扫描流变仪的制作方法

本发明涉及流变学，并且更精确地说，涉及拉伸流变学的子领域。流变学是对简单流体或者复杂流体(胶悬浮体、粘合剂、油漆、食物或者熔体)对于规定动态流的响应的测量。本发明涉及能够测量拉伸流变特性的设备，特别是，涉及能够测量聚合物熔体和聚合物浓溶液的拉伸流变特性的设备。

背景技术：

拉伸流动在工业生产过程中是主要的，但是，关于材料在这种流场中的响应知之甚少。这主要是因为难以设计精确测量拉伸特性的设备。

虽然市售的一些仪器可用以测量这些复杂流体的剪切特性，但用以测量拉伸特性的市售仪器几乎没有。拉伸流变仪的工作原理类似于剪切(扭转)流变仪。在剪切流变仪中，一定量的样品布置在两个板(平坦、锥形、环形等等)之间，并且一个或者两个板以恒定速率、应力旋转，或者以规定频率摆动。通过仔细测量使圆盘旋转需要的转矩或者材料在给定的规定转矩下形成的变形，可以确定作为应力、应变或者频率函数的剪切粘度。

同样的概念适用于拉伸流变仪。但是，不是在两个板之间施加简单剪切流动，拉伸流变仪是施加拉伸流动。拉伸流动的原理在于拉伸样品，使得样品的横截面积随时间减小。这里的困难在于施加明确定义的拉伸流动，因为对材料施加恒定的拉伸应变速率或应力，需要控制材料横截面积随时间改变的方式。这与横截面积随时间恒定的剪切流变仪是根本不同的。

以聚合物制成的材料中的大多数的特性既不完全象固体(弹性)，也不完全象流体(粘性)。这些材料通常称为“软”材料或者“复杂”流体(“复杂”是由于它们的复杂分子结构)。从力学角度来看，这些材料称为粘弹性物质。粘弹性的完整描述远未完成，但是，在小变形的范围上，即在接近于平衡状态的变形上，存在称为线性粘弹性理论的框架。在这一范围中，材料在剪切和拉伸两方面具有完全相同的流变响应。因此，这一范围用作对任何拉伸流变仪设计的工作原理的极好测试。在与工业生产流动更相关的、被称为非线性粘弹响应的小变形范围之外，剪切流变特性和拉伸流变特性是根本不同的，并且在一些情况中，是完全相反的，即，剪切稀薄，而拉伸浓厚。因此，复杂流体中的非线性剪切特性本身不足以且不相关于工业相关流中复杂流体的表征、预测和控制。因此，能够准确且定量地测量复杂材料的线性及非线性粘弹性拉伸特性的工艺将具有不可估量的价值。

尽管学术界和工业界关注并尝试测量了复杂流体的拉伸特性，但几乎没有市售方法可提供绝对的定量参数。大多数方法并不主动监测材料的应变，而相反的是监测因机械运动引起的关联应变。这一假定并不总是有效，防碍了获得稳态流变特性的能力，并且会容易导致错误的、不能再现的结果。

在所称的拉丝流变仪(FSR)中，应变是用光学技术对中间细丝直径的现场测量获得的直接测量结果。在过去数年里已经有许多设计，用以确保对中间细丝直径的测量。

一种方案是针对固定的直径测量点设计具有光学测量装置的FSR，两个板都从该固定的直径测量点对称地移动。另一方案旨在将具有光学测量装置的FSR配备到移动台上，并将其链接到这些板中之一的移动，以便仅仅测量中间细丝直径。

中间细丝直径本身是在两个板之间的中间测量的直径，在中间细丝直径是最小直径的理想情况下，可用以确定流变特性。这对一些材料确实如此，但对于聚合物熔体和溶液，情况不总是这样。由于重力，最小直径可能低于中间细丝直径。这种效应称为下垂效应。通过测量中间细丝直径，在发生下垂的情况下，可能算错流变特性。

