低温伸展流变仪的制作方法

本申请属于有高分子薄膜性能测试技术领域，尤其涉及一种低温伸展流变仪。

背景技术：

玻璃化转变温度是高分子材料的重要参数之一，一些典型的高分子材料如橡胶，往往玻璃化转变温度非常低，而理论上玻璃化转变温度是其使用的最低临界温度，据调研，鲜有低温下拉伸诱导橡胶结晶的报道；另一方面由于高分子材料的一些苛刻使用方式，如高空飞行的飞机的窗体密封胶、探月车的轮胎和南极科考队员的服饰，均涉及低温下的使用性能，以飞机窗体密封材料为例，如若选择不当，低温下发生结晶，则会丧失密封性能，造成不可估量的损失。显然，研制与结构检测实验站联用的低温伸展流变仪是首要任务。

虽然有关流动场诱导结晶已有大量积累，但是大都用于研究半晶高分子，如聚乙烯和聚丙烯等，而对于一些常见的合成橡胶而言，结晶温度往往在零下几十度附近，研究低温拉伸诱导橡胶结晶的原位研究至今还未见有报道。针对薄膜拉伸中结构演化行为与最终使用性能的关系。总结出它们在薄膜拉伸中的规律，比较不同高分子材料拉伸行为、结构演化动力学和形态的差异，揭示低温下高分子薄膜的物理问题并提出解决思路和方案。因此，目前急需研究一种能够对高分子薄膜低温性能进行测试的低温伸展流变仪。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种低温伸展流变仪及高分子薄膜低温性能测试的方法，本申请提供的低温伸展流变仪可模拟低温的苛刻环境，揭示低温条件下薄膜结构演化行为和使用性能的关系。

本申请提供了一种低温伸展流变仪，包括：

样品腔，设置在样品腔内的双辊夹具，所述双辊夹具包括第一辊夹具和第二辊夹具；

设置在样品腔外部的冷却腔，所述冷却腔与冷源相连通；

设置在冷却腔外部的真空腔，所述真空腔与抽真空装置相连；

与所述第一辊夹具相连，驱动所述第一辊夹具转动的第一电机；

与所述第二辊夹具相连，驱动所述第二辊夹具转动的第二电机；

设置在第一辊夹具和第一电机之间的扭矩传感器；

通过数据采集卡采集所述扭矩传感器产生的电压信号并将所述电压信号转换为力学信号的力学控制系统；

设置在所述样品腔内的测温仪；

与所述第一电机相连的第一电机驱动器，与所述第二电机相连的第二电机驱动器；

通过运动控制器控制第一电机驱动器和第二电机驱动器的电机控制系统。

优选的，所述样品腔包括样品腔体和与所述样品腔体对应设置的密封盖；

所述冷却腔包括冷却腔体和与所述冷却腔体对应设置的密封盖。

优选的，所述样品腔体和冷却腔体一体成型。

优选的，所述冷源为自增压液氮罐，所述自增压液氮罐通过液氮电磁阀与所述冷却腔的冷却介质入口相通。

优选的，所述真空腔的上表面设置有第一X射线透过窗口，下表面设置有第二X射线透过窗口；

所述样品腔的上表面设置有第三X射线透过窗口，下表面设置有第四X射线透过窗口；

所述第一X射线透过窗口、第二X射线透过窗口、第三X射线透过窗口和第四X射线透过窗口与待测样品的中心位置位于同一条直线。

优选的，还包括用于对第一X射线透过窗口除水的除水装置。

优选的，所述除水装置为风扇。

本申请还提供了一种高分子薄膜低温性能测试方法，包括：

将高分子薄膜夹紧于上述技术方案所述的低温伸展流变仪的双辊夹具中，开启冷源进行降温至预定温度，开启第一电机和第二电机使第一辊夹具和第二辊夹具反向转动使所述高分子薄膜进行拉伸，原位获得所述高分子薄膜的低温性能。

