用于测量聚合物成型过程中分子结晶度的装置及测量方法

1.本发明属于聚合物分子结晶测量相关技术领域，更具体地，涉及一种用于测量聚合物成型过程中分子结晶度的装置及测量方法。


背景技术：

2.在聚合物成型过程中，由于溶体冷却，聚合物分子链在倾向于热力学稳定状态而形成的有序结构，也即晶态结构，聚合物分子在结晶显著影响聚合物产品的力、热、光、电等重要性能，因此聚合物成型过程中的分子结晶测量对于实现聚合物产品的高性能化具有重大意义。目前，常见的聚合物分子结晶测量方法主要有密度法，红外光谱，dsc法，核磁共振(nmr)，x射线衍射(xrd)等，其中，很难确定nmr计算的结晶度是否与聚合物的取向状态(一种有序结构)有关，或者它是否仅描述了分子的取向状态。密度法由于测密度的液体不能完全渗透到非结晶区域，所以得到的结晶度不精确。x射线散射基于布拉格散射，无法区分结晶区与非结晶区，测量的结晶度有误差。因此现有技术无法实现多个方向上结晶值得测量，亟需设计一种用于测量聚合物成型过程中结晶的装置。


技术实现要素：

3.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于测量聚合物成型过程中分子结晶度的装置及测量方法，可以实现多个方向上结晶度的测量，抗干扰能力强，尤其适用于骤冷骤热的工况，非常适用于工业化应用。
4.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于测量聚合物成型过程中分子结晶度的装置，所述装置包括叉指电极、与叉指电极连接的复介电常数测量模块以及与复介电常数测量模块连接的结晶度计算模块，其中，所述结晶度计算模块根据以下公式获得所述叉指电极检测处对应的聚合物的结晶度δχi：
[0005][0006]
其中，δvi为晶体区域的体积分数，εr为复介电常数测量模块测量得到的待测聚合物的相对介电常数，ε
ri
为聚合物完全结晶时的相对介电常数，ε
rj
为聚合物完全非结晶时的相对介电常数；ρi为结晶区密度，ρj为非结晶区密度，constant为经验常数。
[0007]
优选地，所述叉指电极为多个，多个叉指电极均匀间隔布置或阵列布置于基板上。
[0008]
优选地，所述叉指电极的材料导电材料，所述基板的材料为刚性玻璃、fr4或柔性聚酰亚胺。
[0009]
优选地，所述叉指电极的熔点大于待测聚合物的熔点。
[0010]
优选地，所述叉指电极的数量为偶数个，两两垂直布置。
[0011]
优选地，所述聚合物完全结晶时的相对介电常数和聚合物完全非结晶时的相对介电常数采用分子动力学计算或者基于介电测量实验进行外推的方法得到。
[0012]
本技术另一方面提供了一种上述用于测量聚合物成型过程中分子结晶度的装置的测量方法，所述测量方法包括将所述叉指底电极安装于聚合物成形模具型腔上并使所述叉指电极突出于所述聚合物模具型腔壁，采用结晶度计算模块计算每个叉指电极对应位置和方向上的结晶度。
[0013]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的用于测量聚合物成型过程中分子结晶度的装置及测量方法主要具有以下有益效果：
[0014]
1.本技术叉指电极结构简单，单面接触测量聚合物安装方便，结合复介电常数测量模块和结晶度计算模块，可以获取各种聚合物分子结晶度的测量，尤其适用于骤冷骤热的工作状态。
[0015]
2.本技术的结晶度计算模块基于聚合物介电常数的测量实现结晶度的计算，一方面聚合物介电常数易于获得，另一方面聚合物介电常数值准确不易受外界环境的影响，结构稳定性高，进而计算得到的结晶度精度高。
[0016]
3.本技术的装置可以安装在表面结构复杂的聚合物成型腔内壁面，不受模腔表面结构的影响，灵活度高适应性广，同时可以实现聚合物分子结晶的无损在线检测，且具有高精度，即可以准确辨别结晶区与非结晶区。
[0017]
4.本技术的叉指电极材料和基底材料的熔点明显高于聚合物的熔点，结构稳定，可以长时间保持均一的稳定性。
附图说明
[0018]
图1是用于测量聚合物成型过程中分子结晶度的装置的结构示意图；
[0019]
图2是叉指电极单元的结构示意图；
[0020]
图3是相互垂直的叉指电极单元的结构示意图；
[0021]
图4是相互垂直的叉指电极单元的应用场景示意图。
[0022]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0023]
100-叉指电极阵列；110-叉指电极；120-基板；200-复介电常数测量模块；300-结晶度计算模块；500-激光；600-自动纤维铺放平台。
具体实施方式
[0024]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025]
