；

c.当拉伸机构拉到纳米复合凝胶类材料断裂时，压板在电动机驱动的作用下开始回退，同样上测量臂上的上移动块带动两滑块回退；纳米复合凝胶类材料在被拉断裂后粘附载物台硬纸板上，拉伸机构回退的过程中，带动载物台一起回退，回到原始位置；待丝杠转回到初始位置时，一次检测即完成，之后数据采集装置把数据信号传给PC机进行数据分析，PC机实时显示所测结果；

2）硬度检测

a.将压头与上移动块相连，如需测量硬度，将拉伸装置拆卸下，换成压头，重复上述实验即可，即将纳米复合凝胶类材料直接放在托盘上，利用电动机驱动丝杠下压上测量臂，使压头下压纳米复合凝胶类材料（从接触物体到下压2mm算一次测试），然后数据采集装置把数据信号传给PC机进行数据分析，PC机实时显示所测结果。

优选地，同一纳米复合凝胶材料重复上述十次检测，求得纳米复合凝胶的平均值即可表示为该纳米复合凝胶材料的硬度拉伸性能。

本发明的优点和效果在于专门针对纳米复合凝胶类材料的检测，能够较为准确、真实的反应纳米凝胶类材料的伸长量、硬度，并将纳米凝胶类材料的伸长量、硬度进行量化表示，其为3D打印支架材料的打印提供准确的数据支持。

附图说明

图1——本发明检测仪***立体示意图；

图2——本发明中检测仪示意图；

图3——本发明中检测仪外观结构示意图；

图4——本发明中检测仪外观结构示意图；

图5——本发明中电动机、丝杠、引伸计、拉伸机构之间连接示意图；

图6——本发明中拉伸机构的结构示意图；

图7——本发明中引伸计、拉伸机构之间连接示意图；

图8——本发明中引伸计、拉伸机构或压头之间连接示意图；

图9——本发明中检测仪箱体的示意图；

图10——本发明中检测仪箱体内部结构示意图；

图11——本发明中在拉伸检测时硬纸载物台与纳米复合凝胶类材料的示意图；

图中：1检测仪箱体、2引伸计、3电动机、4丝杠、5工作台、6上测量臂、7下测量臂、8拉伸机构、9压头、10托盘、11安装块、12连杆、13滑块、14夹紧装置、15上移动块、16下固定块、17防尘罩、18压板、19 PC机、20引伸计数据采集装置、21数据线、22执行驱动卡、23电机控制器、24硬纸载物台、25电源指示灯、26操作指示灯、27开关按钮、28底座、29电源插口、30数据线插口、31纳米复合凝胶类材料、32条形孔。

具体实施方式

如图1所示：

本发明由纳米凝胶类材料硬度拉伸传感检测仪、数据线21、PC机19构成。在非工作状态时，整套设备构成一个封闭的整体。本发明的纳米凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪，箱体上设有电源指示灯26、操作指示灯26、开关按钮27、光滑玻璃表面的工作台5、防尘罩17、底座28、电源插口29、数据线插口30。

传感检测仪中，固定在机座上的伺服电机3连接丝杠4；在丝杠下面有一个压板18，压板接触引伸计2的上测量臂6，引伸计固定在箱体的内板上，在上测量臂上套接有上移动块15，上移动块上设置上紧固螺钉，上移动块下面连接拉伸机构8或压头9。

拉伸机构上的两个滑块13和下面工作台的光滑铝材表面接触，丝杠推动固连在上测量臂上的移动块带动拉伸机构对放置于硬纸板上的复合凝胶类材料实行施压；上悬臂梁（上测量臂）连接的拉伸机构与纳米复合凝胶类材料接触，拉伸机构两边的连杆向外拉伸而感受悬臂梁间距内的伸长,通过引伸计将其转换为电阻变化量并输出连接至数据采集卡，数据采集卡输出至PC机。

在引伸计下测量臂上套接有下固定块，下固定块上设置下紧固螺钉，固定块上面连接托盘，当进行硬度测量时，可将拉伸装置拆下，换成测量硬度的压头，进行测量，托盘正对着上面的压头。

如图5、图6、图7所示：

电动机通过螺钉固定在机座上，电动机带动丝杠旋转；在丝杠下面连接压板，压板接触引伸计的上测量臂，引伸计用螺钉固定在箱体内板上；上测量臂的上移动块通过上紧定螺钉固定在上测量臂上，拉伸机构在上移动块下方与上移动块螺纹连接。拉伸机构上的两个滑块连接夹紧装置，用于固定测量载物台，拉伸机构上的两个连杆分别和滑块采用固定铰链连接。