本申请还提供了一种高分子薄膜低温性能测试方法，包括：

将高分子薄膜夹紧于上述技术方案所述的低温伸展流变仪的双辊夹具中，开启冷源进行降温至预定温度，开启X射线使其透过第一X射线透过窗口、第二X射线透过窗口、第三X射线透过窗口和第四X射线对所述高分子薄膜进行照射，同时开启第一电机和第二电机使第一辊夹具和第二辊夹具反向转动使所述高分子薄膜进行拉伸，原位获得所述高分子薄膜的低温性能。

本申请提供的低温伸展流变仪可单独使用，通过冷源对薄膜样品进行降温至所需低温，模拟超低温极限环境下薄膜样品的耐寒性能，同时通过第一辊夹具和第二辊夹具的同时方向转动实现对薄膜样品的应变速率的精确控制，采集拉伸过程中扭矩的变化，原位检测低温拉伸过程中的高分子薄膜结构演化，探索高分子材料的低温使用性能。本申请提供的低温伸展流变仪也可以联合X射线散射使用，其与同步辐射宽角X射线散射实验站联用，原位研究高分子薄膜拉伸过程中结构演化行为与低温使用性能的关系。

本申请提供的低温伸展流变仪采用单轴辊拉的方式对薄膜样品进行拉伸，拉伸过程中始终拉伸两辊之间的部分，对于中心位置即X射线通过位置可保证一直处于拉伸状态，可不受应变大小的限制，拉伸至断裂，用于实验室中模拟低温下高分子薄膜拉伸的真实使用环境；本申请提供的低温伸展流变仪拉伸温度最低可降至-150℃，且降温速率可调，温度均匀并恒定；本申请提供的低温流变仪可以实现对薄膜样品的精确控温，且能实现薄膜样品表面温度的均匀性；本申请提供的低温拉伸流变仪扭矩量程范围大，具有多通道实时数据采集等特点，可以得到薄膜样品的形态结构信息如结晶度、取向度及流变信息(扭矩变化)，获得外场参数与薄膜结构演化的关系。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本申请提供的低温伸展流变仪的三维效果图；

图2是本申请提供的低温伸展流变仪的三维剖视效果图；

图3是本申请实施例提供的低温伸展流变仪的样品腔和冷却腔的三维效果图；

图4是本申请中实施例中聚甲基乙烯基硅氧烷样品在温度-50℃，应变速率为0.0053s^-1时的宽角X射线衍射花样；

图5是本申请实施例中聚甲基乙烯基硅氧烷样品应力-应变曲线与宽角X射线衍射花样的对应图；

图6是本申请实施例中聚甲基乙烯基硅氧烷样品乙烯基硅橡胶(1 1 1)晶面衍射峰位置强度随应变变化图。

具体实施方式

下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提供了一种低温伸展流变仪，包括：

样品腔，设置在样品腔内的双辊夹具，所述双辊夹具包括第一辊夹具和第二辊夹具；

设置在样品腔外部的冷却腔，所述冷却腔与冷源相连通；

设置在冷却腔外部的真空腔，所述真空腔与抽真空装置相连；

与所述第一辊夹具相连，驱动所述第一辊夹具转动的第一电机；

与所述第二辊夹具相连，驱动所述第二辊夹具转动的第二电机；

设置在第一辊夹具和第一电机之间的扭矩传感器；

通过数据采集卡采集所述扭矩传感器获得的电压信号并将所述电压信号转换为力学信号的力学控制系统；

设置在所述样品腔内的测温仪；

与所述第一电机相连的第一电机驱动器，与所述第二电机相连的第二电机驱动器；

通过运动控制器控制第一电机驱动器和第二电机驱动器的电机控制系统。

参见图1和图2，图1是本申请提供的低温伸展流变仪的三维效果图，图2是本申请提供的低温伸展流变仪的三维剖视效果图。其中，1是样品腔，2是冷却腔，3是真空腔，4是第一电机，5是第二电机，6是扭矩传感器，7是X射线光源。