本发明提供的一种用于测量聚合物成型过程中分子结晶度的装置，如图1和图2所示，该装置包括叉指电极110、复介电常数测量模块200和结晶度计算模块300。复介电常数测量模块与叉指电极相连，用于测量待测对应方向上聚合物分子的相对介电常数。结晶度计算模块与复介电常数测量模块相连，所述结晶度计算模块根据以下公式获得所述叉指电
极检测处对应的聚合物的结晶度δχi：
[0026][0027]
其中，δvi为晶体区域的体积分数，εr为复介电常数测量模块测量得到的待测聚合物的相对介电常数，ε
ri
为聚合物完全结晶时的相对介电常数，ε
rj
为聚合物完全非结晶时的相对介电常数；ρi为结晶区密度，ρj为非结晶区密度，constant为经验常数。
[0028]
材料发生结晶后，则材料的介电常数将发生变化：
[0029]
ε
*
＝ε-jε
′
＝ε
r-jεr′
ε0[0030]c*
＝ε
r-jεr′
c0＝c
mmut-j1/r
mut
ω
[0031]
其中，ε
*
为待测材料的复介电常数，ε为复介电常数实部部分，ε
′
为复介电常数虚部部分，j为复数中的虚数单位，εr为相对介电常数，εr′
为相对介电损耗，ε0为真空中的介电常数，c
*
为材料结晶时的电容的复数表达形式，c0为叉指电极位于真空中的电容，c
mut
为由复介电常数测量模块得到的实时电容，r
mut
为由复介电常数测量模块得到的实时电阻，ω为测量时的电场频率。
[0032]
复介电常数测量模块根据实时电容获得待测聚合物的相对介电常数，具体的计算公式为：
[0033]
所述叉指电极为多个，多个叉指电极均匀间隔布置或阵列布置于基板120上形成叉指电极阵列100，当然也不限于此，叉指电极可以根据实际情况大量布置，可以测量不同位置，不同方向的结晶情况。实际应用中，由于连续碳纤维的存在，所以导致待测聚合物结晶度在沿着纤维方向和垂直与于纤维方向的结晶度存在差别，因次，可以布置多对叉指电极，来测量不同方向上的结晶度。当叉指电极个数n大于1时，可以获得多个位置或方向上的信息，例如，0
°
，45
°
，90
°
，135
°
等。
[0034]
进一步优选的方案中，所述叉指电极的材料导电材料，所述基板的材料为刚性玻璃、fr4或柔性聚酰亚胺。
[0035]
进一步优选的方案中，所述叉指电极的熔点大于待测聚合物的熔点，叉指电极的材料优选为黄铜。
[0036]
进一步优选的方案中，所述叉指电极110的数量为偶数个，两两垂直布置，如图3和图4所示。
[0037]
所述聚合物完全结晶时的相对介电常数ε
ri
和聚合物完全非结晶时的相对介电常数ε
rj
可以采用分子动力学计算或者基于介电测量实验进行外推的方法得到。
[0038]
本技术另一方面提供了一种用于测量聚合物成型过程中分子结晶度的装置的测量方法，所述测量方法包括将所述叉指底电极安装于聚合物成形模具型腔上并使所述叉指电极突出于所述聚合物模具型腔壁，采用结晶度计算模块计算每个叉指电极对应位置和方向上的结晶度。
[0039]
本实施例的待测聚合物为聚醚醚酮(peek)，采用激光加热的方式进行熔融，该方式具有骤冷骤热的特点，同时碳纤维沿轴向导热很快，满足结晶情况复杂的条件。
[0040]
将叉指电极110与复介电常数测量模块200和结晶度计算模块300连接好后，叉指电极110安装于铺放平板上，具体的可以在聚铺放平板上开槽，将叉指电极110埋入铺放平板，使得叉指电极110的表面微突出于铺放平板平面。具体的，将至少一个叉指电极安装在自动纤维铺放平台600的平台上，这样在激光500加热时，能保证传感器叉指电极与高温聚合物peek熔体接触。
[0041]
然后执行聚合物成型加工步骤，使得叉指电极110与待测聚合物材料接触，自动纤维铺放平台600开始加热和冷却，激光500的开启和关闭产生大量热量，此时叉指电极与聚合物熔体接触，peek在冷却过程中的介电性质发生改变，测得的介电常数值也随之发生变化。
[0042]
根据预设的采样周期定时对复介电常数测量模块200的输出介电值进行采集得到测量点处聚合物熔体两个方向上的介电数值。
[0043]
所述结晶度计算模块300根据如下公式获得电极对应方向上结晶值组成的结晶度δχi：
[0044][0045]
待测聚合物(peek)结晶区域的体积分数δvi，结晶区域与非结晶区域的密度比k，均由叉指电极测量的聚合物(peek)相对介电常数(εr)，外推值聚合物完全结晶时的相对介电常数(ε
ri
)和聚合物完全非结晶时的相对介电常数(ε
rj
)计算得来。
[0046]
本技术提供了一种用于测量聚合物成型过程中分子结晶度的装置及测量方法，本技术可以实现多个方向上结晶度的测量，抗干扰能力强，非常适用于工业化制备和应用。
[0047]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。