下测量臂上的固定块同样通过下紧定螺钉固定在下测量臂上，托盘通过螺纹与固定块连接并处在固定块的上方；拉伸机构中心与被测纳米复合凝胶材料及托盘作用在一条直线上。

执行驱动卡、引伸计数据采集装置、电机控制器通过螺钉固定在箱体上，引伸计数据采集装置采集的测量臂力——位移变形信号通过数据线将信号传输到PC机中，通过软件分析***对复合凝胶类材料的受力与变形进行分析、测算最后得出被测复合凝胶类材料的拉伸特征指标，并将其通过软件分析***显示最终结果。

电动机的输出轴通过D型截面和紧定螺钉链接，上移动块、下固定块分别通过M3的上、下紧定螺钉固定在上、下测量臂上。拉伸机构通过M3的螺纹与上移动块固定，托盘通过M5的螺纹与下固定块固定，并且拉伸机构与工作台5之间的距离可以通过螺纹调节。

如图图8、图9所示：

当被测量的纳米复合凝胶类材料需要进行拉伸测量时，则将拉伸机构通过螺丝连接固定在上悬臂梁上，当需要进行硬度测量时，则将拉伸机构卸下，将压头连接在上悬臂梁上进行测量。

利用引伸计上数据采集装置24上采集上测量臂16的力、位移信号，并通过另一根数据线传递给PC机，软件分析***会直接测算出上悬臂梁向下的位移量，通过换算计算出拉伸量（通过软件分析***输出竖直方向位移和力的曲线，将竖直方向位移通过换算可以得到材料被拉伸量和力的关系曲线，将结果保存到相应文件夹即可）。

具体检测过程如下：

首先，将调制好的纳米复合凝胶类材料静置、冷却后，通过3D打印机打印出来，放置硬纸做的载物台24上，固定在拉伸机构8上，进行硬度拉伸检测；将待测复合凝胶类材料放置在载物台24上，根据复合凝胶类材料的大小调整拉伸机构两滑块之间的距离，使拉伸机构上的夹紧装置刚好接触待测纳米复合凝胶类材料，装夹完毕后，用剪刀将两张硬纸载物台沿中线的条形孔剪断，使上下两张硬纸的两端分别夹住纳米复合凝胶类材料的两端，打开PC机中的软件分析***，准备测量。

调整好后，操作指示灯26会显示绿色，提示可以进行测量；点击软件分析***的“运行”按钮，软件开始运行，随即按下开关按钮；执行驱动卡22得到信号后带动电动机3转动，电动机通过轴带动丝杠4转动，丝杠在转动的过程中下压压板18，压板下压上测量臂上的上移动块，从而带动拉伸机构的滑块向两侧拉伸，上测量臂受到挤压带动拉伸机构，拉伸机构上的夹紧装置14夹紧纳米复合凝胶类材料，拉伸机构通过上移动块下压带动拉伸机构，使得拉伸机构上的滑块沿着光滑表面向两侧拉伸；当拉伸机构拉到材料断裂时，导杆12在电动机的驱动作用下开始回退，同样上测量臂上的上移动块带动压头9回退；纳米复合凝胶类材料在被拉断裂后粘附载物台硬纸板上，拉伸机构回退的过程中，带动载物台一起回退，回到原始位置；待丝杠转回到初始位置时，一次检测即完成，点击软件分析***上的“停止”按钮，即可以实时显示所测结果，将结果保存到相应文件夹即可。同一纳米复合凝胶材料重复上述十次检测，求得纳米复合凝胶的平均值即可表示为该纳米复合凝胶材料的硬拉伸性能，如需测量硬度，将拉伸装置拆卸下，换成压头9，重复上述实验即可。

本发明的检测原理，在拉伸机构8对待检测纳米复合凝胶材料进行拉伸的时候，拉伸机构为拉伸纳米复合凝胶材料而作用的力，可以表征为拉伸量；压头为下压纳米复合凝胶材料而作用的力，可以表征为硬度。通过一压、一拉测量了复合凝胶材料的硬度和拉伸量二个数值。

本发明请求保护的范围并不仅仅局限于本具体实施方式的说明。

Claims (9)