在考虑到下垂效应的情形中，想要的是一种用于测量材料的、特别是聚合物熔体和溶液的流变特性的装置，特别是FSR。

此外，在FSR中，测量或者知道应变不是足够的。拉伸流变仪如要可用，它必需能够规定明确定位的流变流，诸如恒定单轴拉伸/或恒定应力。在FSR的工作原理中，使材料悬垂的板移动关联于直径的减小或者增大。这一相关性/关系依赖于正测量的材料、测量温度以及施加的应变率或应力。没有什么可惊讶的是，这一相关性/关系先前几乎从不为人所知：使得非常难以施加明确定义的流变流。

已经采取两种方案来克服这一障碍。第一种方法使用开环控制模式来确定该相关性/关系，而第二种方法使用闭环反馈控制来避开这个障碍。使用开环反馈控制的FSR设计需要大量的反复实验：浪费样品和时间。

使用闭环反馈控制的FSR设计需要在所测量的中间细丝直径与移动之间建立联系。但是，如果中间细丝直径不同于最小直径，根据下垂效应，流变流可能最终出错。

期望有一种具有闭环控制的FSR，其能够在考虑下垂效应的情况下测量复杂流体的各种拉伸流变特性。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种用于测量样品的流变性能和/或机械性能的拉丝流变仪，包括：一对相对表面，所述相对表面用于将样品保持在两者之间；致动器，所述致动器被构造成提供相对表面中的至少一个表面的受控轴向位移；和样品扫描单元，所述样品扫描单元用于测量所述样品的直径。样品扫描单元优选的是被构造成选择与样品最小直径所在的轴向位置相对应的起点。在一个另外实施方式中，样品扫描单元可以被构造成用于在独立于所述相对表面位移受控的轴向位置处测量所述样品直径，样品扫描单元被构造成用于在所述受控轴向位移之前定位在起点处，其中起点选择自所述样品扫描单元确定所述样品的最小直径的位置处。

根据本发明，样品扫描单元负责提供FSR，其中考虑了下垂效应。亦即，如果样品下垂，即它的最小直径不正好在这对相对表面之间的中点处，则样品扫描单元可以能够在低于中点、在中点处以及在中点以上的各个轴向位置处测量样品直径。因此，起点可以在低于中点、在中点处和中点以上的各种轴向位置处。

通过使得样品扫描单元被构造成用于在独立于相对表面位移受控的轴向位置处测量所述样品直径，在相对表面(之一或两个)的轴向位移和样品扫描单元之间不需要传动机构或者其它类型的联接器。就这方面而言，可以避免传动机构或者其它类型的联接器，从而提供了约束更少，或者更准确地说，更灵活的FSR。此外，正是通过使得样品扫描单元被构造成用于在独立于相对表面位移受控的轴向位置处测量所述样品直径，与下垂相关的问题才得以解决。

本发明的一个目的在于与样品是否下垂无关地确定样品的最小直径。相应的是，样品扫描单元可以被构造成用于获得样品的直径分布。此外，样品扫描单元可以构造成在所述受控轴向表面位移之前、期间和/或之后确定样品的最小直径。以这种方法，最小直径可以例如从样品的直径分布确定。

本发明的一个优点在于，不仅直径，而且样品的直径分布，都可用以确定样品的流变特性。此外，由于样品扫描单元可以被构造成在所述受控轴向表面位移之前、期间和/或之后确定样品的最小直径，所以，可以比较在所述受控轴向表面位移之前、期间和/或之后获得的直径分布或者最小直径。这一比较可用以确定样品的其它特性，特别是机械特性，诸如泊松比、杨氏模量和/或拉伸强度。这些其它特性可以从数据处理器通过对直径分布的数据的实时处理或者后处理来确定。

如可从本发明理解的，最小直径可以不一定非要从单次测量结果获得，而是可以从一组测量结果获得。就这方面而言，可以具有用于从一组直径测量结果确定最小直径的装置，因此样品扫描单元可以被构造成将记录的数据提供给被构造成用于从一组数据选择最小值的数据处理器，特别是计算机或者诸如FPGA芯片等硬件芯片。从一组数据确定最小值的操作可以是快速操作。由此，最小直径的测量可因此是快速的，因此相关于实时处理。

