非等温高剪切聚合物注射成形的超声波原位表征装置的制作方法

本发明属于材料和流体测试技术领域，具体涉及一种非等温高剪切聚合物注射成形的超声波原位表征装置。

背景技术：

聚合物注射成形过程是一个复杂的动态变化过程，聚合物熔融后被注射进封闭的模具型腔中经冷却固化后成形，整个过程聚合物熔体伴随着温度和压力的剧烈变化。在线原位定量表征注射成形过程中聚合物熔体的演变规律具有十分重要的意义。当前，成形过程在线检测技术还主要依赖于传统的手段如热电偶、压力传感器等，传统的检测方法不但功能单一，响应时间慢，敏感性和稳定性差，而且还不能反映熔体的真实情况。超声波作为一种机械波，能穿透封闭的模具型腔且定向性好，同时具有探头安装方便，不破坏检测对象，信号反馈速度快，内容丰富等优点，在聚合物注射成形原位表征中具有十分广阔的应用前景。

然而，聚合物注射成形过程的超声波原位表征是一新技术，其理论、方法到实验研究都不太成熟，目前的研究大多数还停留在定性阶段。超声波信号主要是传播速度和衰减系数，不同的熔体状态对应不同的超声信号，而聚合物注射成形过程中一般会受到非等温场和高剪切场的综合作用，温度场和剪切场对聚合物熔体状态均有类似的作用效果，如剪切变稀。如果不能将非等温场和高剪切场对聚合物熔体演变行为的影响区分出来，将不可能实现聚合物注射成形定量原位表征。王克俭等在公开号为101799451a的中国专利文献中开发了一套装置，采用超声信号表征物质压力-比容-温度关系，与该装置不同，本发明装置可提供高剪切场的注射情况，与实际生产过程更加接近。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种可以用于检测注射成形过程中型腔内物质压力、温度、超声信号的表征装置，可实现对注射成形过程中型腔内物质性质与超声波信号的关联，基于此，可实现对注射成形过程更好地控制。

本发明利用超声波信号速度，衰减等相关物理量，在流变仪测量物体粘度的基础上，实现加入超声检测下，对材料性质的研究。

一种非等温高剪切聚合物注射成形的超声波原位表征装置，包括模架、固定在模架内的模芯以及对模芯进行进料的注射机，所述模芯侧壁设有两组或两组以上用于对模芯型腔内物料进行检测的检测单元，每组检测单元包括检测温度信号、压力信号的传感器以及超声探头；所述型腔为狭缝结构。

作为优选，所述狭缝结构的厚度为2mm以下。作为进一步优选，所述狭缝结构的厚度为1mm左右，比如可以是1.2～1.5mm。通过改变模芯的形式，改变厚度，但厚度要求均满足上述条件。一方面考虑到一般注射机的注射速度最高可以达到20～40cm³/s，小的狭缝厚度可以保证装置在一定的注射速度下，得到更大的熔体剪切速率，另一方面，检测到的超声信号是整个路径上熔体参数的平均，因此小的狭缝厚度，可以降低内部熔体的不均匀度，从而提升检测的准确度，即本发明采用上述厚度的狭缝结构，可以避免产生皮-芯结构，影响超声信号的采集。

本发明中，可根据不同的需要，加工不同形状的狭缝结构；比如作为优选，所述狭缝结构可以呈直条状、圆形、椭圆形、迂回s型布置，以满足不同研究工况的需要。

作为进一步优选，所述狭缝结构为上下布置的直条状结构，顶部为物料入口，底部为物料出口。本发明中，直条状结构的宽度可设置为相等，以便于流体参数的计算。本发明采用底部具有出口的狭缝结构实现对物料的检测，可以实现在线检测，同时可以保证检测在物料稳定状态下进行，进一步避免了物料参数波动带来的不利影响。

作为优选，所述检测单元为两组，所述检测温度信号、压力信号的传感器为压力温度传感器。

作为优选，每组检测单元中，所述压力温度传感器与超声探头的中心轴位于垂直于狭缝的一条直线上。

作为优选，所述模芯包括动模块和定模块，所述动模块上设有沟槽结构，动模块和定模块密封对接时，该沟槽结构形成所述的狭缝结构。采用该技术方案，方便了狭缝的加工，同时使得模芯的结构更为简单。当然，作为其他可以选择的方案，所述狭缝结构也可以由同时设置在动模块和定模块上的沟槽结构对接形成。