本申请提供的低温伸展流变仪包括样品腔1，样品腔1内设置有双辊夹具(未在图中示出)，双辊夹具用于固定薄膜样品并对其进行拉伸。所述双辊夹具包括第一辊夹具和第二辊夹具，第一辊夹具用于固定薄膜样品的一端，第二辊夹具用于固定薄膜样品的另一端，第一辊夹具和第二辊夹具同时反向转动，即可实现对薄膜样品的单轴双辊拉伸，拉伸时样品中心位置保持不变。在一个实施例中，冷却腔1包括样品腔体和与所述样品腔体对应设置的密封盖12。在一个实施例中，所述第一辊夹具和第二辊夹具经过喷砂处理。

样品腔1外部设置有冷却腔2，冷却腔2与冷源(未在图中示出)相连通。冷却腔2的作用在于对样品腔1进行降温处理，以便实现对薄膜样品低温性能的检测。在一个实施例中，冷却腔包括冷却腔体和与所述冷却腔体对应设置的密封盖22。

在一个实施例中，样品腔1和冷却腔2一体成型，参见图3，图3为本申请实施例提供的低温伸展流变仪的样品腔和冷却腔的三维效果图，其中，23为冷却介质入口，24为冷却介质出口。在本实施例中，冷却腔2由包围在样品腔1外部的流道形成，并设置有冷却介质入口23和冷却介质出口24，通过冷却介质的循环实现对样品腔1的降温。

在一个实施例中，样品腔1和冷却腔2为不锈钢一体成型。

在一个实施例中，冷源为自增压液氮罐，所述自增压液氮罐通过液氮电磁阀与所述冷却腔2的冷却介质入口23相通。本申请可以通过控制自增压液氮罐流量大小以及液氮电磁阀的通断来控制降温速率和温度，与此同时样品腔中通入干燥氮气，使温度均匀。液氮作为冷源能够迅速降至较低温度，最低可低至-150℃，且液氮在常温容器中保存时间也较长，满足整个拉伸过程温度恒定。

冷却腔2外部设置有真空腔3，真空腔3与抽真空装置(未在图中示出)相连。真空腔3的作用在于为样品腔1提供非空气环境，并随着抽真空装置的运行带走水蒸气，以免其凝结成霜。在一个实施例中，抽真空装置为微型真空泵。

在一个实施例中，真空腔3的上表面设置有第一X射线透过窗口31，下表面设置有第二X射线透过窗口32；样品腔1的上表面设置有第三X射线透过窗口13，下表面设置有第四X射线透过窗口14；第一X射线透过窗口31、第二X射线透过窗口32、第三X射线透过窗口13和第四X射线透过窗口14与待测样品的中心位置位于同一条直线。本申请在真空腔3和样品腔1与样品中心位于一条直线的上下表面设置有X射线透过窗口，便于X射线散射对薄膜样品进行处理，从而实现低温流变仪与X射线联合检测薄膜低温性能。

在一个实施例中，所述X射线透过窗口的材质为聚酰亚胺，不影响密封性又不影响X射线透过性能。

本申请提供的低温伸展流变仪还包括与所述第一辊夹具相连，驱动所述第一辊夹具转动的第一电机4和与所述第二辊夹具相连，驱动所述第二辊夹具转动的第二电机5。第一电机4和第二电机5的作用在于以连续可调的速度驱动第一辊夹具和第二辊夹具反向转动，实现对不同薄膜样品对拉伸应变速率的响应，并且不受样品腔体积的限制。第一个实施例中，电机为高精度伺服电机。

本申请提供的低温伸展流变仪还包括设置在第一辊夹具和第一电机之间的扭矩传感器6，以及通过数据采集卡采集所述扭矩传感器产生的电压信号并将所述电压信号转换为力学信号的力学控制系统(未在图中示出)。扭矩传感器随着第一辊夹具的转动而转动，作用在于在薄膜样品伸展流变过程中产生不同的电压信号，力学控制系统通过数据采集卡采集所述电压信号并将其转换为力学信号。在第一个实施例中，所述数据采集卡为美国国家仪器公司生产的NI-USB6008数据采集卡，所述力学控制系统为LabVIEW软件控制系统。

