一种热塑性塑料气体渗透性的表征方法及辅助测试装置与流程

本发明属于热塑性塑料性能研究领域，具体涉及一种热塑性塑料气体渗透性的表征方法及辅助测试装置。

背景技术：

1、热塑性塑料具有耐腐蚀、质轻、柔性、易于加工成型等优点，已被广泛应用于气体储运领域，如作为复合材料储氢气瓶的内胆、油气输送管道或内衬。气体渗透性是热塑性塑料自身固有的特性，无法完全消除；因此在实际应用过程中必须针对气体渗透性进行选材，以避免发生内胆/内衬坍塌、鼓泡、压力容器破裂等失效。

2、目前被广泛采用的热塑性塑料气体渗透性评价方法可以分为两类：一类是基于压差法，在极低气体压力条件下测试薄膜/薄片试样的渗透系数。由于在实际服役条件下，高气压、大厚度以及材料形变都会造成气体渗透行为的差异，因此尽管上述测试获得的渗透系数可以表征材料的自身特性，但是无法直接应用于高压、大厚度的储罐和管道。通过特殊装置可以实现高压(10mpa)、高温(200℃)、大厚度(8mm)测试，测试条件与实际条件吻合程度高，但是测试装置复杂、测试周期长(高温时数十个小时)。另一类方法是实物试验，在实验室内建立模拟服役工况条件，试样为实际制品，原则上可以获得制品在服役状态下的真实气体渗透行为参数。但是这种方法的测试装置十分复杂，对密封和防护的要求很高，试样准备周期长，测试周期漫长(如1年)；而且测试结果受到多种因素的影响，因此对结果的进一步解释困难，而且存在测试结果偏离实际、重现性差、不同机构测试结果无法对比的风险和缺点。因此，基于上述两类方法，无法快速、简便地获取表征热塑性塑料制品在实际服役状态下(高温、高气压、大厚度、压缩变形)的气体渗透性表征参数。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供本一种气体渗透性表征方法：通过测试超声波纵波声速表征热塑性塑料制品在实际服役条件下的气体渗透性，可以依据本征声速定性比较热塑性塑料制品在服役条件下的气体渗透性；通过建立本征声速同标准方法测试的气体渗透数据之间的数学模型，定量描述热塑性塑料材质的气体渗透性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种热塑性塑料气体渗透性的表征方法，包括以下步骤：

3、s1，测试试样在室温t1、无压缩状态下的超声波声速v1；

4、s2，测试试样在高温t2、无压缩状态下的超声波声速v2；

5、s3，测试试样在室温t1、压缩状态下的超声波声速v3，压强为p1；

6、s4，测试试样在高温t2、压缩状态下的超声波声速v4，压强为p1；

7、s5，计算本征声速v0，v0＝2v1-v2-v3+v4；

8、s6，定性表征：对于成品质量检测或选材需要快速对比气体渗透性的情况，使用v0直接表征研究的热塑性塑料制品在指定服役温度和受压条件下的气体渗透性，v0数值高表示气体渗透性低；

9、s7，定量表征：对于需要测试研究的热塑性塑料在设定服役条件下的气体渗透数据时，依据标准试验方法获取气体渗透数据，并建立其同v0的数学模型，定量表征研究的热塑性塑料制品的材质在指定服役温度、内压以及气体种类条件下的气体渗透性。

10、超声波为频率范围2mhz～5mhz的纵波。

11、标准试验方法所获取气体渗透数据与v0的数学模型为：

12、p＝a*exp(v0/b)+c

13、p为测试获得渗透系数，a、b、c为与气体相关的系数。

14、本发明还提供一种热塑性塑料气体渗透性的辅助测试装置，包括测试夹具、加载系统、加热保温系统以及超声测试系统，加载系统采用压力试验机或万能试验机；测试夹具用于夹持试样，测试夹具包括第一压盘和第二压盘，加热保温系统用于为试样建立测试需要的温度环境；超声测试系统包括超声换能器和超声波发生器；超声换能器固定在测试夹具上，用于发射和接收超声波，超声波发生器用于控制超声换能器、采集超声波信号、计算声速，超声换能器与待测试样的一个表面接触；测试夹具、试样以及超声换能器均设置在加热保温系统内。