作为优选，所述模架包括动模板，所述动模块可拆卸的安装在所述动模板上。采用本技术方案，可以通过更换动模块，更换狭缝的结构、厚度和形状等等，保证能够更全面的实现对物料的检测。

作为优选，所述动模块上安装有所述超声探头；所述定模块上安装有所述传感器。

作为优选，所述定模块上设有用于安装所述传感器的安装槽。在定模块上设置了安装槽，一方面减少加工面面积，另一方面，为压力温度传感器提供电缆线走线的空间。

本发明的表征装置在使用过程中利用模温机控制模具(模芯)温度，保持设定温度的恒定，实现温度恒定条件下对其他参数的检测。该装置中，在检测位置布置压力温度传感器，提供实时压力，温度参数，并在对应位置布置超声探头实时采集超声信号。装置通过更换动模块来实现调节型腔的厚度的目的，通过调节型腔厚度，获得更多剪切速率与压力的实验条件组合，为实验提供更丰富的变量组合形式。

本发明通过直接更换模芯的方式来改变聚合物熔体在型腔里的流动速度。相较于通过增加挡块来改变流动速度，本发明的设计更能保证狭缝内部熔体流动稳定，减少流场突变引起的瞬态的流体行为改变对注射过程聚合物熔体物性的影响。

本发明中压力温度传感器的布置位置不做限定，位置距离入口和出口一定的距离即可。在型腔另一侧，两个压力温度传感器轴线的对应位置，安装两个超声波探头，一一对应，通过信号传输线分别与超声波信号发送、接收通道连接，发送、接收的超声波信号在处理系统中进行过滤、运算等，从而获得聚合物熔体在非等温和高剪切场下的超声波传递速度、幅值衰减情况。

本发明的表征装置的原理是在实验中，获取聚合物熔体的各项物理参数，例如得到测量位置的压力、温度、剪切速度等，并将这些参数与超声探头得到的信号结合，同步分析，得到仅温度场，仅剪切场或综合场作用下熔体性质与超声信号的关联关系。

在已知的实验条件下，实验者可以得到更多聚合物熔体的物理性质，研究在特定情境下，某种物理量的改变，对于聚合物熔体的演化行为的影响以及与超声信号的关联关系。

粘度是表征聚合物熔体演化行为过程中的一个重要的参数，且温度与剪切速率都对粘度有一定的影响作用，因此，在本装置的实验过程中，获得聚合物的粘度值是其中重要的一部分。

以下介绍粘度与剪切速率的计算原理与公式：

根据压力和型腔的几何结构，依据动力学力平衡方程可以计算得到熔体内部的剪切应力，计算式如下：

τ·2·l·w＝δp·h·w(1)

式中，τ表示剪切应力，l表示所使用的两个压力温度传感器的距离，w表示型腔的宽度，δp表示上述两个传感器的压力差，h表示型腔的厚度。

更一般的，若以狭缝中心为原点建立平面直角坐标，熔体流动方向为x轴正方向，厚度方向为y轴方向，则在厚度为y处的方程为：

τxy·2·l·w＝δp·2y·w(2)

根据牛顿切应力公式，有

ux表示熔体在x轴方向的速度，η表示熔体的动力粘度，γ表示剪切速率，对dux积分，带入y＝h/2时，ux＝0，得到：

对uxdydz积分，可得体积流量q：

式中w表示狭缝的宽度，将式(5)带入式(3)得：

当y＝h/2时，

当流体为非牛顿流体，且为剪切变稀流体时，在厚度处，剪切速率与牛顿流体相等，此时，表观剪切速率为：

式中，其中，n是与材料性质有关的常数。χ是与n有关的弱相关函数，通常情况下，χ取时，误差不超过3％。

用γrep表征的剪切速率，结合式(1)，与已知的剪切应力相结合，我们可以得到该实验条件下聚合物熔体动力粘度η的计算值，且该计算值与实际粘度相等。

考虑到聚合物熔体的粘度较大，流体在较高的剪切速率下，粘性耗散将不容忽视，粘性耗散引起的聚合物内部温度场的波动，将导致实验结果的准确性下降，这里我们引入一个无量纲数，布林克曼数br。