本申请提供的低温伸展流变仪还包括与所述第一电机相连的第一电机驱动器，与所述第二电机相连的第二电机驱动器，以及通过运动控制器控制第一电机驱动器和第二电机驱动器的电机控制系统。电机控制系统控制两个电机驱动器驱动两个电机同时反向转动，从而实现对薄膜样品的伸展流变。在一个实施例中，所述电机控制系统为MPE720软件控制系统。

在一个实施例中，本申请提供的低温伸展流变仪还包括减速机，用于与电机配合控制应变速率。

本申请提供的低温伸展流变仪还包括设置在所述样品腔内的测温仪，测温仪可显示实时温度。在一个实施例中，测温仪为高精度测温仪。

本申请提供的低温伸展流变仪还包括用于对第一X射线透过窗口除水的除水装置。在一个实施例中，所述除水装置为风扇。由于内外温差较大，除水装置吹走前后窗口的外部水汽，保证检测精度。在一个实施例中，在真空腔第一X射线透过窗口周围配置两台风扇，额定1000转/min。

本申请提供的低温伸展流变仪可单独使用，通过冷源对样品进行降温至所需低温，模拟超低温极限环境下薄膜样品的耐寒性能，同时通过第一辊夹具和第二辊夹具的同时方向转动实现对薄膜样品的应变速率的精确控制，采集拉伸过程中扭矩的变化，原位检测低温拉伸过程中的高分子薄膜结构演化，探索高分子材料的低温使用性能。

本申请提供的低温伸展流变仪也可以联合X射线散射使用，其与同步辐射宽角X射线散射实验站联用，原位研究高分子薄膜拉伸过程中结构演化行为与低温使用性能的关系。

本申请还提供了一种高分子薄膜低温性能测试方法，包括：

将高分子薄膜夹紧于上述技术方案所述的低温伸展流变仪的双辊夹具中，开启冷源进行降温至预定温度，开启第一电机和第二电机使第一辊夹具和第二辊夹具反向转动使所述高分子薄膜进行拉伸，获得所述高分子薄膜的低温性能。

具体而言，其具体实验步骤为：

步骤1、将电机驱动器分别与电机连接，然后接入运动控制器上，运动控制器与电机软件控制系统连接，扭矩传感器与力学控制系统连接；打开测温仪测定实时温度，然后开启电源；

步骤2、在双辊夹具中装夹高分子薄膜样品，密封后开启抽真空装置；

步骤3、打开电机控制系统界面，设定电机应变速率和应变，同时打开力学控制系统界面，等待采集力学信号；

步骤4、打开冷源，待高分子薄膜样品达到预定温度时，关闭冷源，开启电机，对高分子薄膜样品实施拉伸，同时记录拉伸过程中扭矩变化以及拉伸过程中高分子薄膜样品结构演化，一旦温度上升，立即开启冷源降温；

步骤5、通过对不同高分子薄膜样品实施不同应变速率和应变，系统研究高分子参数以及外场参数对薄膜结构演化的影响，将这些数据耦合起来最终获得该高分子的低温使用性能。

具体而言，在不与X射散射联用时，扭矩传感器采集高分子薄膜样品的电压-时间曲线，并通过力学控制软件转化为应力-应变曲线，得到不同样品，不同外场参数对薄膜拉伸流变性能的影响。

本申请还提供了一种高分子薄膜低温性能测试方法，包括：

将高分子薄膜夹紧于上述技术方案所述的低温伸展流变仪的双辊夹具中，开启冷源进行降温至预定温度，开启X射线使其透过第一X射线透过窗口、第二X射线透过窗口、第三X射线透过窗口和第四X射线对所述高分子薄膜进行照射，同时开启第一电机和第二电机使第一辊夹具和第二辊夹具反向转动使所述高分子薄膜进行拉伸，获得所述高分子薄膜的低温性能。