由于实时处理，并且由此最小直径的快速确定，所以，实施闭环反馈控制并且由此测量复杂流体的各种拉伸流变特性会是可能的。相应地，可以具有被构造成基于来自样品扫描单元的输入控制致动器的反馈控制器。以这种方法，本发明提供了具有闭环控制的FSR，其能够在考虑下垂效应的情况下测量复杂流体的各种拉伸流变特性。

本发明另外提供了主动控制材料在拉伸时的应力、应变率和整体动态流场的FSR：使得可以测量拉伸应力、应变、应变率和粘度的瞬态响应及稳态响应两者。

根据本发明，本发明的一个目在于经由闭环控制方案和主动式FSR工作原理按照小型桌面设计测量复杂流体的拉伸流变特性：确保对瞬态及稳态的粘度、应力和应变的准确可靠测量，这导致了对蠕变柔量、弹性和粘性模量、拉伸粘度、杨氏模量、泊松比、断裂应变、线性粘弹性和弛豫时间等的精确测量。

本发明的另一目的在于测量固体的机械特性，特别是处于拉伸、也可以是处于受压中的固体的机械特性。

在本发明的第二方面中，提供了一种用于拉丝流变仪的环境受控腔室，其包括被构造成围绕样品布置的隔离表面，使所述表面能够通过位移而从所述样品移去，从而将所述样品暴露于环境条件。

在本发明第三方面中，提供了一种用于控制拉丝流变仪的方法，包括步骤：将在两个相对表面之间拉伸样品，使所述样品被固定在起始状态中，并且所述两个相对表面处于固定位置；用移动样品扫描单元在处于所述固定位置的所述相对表面之间的多个位置处测量处于所述起始状态的所述样品的多个直径，由此使所述样品扫描单元独立于所述两个相对表面移动；从所述多个直径中确定最小直径；以及从所述最小直径选择所述移动样品扫描单元进行测量的起点。

附图说明

图1根据a)侧视图、b)相反的侧视图和c)前视图等视图示出了对本发明扫描流变仪一个实施例的示意性说明。

图2根据前视图示出了对本发明扫描流变仪一个实施例的示意性说明。

图3根据侧视图示出了对本发明扫描流变仪一个实施例的示意性说明。

图4根据前视图示出了对本发明扫描流变仪一个实施例的示意性说明。

图5根据侧视图示出了对本发明扫描流变仪一个实施例的示意性说明。

具体实施方式

本发明涉及一种用于测量样品的流变性能和/或机械性能的拉丝流变仪。

参考图1，其中有：马达101，马达101具有移动板102，移动板102经由臂103、107及横杆连接器106连接到光源104和检测器105；第二马达111，第二马达111具有移动板112，移动板112经由连接器113连接到顶部表面114；与力/压力换能器121连接的底部表面122；以及外壳132，外壳132包围顶部表面114、底部表面122和样品10并且经由控制器131控制样品的环境条件。

相对表面

两个相对表面，即顶部表面114和底部表面122，形成相对的表面，样品10悬挂于该两个相对表面。相对表面可以是在一对相对的板或者杆上的表面，可以由任何材料构造成。此外，包含这些表面的材料可以粗糙化、抛光或者化学涂布，以促进样品附着到表面上。相对表面的形状可以是正方形、圆形、矩形、椭圆形或者3维结构，例如是球形或者圆锥形或者任何3维结构。相对表面的尺寸依据应用、材料和本发明实施例可以是一个宽范围。

相对表面的形状和尺寸不必相同，而可以是形状和尺寸的任何组合。这些表面的优选取向可以是相互平行的，但不是必须平行，而是取决于应用，这些表面可具有其它取向。这两个表面，即顶部表面114和底部表面122，可以是可互换的。