15、超声换能器使用频率范围2mhz～5mhz的纵波超声换能器。

16、超声波发生器采用超声波探伤仪、信号发生器或示波器。

17、第一压盘或第二压盘上开设用于安装超声换能器的孔。

18、加热保温系统采用高低温箱或电加热套。

19、还包括用于监测试样温度的温度传感器。

20、加热保温系统采用带有加热装置和保温层的柔性套管，所述柔性套管内布置有温度传感器。

21、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

22、本发明的表征方法基于超声波测试技术，可以快速表征热塑性塑料在设定温度和设定压力服役状态下的气体渗透性；本发明的测试装置基于相关行业的实际已有的成熟技术手段，简单且易于实现；本发明的测试过程不使用压缩气体，安全性高；基于本发明所述方法建立本征声速同标准方法测试的气体渗透数据之间的数学模型，定性描述热塑性塑料材质的气体渗透性；通过测试超声波纵波声速表征热塑性塑料制品在实际服役条件下的气体渗透性，可以依据本征声速定量比较热塑性塑料制品在服役条件下的气体渗透性。

技术特征：

1.一种热塑性塑料气体渗透性的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的热塑性塑料气体渗透性的表征方法，其特征在于，超声波为频率范围2mhz～5mhz的纵波。

3.根据权利要求1所述的热塑性塑料气体渗透性的表征方法，其特征在于，标准试验方法所获取气体渗透数据与v0的数学模型为：

4.一种热塑性塑料气体渗透性的辅助测试装置，其特征在于，包括测试夹具(2)、加载系统(3)、加热保温系统(4)以及超声测试系统(5)，加载系统(3)采用压力试验机或万能试验机；测试夹具(2)用于夹持试样(1)，测试夹具(2)包括第一压盘和第二压盘，加热保温系统(4)用于为试样(1)建立测试需要的温度环境；超声测试系统(5)包括超声换能器(52)和超声波发生器(51)；超声换能器固定在测试夹具(2)上，用于发射和接收超声波，超声波发生器用于控制超声换能器、采集超声波信号、计算声速，超声换能器与待测试样的一个表面接触；测试夹具(2)、试样(1)以及超声换能器均设置在加热保温系统(4)内。

5.根据权利要求4所述的辅助测试装置，其特征在于，超声换能器使用频率范围2mhz～5mhz的纵波超声换能器。

6.根据权利要求4所述的辅助测试装置，其特征在于，超声波发生器采用超声波探伤仪、信号发生器或示波器。

7.根据权利要求4所述的辅助测试装置，其特征在于，第一压盘或第二压盘上开设用于安装超声换能器(52)的孔。

8.根据权利要求4所述的辅助测试装置，其特征在于，加热保温系统(4)采用高低温箱或电加热套。

9.根据权利要求4所述的辅助测试装置，其特征在于，还包括用于监测试样温度的温度传感器。

10.根据权利要求4所述的辅助测试装置，其特征在于，加热保温系统(4)采用带有加热装置和保温层的柔性套管，所述柔性套管内布置有温度传感器。

技术总结
本发明公开一种热塑性塑料气体渗透性的表征方法及辅助测试装置，通过测试超声波纵波声速表征热塑性塑料制品在实际服役条件下的气体渗透性，实际服役条件通过辅助测试装置实现，加载系统加载受力条件，测试夹具用于夹持试样，加热保温系统用于为试样建立测试需要的温度环境；超声测试系统包括超声换能器和超声波发生器；超声换能器固定在测试夹具上，用于发射和接收超声波；超声波发生器用于控制超声换能器、采集超声波信号、计算声速，超声换能器与待测试样的一个表面接触；可以依据本征声速定性比较热塑性塑料制品在服役条件下的气体渗透性；通过建立本征声速同标准方法测试的气体渗透数据之间的数学模型，描述热塑性塑料材质的气体渗透性。

技术研发人员：丁楠,张冬娜,邵晓东,齐国权,李厚补,戚东涛
受保护的技术使用者：中国石油天然气集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15