具体而言，其具体实验步骤为：

步骤1、将电机驱动器分别与电机连接，然后接入运动控制器上，运动控制器与电机软件控制系统连接，扭矩传感器与力学控制系统连接；打开测温仪测定实时温度，然后开启电源；

步骤2、在双辊夹具中装夹高分子薄膜样品，密封后开启抽真空装置；

步骤3、打开电机控制系统界面，设定电机应变速率和应变，同时打开力学控制系统界面，等待采集力学信号；

步骤4、打开冷源，待高分子薄膜样品达到预定温度时，关闭冷源，开启X射线光源，开启电机，对高分子薄膜样品实施拉伸，同时记录拉伸过程中扭矩变化以及拉伸过程中高分子薄膜样品结构演化，一旦温度上升，立即开启冷源降温；

步骤5、通过对不同高分子薄膜样品实施不同应变速率和应变，系统研究高分子参数以及外场参数对薄膜结构演化的影响，将这些数据耦合起来最终获得该高分子的低温使用性能。

在与X射散射联用时，扭矩传感器采集高分子薄膜样品的电压-时间曲线，并通过力学控制软件转化为应力-应变曲线，并与X射线散射得到的薄膜样品的结晶度、取向度与拉伸力学数据耦合可以得到外场参数与薄膜结构性能的关系。

本申请提供的低温伸展流变仪采用单轴辊拉的方式对薄膜样品进行拉伸，拉伸过程中始终拉伸两辊之间的部分，对于中心位置即X射线通过位置可保证一直处于拉伸状态，可不受应变大小的限制，拉伸至断裂，用于实验室中模拟低温下高分子薄膜拉伸的真实使用环境；本申请提供的低温伸展流变仪拉伸温度最低可降至-150℃，且降温速率可调，温度均匀并恒定；本申请提供的低温流变仪可以实现对薄膜样品的精确控温，且能实现薄膜样品表面温度的均匀性；本申请提供的低温拉伸流变仪扭矩量程范围大，具有多通道实时数据采集等特点，可以得到薄膜样品的形态结构信息如结晶度、取向度及流变信息(扭矩变化)，获得外场参数与薄膜结构演化的关系。另外，本申请提供的低温伸展流变仪容易拆卸和安装，且可以与X射线试验站联用。

以下结合实施例对本申请提供的低温伸展流变仪及高分子薄膜低温性能测试的方法进行进一步说明。

实施例1

一种低温伸展流变仪，包括：

样品腔，设置在样品腔内的双辊夹具，所述双辊夹具包括第一辊夹具和第二辊夹具，第一辊夹具和第二辊夹具均经过喷砂处理；

设置在样品腔外部的冷却腔，所述冷却腔与冷源相连通；冷源为自增压液氮罐，自增压液氮罐通过液氮电磁阀与所述冷却腔的冷却介质入口相通；

设置在冷却腔外部的真空腔，所述真空腔与微型真空泵相连；

与所述第一辊夹具相连，驱动所述第一辊夹具转动的第一高精度伺服电机；

与所述第二辊夹具相连，驱动所述第二辊夹具转动的第二高精度伺服电机；

设置在第一辊夹具和第一电机之间的扭矩传感器；

通过数据采集卡采集所述扭矩传感器产生的电压信号并将所述电压信号转换为力学信号的LabVIEW软件控制系统；

设置在所述样品腔内的高精度测温仪；

与所述第一高精度伺服电机相连的第一电机驱动器，与所述第二高精度伺服电机相连的第二电机驱动器；

通过运动控制器控制第一电机驱动器和第二电机驱动器的MPE720软件控制系统；

真空腔的上表面设置有第一X射线透过窗口，下表面设置有第二X射线透过窗口；

所述样品腔的上表面设置有第三X射线透过窗口，下表面设置有第四X射线透过窗口；

所述第一X射线透过窗口、第二X射线透过窗口、第三X射线透过窗口和第四X射线透过窗口与待测样品的中心位置位于同一条直线；

真空腔装置前后各配有USB风扇一枚，额定1000转/分钟。

实验时先装夹样品，密封好之后开启自增压液氮罐和液氮电磁阀阀门，待温度达到所需温度时，打开LabVIEW软件控制系统，开启X射线光源，同时开启MPE720电机控制系统对样品实施伸展流变。