η表示熔体的粘度，u0表示流体的特征速度，k表示流体的导热系数，δt表示流体与壁面的温度差。

当br小于1时，可以认为粘性耗散产生的热量小于壁面导热传导的热量，在这样的条件下，可以假定实验过程中可以忽略粘性耗散带来的温度场影响。因此，我们可以通过布林克曼数得到实验过程中流速u0的取值范围，间接得到剪切速率的取值范围，提高实验准确度。

本发明的实验的具体操作情境可分为以下三种：

控制熔体温度恒定，即温度场恒定，改变注射速率，从而在不同的剪切场下得到压力，温度，超声信号等各项参数，研究实验条件下熔体演化行为与超声信号的关联关系。另，实验时，可控制注射速度恒定，即剪切场恒定，改变熔体温度，在不同的熔体温度下，获得同以上相同的各项实验参数，研究实验条件下熔体演化行为与超声信号的关联关系。

同理，实验过程中，可以综合改变温度场和剪切场，研究该种条件作用下的聚合物熔体的演化行为与超声信号的关联关系。

具体操作步骤：

将物料存放在注射机的料筒内，根据物料的性质，在测试前干燥相应的时间。

测试前连接好整个系统，准备好干燥的原料，在注射机上组装好模具，并安装相应的动模块，启动压力温度传感器以及超声波系统，检验正常运行并能快速提取信号。启动模温机，调整好模具的温度控制在设定值，启动并加热注射机。

在注射机上，设定物料注射时的各项工艺参数，经过几次注射冷却之后，使实验系统稳定，并开始实验。

设定模具温度场恒定，改变注射机的注射速度，在不同的剪切速率下，记录系统稳定之后压力温度传感器的各项参数值，同时，用超声系统获取对应的超声信号，并保存下来。

更换动模块，改变型腔厚度，获得另一种型腔厚度下的实验数据值。反复测量，记录，可以整理不同型腔厚度条件下的数据。之后，将得到的各项数据，进行处理，作图或数值分析，得到温度，剪切速率，压力等与超声波声速，衰减系数和相位差等之间的对应关系。并进一步分析定量得到聚合物熔体的演化行为的各项参数与超声信号的关联。

另，可设定注射机的注射速度恒定，在不同的温度场下，完成同上的步骤。

同理，实验时可综合改变温度场和剪切场，与前两种方案相同，记录温度压力参数，并结合粘度与超声信号做相关的数据分析。

在线操作步骤：

利用装置的测量原理，可以将装置拓展应用到聚合物注射成形的在线检测装置中，可以用超声探头安装在实际成型过程中模具的模芯外表面，在无损检测实际工况下，将离线操作得到的定量分析成果的规律，运用到在线检测中，用超声波反馈信号表征聚合物在型腔内部的演化行为，实现注射成形加工过程的实时在线监测。

本项目将开发温度剪切场作用下聚合物结晶演化行为超声表征的实验研究平台，该装置可研究仅温度场、仅剪切场或综合场作用下聚合物熔体演化行为与超声的关联关系。

区别于其他研究方法，本发明独创性地提出，利用本装置将温度场与剪切场两种条件分开研究，单独将一种影响因素作为变量，在温度场恒定或剪切场恒定的条件下，改变另一个变量，从而研究该变量作用下聚合物熔体演化行为与超声信号的关联关系。

当然，本装置可以提供在综合场下的实验条件，并且可以模拟更多的实际加工工况，对更加复杂的实际情况提供一定的研究思路

本发明通过利用本装置在测试点位置获得的相应的温度，压强，超声信号，并加入根据注射机基础速率计算得到的剪切速率，同步分析聚合物熔体在非等温和高剪切场下的实验参数，研究这些参数变化下聚合物熔体的演化行为，实现聚合物注射成形过程的定量原位表征，同时也为聚合物注射过程的在线检测提供一种新的思路。

附图说明

图1为本发明的非等温高剪切聚合物注射成形的超声波原位表征装置的工作原理示意图；

1、动模板；2、定模板；3、底板；4、顶板；5、动模块；6、超声探头；7、压力温度传感器；8、聚合物熔体；9、螺杆注射机；10、方铁；

图2为本发明的非等温高剪切聚合物注射成形的超声波原位表征装置的拆解结构示意图；

图3为图2另一角度的结构示意图；

图4为gpps在不同熔体温度下超声波的衰减与熔体温度的关联图；

图5为gpps在冷却过程中，超声衰减与熔体温度随时间的变化对应关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明非等温高剪切聚合物注射成形的超声波原位表征装置的工作原理示意图，包括模架、模芯和注射机三部分，具体包括如下部件：动模板1、定模板2、底板3、顶板4、动模块5、超声探头6、压力温度传感器7、聚合物熔体8、螺杆注射机9、方铁10。