样品

样品可以是熔体和固体。典型样品可以是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚异戊二烯和/或聚甲基丙烯酸酯。所有样品都可具有玻璃态转化温度和/或熔融温度。本发明的一个目在于在样品已经拉伸之后测量样品的低于玻璃态转化温度和/或熔融温度的一些特性。

样品尺寸依赖于样品的拉伸方式。因此，悬置于两个表面之间的样品的尺寸和形状依赖于这两个相对表面的尺寸、形状、间隔、分开轨迹和取向。

样品扫描单元

在本发明的一个实施例中，样品扫描单元被构造成用于独立于相对表面的轴向位移移动。正是因为这种构造，样品扫描单元才可以能够在所述受控轴向表面位移之前、期间和/或之后确定样品的最小直径。

如前所述，样品扫描单元可以构造成在所述受控轴向表面位移之前、期间和/或之后确定样品的最小直径。因此，扫描单元可以被构造成用于在所述相对表面的位移之前、期间和/或之后来操作。

在本发明的一个实施例中，样品扫描单元包括激光测微器。激光测微器典型的是包括发光单元和成像单元，发光单元诸如是激光或者发光二极管(LED)。光在照射到样品上之前，可以穿过扩散单元和准直透镜。样品形成的阴影图像可以典型的是经由远心光学系统投影到成像单元上，诸如CCD或者CMOS检测器。基于从记录单元接收到的光输出，可以确定样品尺寸。使用激光测微器的一个优点在于速度快，因为它可使用诸如边缘检测法等复杂性低的图象处理算法确定直径。使用远心光学系统的优点在于它可以产生相同大小的图像，而与像面和/或物面的偏移无关。

在本发明的另一个实施例中，样品扫描单元包括成像单元。在这方面来说，可以不需要发光单元、扩散单元和/或准直透镜。此外，可以不需要远心光学系统，而是可以代之以使用非远心透镜。使用带有非远心透镜的成像单元的优点在于它的低成本。

在本发明的一个优选实施例中，扫描单元被构造成用于与所述相对表面(之一或两个)的位移平行地进行轴向移动。以这种方法，从扫描单元到样品的距离总是相同的。因此，在扫描单元包括成像单元的情况中，即无远心透镜时，可不需要改变焦点，成像单元由此可以不需要自动聚焦。因此，装置可以被构造成用于快速确定样品直径，由此快速确定样品的最小直径。

但是，扫描单元可以不是一定要被构造成用于与所述相对表面(之一或两个)的位移平行地进行轴向移动。这种移动可以呈任何给定角度，甚至垂直于所述相对表面(之一或两个)的位移。在使用非远心透镜的情况中，会需要考虑到投影误差，以便可以正确确定样品的直径。在使用远心透镜的情况中，产生的图像可具有相同尺寸，而与物面偏移无关，因此不会存在投影误差，这意味着在这些构造中，远心透镜可能是优选的。

在本发明的另一个实施例中，样品扫描单元包括一个或者更多个可移动/可旋转的反射镜。例如，可旋转的反射镜可以放置在样品和成像单元之间的位置处。可旋转的反射镜可以被构造成在所述受控轴向表面位移之前、期间和/或之后进行旋转，从而对样品进行扫描。该一个或者更多个可移动/可旋转的反射镜可以是任何类型的反射镜，特别是平面镜、曲面镜和/或诸如光栅等反射材料。此外，该一个或者更多个可移动/可旋转的反射镜可以是微型反射镜系统和微型反射镜阵列，特别是微机电系统(MEMS)。使用微型反射镜的一个优点在于重量轻，因此与例如大反射镜或者与平移扫描单元相比，可以相对快速地移动。

反馈控制器

在本发明的一个实施例中，拉丝流变仪进一步包括力和/或应力确定装置，该装置用于测量施加于所述相对表面中至少一个上的力和/或压力，诸如是力和/或压力换能器。以这种方法，能够获得期望的压力和/或力。