1.纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪，其特征是，包括检测仪箱体（1）、引伸计（2）、电动机（3）、丝杠（4），所述检测仪箱体一侧向内凹陷形成工作台（5），所述引伸计安装于检测仪箱体内部，该引伸计设有上测量臂（6）、下测量臂（7），上、下测量臂伸出箱体外并置于工作台上方，所述上测量臂平行置于下测量臂上方且位置对应；所述电动机安装于检测仪箱体顶部，电动机的输出轴与丝杠连接，所述丝杠垂直布置于工作台上方，所述丝杠端部与上测量臂接触；所述上测量臂上安装有拉伸机构（8）或压头（9），所述下测量臂上安装有托盘（10）；所述拉伸机构包括安装块（11）、两根连杆（12）、两个滑块（13），所述安装块与上测量臂相连，两根连杆呈八字形，一端分别与安装块铰接，另一端分别与两个滑块铰接，两个滑块置于工作台上，且两个滑块的相对侧分别设有夹紧装置（14）。

2.根据权利要求1所述的纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪，其特征是，所述工作台为抛光镜面加工后的铝材表面。

3.根据权利要求1所述的纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪，其特征是，所述上测量臂上套接有上移动块（15），所述下测量臂上套接有下固定块（16），上移动块与下固定块位置对应，所述拉伸结构的安装块或压头安装于上移动块底部，所述托盘安装于下固定块顶部。

4.根据权利要求1所述的纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪，其特征是，所述检测仪箱体上设有用于遮挡工作台的防尘罩（17）。

5.根据权利要求3所述的纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪，其特征是，所述丝杠端部安装有压板（18），所述压板与上移动块顶部接触。

6.根据权利要求1所述的纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪，其特征是，还设有PC机（19），所述检测仪箱体内设有引伸计数据采集装置（20），所述数据采集装置通过数据线（21）与PC机相连。

7.根据权利要求6所述的纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪，其特征是，所述检测仪箱体内还设有执行驱动卡（22）、电机控制器（23）,所述PC机与执行驱动卡相连，执行驱动卡和电机控制器相连，电机控制器控制电动机工作。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪的使用方法，其特征是，通过PC机发出信号传给执行驱动卡，执行驱动卡将信号发给电机控制器，带动电动机进行测量，测量完成后数据采集装置把数据信号传给PC机进行数据分析，具体包括以下步骤：

1）拉伸检测：

a.首先，将调制好的纳米复合凝胶类材料静置、冷却后，通过3D打印机打印出来，放置在硬纸做的载物台（24）上，将拉伸机构与上移动块相连；

根据纳米复合凝胶类材料的大小调整拉伸机构中两滑块之间的距离，使拉伸机构上的两个夹紧装置刚好接触待测纳米复合凝胶类材料的两端，使两张硬纸上下夹紧纳米复合凝胶类材料，利用两夹紧装置分别夹住硬纸的两端；装夹完毕后，用剪刀沿着硬纸载物台中线处的条形孔将两张硬纸剪断，打开PC机中的纳米复合凝胶类分析软件，准备测量；

b.软件开始运行，随即按下检测仪开关按钮；执行驱动卡得到信号后带动电动机转动，电动机通过轴带动丝杠转动，丝杠在转动的过程中下压上测量臂上的上移动块，上测量臂受到挤压带动拉伸机构，夹紧装置夹紧纳米复合凝胶类材料，拉伸机构通过上移动块下压带动拉伸机构，从而带动拉伸机构的两滑块在工作台表面向两侧拉伸；

c.当拉伸机构拉到纳米复合凝胶类材料断裂时，压板在电动机的驱动作用下开始回退，同样上测量臂上的上移动块带动两滑块回退；纳米复合凝胶类材料在被拉断裂后粘附载物台硬纸板上，拉伸机构回退的过程中，带动载物台一起回退，回到原始位置；待丝杠转回到初始位置时，一次检测即完成，之后数据采集装置把数据信号传给PC机进行数据分析，PC机实时显示所测结果；

2）硬度检测

将压头与上移动块相连，如需测量硬度，将拉伸装置拆卸下，换成压头（11），重复上述实验即可，即将纳米复合凝胶类材料直接放在托盘上，利用电动机驱动丝杠下压上测量臂，使压头下压纳米复合凝胶类材料，然后数据采集装置把数据信号传给PC机进行数据分析，PC机实时显示所测结果。

9.根据权利要求8所述的纳米复合凝胶类材料硬度拉伸自动检测仪的使用方法，其特征是，同一纳米复合凝胶材料重复上述十次检测，求得纳米复合凝胶的平均值即可表示为该纳米复合凝胶材料的硬度拉伸性能。