模架、模芯对应的装置图如图2和图3所示，部件动模板1、底板3、定模板2、顶板4、方铁10等构成模架部分，主要用于固定和定位。顶板4上设有细水口浇道14。其中动模板1主要用于固定动模块5，定模板2主要用于固定定模块11。顶板4上设有浇口12和顶杆15，浇口12用于浇注聚合物物料。模架可以选择市售的标准模架，本实施例中采用的模架为细水口模架。动模块5以及固定在定模板2内部的定模块11构成模芯部分，动模块5朝向浇口12的一侧设有沟槽结构，该沟槽结构底部设有开口，通过动模块5与定模块11两两对接构成厚度为1mm左右的狭缝结构，狭缝的开口朝下。动模板1和动模块5一侧设有超声探头6，对应的另一侧的定模板2和定模块11上设有压力温度传感器7，两者轴心方向相互对应，用于检测同一高度处聚合物熔体8的温度、压力和超声信号。超声探头6和压力温度传感器7可以是多组，设置在狭缝不同高度位置，检测对应位置处聚合物熔体8温度、压力和超声信号，本实施例中为超声探头6、压力温度传感器7为上下设置的两组。模具的定模板2和定模块11上设置了凹槽结构，构成安装槽，一方面减少加工面面积，另一方面，为压力温度传感器提供电缆线走线的空间。

作为替换的实施例，上述狭缝也可以是分别设置在动模块5、定模块11上的相互对应的沟槽结构。

本实施例主要以图2和图3中所示的仅动模块5上设置有沟槽结构为主进行说明，该沟槽结构可以是各种结构的沟槽结构，比如可以是宽度基本一致的条形沟槽结构，或者可以是环形布置的沟槽，也可以是迂回型的s型沟槽结构等，可根据实际需要调整。本实施例图2和图3中沟槽为宽度基本一致的条形沟槽结构，顶部为进料口，底部为出料口。

动模板1、动模块5、定模板2、定模块11上分别设有温冷却流道接口13，便于实现对动模块5、定模块11间物料温度的控制。

本实施例中，模具在使用过程中用模温机控制模具温度，保持设定温度的恒定，示意图中省略了模具中的冷却、加热流道。装置中，在检测位置布置压力温度传感器7，提供实时压力，温度参数，并在对应位置布置超声探头6实时采集超声信号。该装置通过更换动模块来实现调节型腔的厚度的目的，通过调节型腔厚度，获得更多剪切速率与压力的实验条件组合，为实验提供更丰富的变量组合形式。

本发明，在定模块11部分，安装了压力温度传感器，用于检测注射过程中的温度与压力参数，在动模块5的对应位置，布置有超声探头，用于检测实验过程中的声速，幅值衰减，相位差等参数。

实验之前，将螺杆注射机中上一次实验留下的物料注射，直至注射的物料(gpps为例)稳定之后，开始实验。实验过程中，将模具表面温度设定120℃，使用螺杆注射机将物料从浇口6挤入，经过细水口浇道流入型腔，并从模具底部的开口处流出，待流动稳定之后，同步收集测试点的压力，温度，超声信号，并记录。

停止注射之后，开模将模具内的零件顶出，喷涂一定的脱模剂，准备下一次注射。

将模具表面的温度设定值调整为130℃，140℃，150℃，并重复上述步骤，将获得的压力，温度，超声信号记录。

通过实验，我们可以得到聚合物熔体(以gpps塑料为例)在不同温度(传感器测得的温度)，相同剪切速率(由注射速率(流量)和型腔几何结构换算得到)条件下的超声波的反馈信号，将超声波衰减系数与gpps的温度相关联。图4说明了在不同实验温度下，超声波的幅值变化与温度的关联，图5说明了在gpps冷却过程中，温度与超声信号的对应关系。由此可见，在实际生产过程中，我们可以将超声信号与温度关联起来，实时监控熔体的温度状态。