因此，反馈控制器可以被构造成基于所述力和/或压力控制致动器。

在本发明的一个实施例中，反馈控制器被构造成提供相对表面的位移，使得样品的最小直径在测试期间以指数方式增加或者减小。以这种方法，应变率可以保持恒定。

在测试中，例如在可以不需要恒定应变率的情形中，反馈控制器可以被构造成提供相对表面的位移，使得样品的最小直径在测试期间以非指数方式增加或者减小。

在本发明的一些实施例中，反馈控制器被构造成提供相对表面的位移，使得施加于样品上的每单位面积力在测试期间是恒定的。以这种方法，应力可以保持恒定。

测量的各种参数可以取决于需要确定的期望流变特性或者机械特性来设定。参数的组合和/或参数系列也可以取决于需要确定的期望流变特性或者机械特性设定。例如，应变恒定，随之而来的是应变率恒定和/或应力恒定。

马达和处理器

在本发明的一个实施例中，拉丝流变仪进一步包括分开的马达，用于分别给致动器和样品扫描单元提供动力。以这种方法，致动器和样品扫描单元可以能够彼此独立地移动。

在本发明的另一个实施例中，拉丝流变仪进一步包括数据处理器，数据处理器被构造成基于样品直径以及在测试期间施加于样品上的力、压力和/或应力等的测量结果来确定样品的流变性能和/或机械性能。

环境受控腔室

在本发明的一个实施例中，拉丝流变仪进一步包括包围样品的环境受控腔室。这可能是有利的，在于可以针对明确定义的环境执行各种测试。环境受控腔室可以由环境控制器来控制，诸如具有加热元件和/或冷却元件的温度控制器、湿度控制器、压力控制器和/或惰性气体流速控制器。无论何种控制器，控制器都可以被构造成用于监测和调节电力，以为了获得并保持期望的环境，诸如明确定义的温度、流速、湿度和/或压力。

关于本发明的第二方面，涉及环境受控腔室，特别是涉及用于拉丝流变仪的环境受控腔室，其中拉丝流变仪可以是如本文所述的流变仪。

因此，环境受控腔室可以被构造成用于控制腔室内部气体的环境温度、环境气体成分、环境气体流速、环境湿度和/或环境压力。

在本发明的一个优选实施例中，环境受控腔室被构造成用于将所述腔室内部气体的温度T从150℃<T<300℃降低到25℃<T<150℃。在这种构造中，将样品暴露于高于其熔点和/或其玻璃态转化温度的温度，然后降低到其熔点和/或其玻璃态转化温度以下，这是可能的。例如，在前述样品中，聚苯乙烯的玻璃态转化温度近似为100℃，聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃态转化温度为近似130℃，聚乙烯的熔融温度为110℃，聚碳酸酯的玻璃态转化温度为近似145℃，聚丙烯的熔融温度为近似165℃。

为了执行淬火测试，需要温度能够快速地降至样品的玻璃态转化温度和/或熔融温度以下。相应地，用于将所述腔室内部气体的温度T从150℃<T<300℃降低到25℃<T<150℃的时间可以小于5秒，小于4秒，小于3秒，小于2秒，或者小于1秒。可以通过加热器和冷却器促进温度控制。加热器可以包括感应加热装置、对流加热装置和/或热电加热装置。冷却器可以包括热电冷却装置、制冷器装置和/或冷气循环，冷气例如是空气、氮气、液体和/或氧气。

优选的是，环境受控腔室可以被构造成从样品移去，以将所述样品暴露于环境条件。优选的是，腔室可以在小于5秒、小于4秒、小于3秒、小于2秒或小于1秒的时间中从样品移去。以这种方法，快速降低样品的温度会是可能的。

参考图2，外壳132是环境受控腔室。在图示的例子中，环境受控腔室132包围顶部表面、底部表面和样品。光源104和检测器105被构造成通过外壳132中的光学出入口141(如图3所示)测量样品直径。

光学出入口141在图3中示出，图3中从侧面显示了环境受控腔室。从这一视角可观察到用以使光源104和检测器105移动的马达101和一个臂103。用以使保持样品的表面移动的第二马达111也可观察到。在图示的例子中，环境受控腔室132是闭合的，因此它包围顶部表面、底部表面和样品。