实施例2

2.1实验实例：

同步辐射X射线原位研究超低温下应变诱导聚甲基乙烯基硅氧烷结晶。

2.2实验目的：

硅橡胶作为典型的低温弹性体，常用品种的玻璃化转变温度往往在-100℃以下，其低温下的使用性能目前只停留在简单的低温力学性能研究阶段；X射线作为晶体学研究的重要手段之一，是高分子材料研究领域必不可少的表征方法，随着同步辐射X射线的发现和应用，检测时间分辨从过去几十小时缩短到毫秒量级；低温下拉伸是否可诱导其结晶对其低温使用性能有着指导意义。

2.3实验过程：

将剪裁好的聚甲基乙烯基硅氧烷样品装夹在双辊夹具上，密封好之后开启自增压液氮罐和液氮电磁阀阀门，温度设定-20℃、-30℃、-40℃和-50℃，打开氮气瓶向样品腔内通入干燥氮气，同时打开微型真空泵对腔体进行抽真空，外部USB风扇电源打开，不停地带走空气中的水蒸气；MPE720软件控制系统设置电机转速，对应应变速率为0.0053s^-1，打开LabVIEW软件控制系统，开启X射线光源，同时开启MPE720电机控制系统对样品实施伸展流变。

2.4实验结果：

结果参见图4、图5和图6。

图4是本申请中实施例中聚甲基乙烯基硅氧烷样品在温度-50℃，应变速率为0.0053s^-1时的宽角X射线衍射花样，左上方红色字体为对应的应变，从图中可以看出，初始样品只有一个环，为典型的橡胶无定型环，随着拉伸的进行，样品逐渐发生取向，并且在这个环外部出现两个新环，对应单斜晶体的出现。

图5是本申请实施例中聚甲基乙烯基硅氧烷样品应力-应变曲线与宽角X射线衍射花样的对应图，由图5可知，样品结晶的同时，力学曲线也发生陡增，这是由于结晶后聚甲基乙烯基硅氧烷样品结构变得更加规整，模量变高导致的。

图6是本申请实施例中聚甲基乙烯基硅氧烷样品乙烯基硅橡胶(1 1 1)晶面衍射峰位置强度随应变变化图，定义强度陡增的转折点为晶体出现的应变点。由图6可以清晰地看出聚甲基乙烯基硅氧烷样品结晶后无定型环的峰位发生了微小的偏移，同时在17°和20°左右的位置上出现新的衍射峰，查阅有关文献知此结构为聚甲基乙烯基硅氧烷的单斜晶型；同时，结晶出现的应变得以定量化，取特征峰做强度随应变变化图可以看出力学信号的转折点对应着晶体结构的形成。

2.5实验结论：

利用本申请提供的低温伸展流变仪，结合同步辐射在线X射线技术，方便地获得了低温下高分子材料尤其是弹性体材料的结晶度、取向度和结晶动力学等结构演化信息。结合同步辐射X射线的实验结果推断，在-50℃对其进行在线宽角X射线衍射(WAXD)拉伸实验，相比于常温拉伸只有无定型弥散环的高度取向，低温下的拉伸结果显示在大应变下会出现三个晶体衍射环，通过晶体结构分析得知应变诱导生成了单斜晶体，同时对应的应力-应变曲线出现应力的陡增。此研究首次实现了硅橡胶超低温下在线WAXD拉伸实验，为其加工和低温使用性能提供了理论指导。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。