参考图4，环境受控腔室132被从样品移去，以将样品暴露于环境条件。顶部表面114和底部表面122与拉伸的样品10一起示出。

在图5中，从侧面示出了环境受控腔室132，其中可观察到环境受控腔室132被从样品移去了，以将样品暴露于环境条件。

控制流变仪

根据本发明的第三方面，涉及一种用于控制拉丝流变仪的方法，所述流变仪可以是如本文所述的流变仪。

在本发明一个实施例中，该方法进一步包括步骤：将所述移动样品扫描单元定位在所述起点处，将所述两个相对表面相向或者相背地移动，使得所述样品扫描单元随着所述两个相对表面从所述起点移动；以及在所述两个相对表面的移动期间，测量所述样品的直径。“随着”是，例如保持，样品扫描单元与两个相对表面的轴向位置的固定关系。

本发明的更多细节

现在将参考下列项更详细地说明本发明：

1.一种用于测量样品的流变性能和/或机械性能的拉丝流变仪，包括：

·一对相对表面，所述一对相对表面用于将样品保持在两者之间，

·致动器，所述致动器被构造成提供所述相对表面中至少一个表面的受控轴向位移，和

·样品扫描单元，用于测量所述样品的直径，所述样品扫描单元被构造成用于在独立于所述相对表面位移地受控的轴向位置处测量所述样品直径。

2.根据项1所述的拉丝流变仪，进一步包括反馈控制器，所述反馈控制器被构造成基于来自所述样品扫描单元的输入来控制致动器。

3.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述样品扫描单元被构造成用于获得样品的直径分布。

4.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述样品扫描单元被构造成在所述受控轴向表面位移之前、期间和/或之后确定样品的最小直径。

5.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述样品扫描单元被构造成用于独立于所述相对表面的轴向位移移动。

6.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述扫描单元被构造成用于平行于所述相对表面的位移轴向移动。

7.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述扫描单元被构造成用于在所述相对表面的位移之前、期间和/或之后操作。

8.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述样品扫描单元包括激光测微器。

9.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述样品扫描单元包括成像装置。

10.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述样品扫描单元包括一个或者更多个能够移动的/能够旋转的反射镜。

11.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，进一步包括力和/或应力确定装置，所述力和/或应力确定装置用于测量在所述相对表面中的至少一个表面上施加的力和/或压力，所述力和/或应力确定装置诸如是力和/或压力换能器。

12.根据项11所述的拉丝流变仪，其中，所述反馈控制器被构造成基于所述力和/或压力控制所述致动器。

13.根据前项2至12中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述反馈控制器被构造成提供所述相对表面的位移，使得样品的最小直径在测试期间以指数方式增加或者减小。

14.根据前项2至12中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述反馈控制器被构造成提供相对表面的位移，使得样品的最小直径在测试期间以非指数方式增加或者减小。

15.根据前项2至13中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述反馈控制器被构造成提供所述相对表面的位移，使得施加于样品上的单位面积上的力在测试期间是恒定的。

16.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，进一步包括包围样品的环境受控腔室。

17.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述环境受控腔室被构造成用于控制腔室内部气体的环境温度、环境气体成分、环境气体流速、环境湿度和/或环境压力。

18.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述环境受控腔室被构造成用于将所述腔室内部气体的温度T从150℃<T<300℃降低到25℃<T<150℃。

19.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，其中，用于将所述腔室内部气体的温度T从150℃<T<300℃降低到25℃<T<150℃的时间小于5秒，小于4秒，小于3秒，小于2秒，或者小于1秒。

20.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，其中，所述环境受控腔室被构造成从所述样品移去，以将所述样品暴露于环境条件。

21.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，进一步包括分开的马达，用于给所述致动器和所述样品扫描单元分别提供动力。

22.根据前项中任一项所述的拉丝流变仪，进一步包括数据处理器，所述数据处理器被构造成基于测试期间的样品直径以及施加在样品上的力、压力和/或应力的测量结果，确定样品的流变性能和/或机械性能。