一种集散射、显微于一体的流变原位在线测试系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高分子材料流变性能测试领域，具体涉及到一种流变性能原位在线测试系统，特别涉及到一种集散射、显微于一体的流变原位在线测试系统。
【背景技术】
[0002]流变性是高分子材料在应力作用下产生的弹性、塑性和粘性形变的行为，高分子材料的流变性数据是其成型加工中最基本的工艺参数，对原料的选择和使用、成型最优工艺条件的确定、成型设备和模具的设计及提高制品的质量都有重要的作用。当前高分子材料正向功能化和专用化方向发展，而以快捷的方法和最少的样品解决加工性能问题是新材料开发的关键。
[0003]采用流变仪对材料进行流变特性的测定，是一种通过模拟实际生产工艺进行试验的测试方法，具有快速、高效、准确可靠的优点，在研宄开发和质量控制方面，流变测试已经成为不可或缺的方法手段。通过流变仪可以:研宄聚合物共混过程，深入了解聚合物共混过程中的微观形态发展；研宄加工条件变化与材料流动性质及制品力学性能之间的关系；研宄材料流动性质与分子结构及组分结构之间的关系；研宄异常的流动现象如挤出胀大现象、熔体破裂现象发生的规律、原因以及克服方法等等。然而，制品的宏观性能往往是聚合物微观结构的综合体现，单一宏观现象的研宄并不能深入地揭示聚合物内部的微观结构，对于更好地解释聚合物材料宏观性能和微观结构之间的关系尚存在一定的不足。为了更好的理解材料微观结构和宏观性能之间的关系，研宄人员的重点开始从宏观向微观结构方向转移并深入。目前流变测试系统都只能在获得流变性能结果的同时得到“冻结”后的聚合物样品，然后再进行相应的表征，无法对冻结前或冻结过程中的聚合物的结构与形态进行表征。通过将流变系统和其他的辅助系统如光学技术相结合，从宏观和微观两方面对聚合物进行研宄，对聚合物的流变性能测试过程进行原位在线跟踪，对于揭示聚合物材料微观结构和宏观性能之间的关系具有重要意义。
[0004]光学技术是研宄物质微观结构的有效手段，如果能够将光学检测技术和流变系统有机组合在一起，实现材料的原位在线检测研宄，将有助于对聚合物微观结构与宏观性能的理解。光散射技术是一种较好的无损检测材料内部不均匀性的方法，将流变系统与光散射技术相结合制造了流变光学测试系统。流变光学测试系统对由于流动使样品中组分扭曲或偏转，通过测量光与流动物质的相互影响来确定物质结构的各向异性，进而可以获得其微观特性。流变光学测试系统可以检测剪切或者拉伸对样品微观结构的影响以及流动介质的微观结构变化；可以观察剪切诱导的结构变化或者聚合物共混物的结晶过程，实现结构参数与流变参数的同时检测。
[0005]除光散射技术外，显微成像技术是目前少数可以直观地对材料同时进行观察和测量的方法，利用显微成像技术除物质尺寸外，还可以对物质的形状、结构以及表面形貌进行观察和检测。显微镜与流变系统相结合组成了另一种光学流变测试系统，能够在进行流变测量的同时进行材料内部结构的直接观察，更好地研宄聚合物微观结构在剪切条件下的变化，结合显微镜和流变学方法，可以对剪切和形变对样品结构的影响进行研宄。
[0006]流变系统和光学技术相结合可以对聚合物的宏观性能和微观结构间的关系进行研宄，但是目前的仪器都存在某些不足。显微镜与流变系统相结合，虽然能够在进行流变测量的同时进行材料内部结构的观察，从而确定其结构性质，但是其本身也具有一定的局限性:安东帕公司在MCR流变仪的基础上，将显微镜安装到流变仪上，实现了对样品在剪切流动过程中微观形貌的观察和检测，但是显微镜观察的范围有限，对于聚合物更小尺寸的结构显示不明显；光散射技术与流变系统的结合使用，同样存在着某些缺陷=Yoshiaki等制造了一台兼具小角中子散射技术和流变测量的仪器(Yoshiaki TAKAHASHI, Masahiro NODA, Masanori NARUSE, Toshiji KANAYA, HiroshiWATANBE, Tadashi KATO, Masayuki IMAI, Yushu MATSUSHITA.Apparatus for smal1-angleneutron scattering and rheological measurements under sheared condit1ns.NIHONREOROJI GAKKAISHI, 2000, 28:187-191)，该装置除了可以进行稳定剪切速率方面的研宄，对于大多数复杂流体的蠕变、应力松弛现象都能够获得很好的研宄效果，但不能直观的观察样品微观形貌，所检测的范围有限。中科院化学所韩志超课题组发明并制造了一台椎板剪切流变装置(Charles C.Han, Yonghua Yao, Ruoyu Zhang, Erik K.Hobbie.Effectof shear flow on mult1-component polymer mixtures.Polymer, 2006, 3:3271-3286 ；ZL200510123609.9，2010.12.29，剪切场下的结合激光光散射和显微镜的原位观测系统)，通过在椎板剪切系统的上下平面设置对应的通光孔以及小角散射装置和显微成像系统可同时得到剪切条件下的显微图像和光散射信息；但是，该装置没有将微观结构信息和流变行为有机结合起来，其椎板剪切系统对样品进行剪切的剪切速率范围只有10_2?2X 13S'小角散射装置(能接收-35°?35°的散射光)无法接收大散射角(彡35° )的散射光信息，对于高速剪切状态，以及更小尺寸的结构信息不能有效获得。
[0007]现有的毛细管流变仪所使用的毛细管为钢制圆柱形，为了保证光散射检测系统以及显微成像系统与毛细管流变仪连用时光线的通过，毛细管需使用能使光线透过的材质，如石英玻璃等(201310176593.2，CN103245651A，2013.08.14，一种适用于毛细管柱上检测的偏心聚焦型激光诱导荧光检测装置的检测方法)；但是当激发光入射到圆柱形透明毛细管上时，由于圆柱形毛细管存在的透镜效应，对光束产生折射光学畸变，改变光路，得不到准确的显微图像；物料从圆柱形毛细管口模挤出后无法直接进行宏观力学性能测试(例如拉伸撕裂等)，从而无法实现从微观到宏观性能数据的关联。
【发明内容】
[0008]全面深入地研宄聚合物微观结构和宏观性能之间的关系，需将显微成像技术、激光光散射技术同时应用到流变检测系统上。针对目前毛细管流变仪存在不能原位在线观察、显微流变测试系统对于小尺寸聚合物结构观察显示不明显，以及光散射流变测试系统不能直观地观察样品微观形貌的问题，本实用新型设计了一种能在流变性能测试时同时进行激光光散射和显微镜观察的一体化毛细管原位在线测试系统，将流变场下的结构变化与宏观的流变性能相关联，为进一步研宄开发功能化和专用化的产品、进行高分子材料新配方的研制以及确定最优化的加工工艺，提供简便的手段和方法。
[0009]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0010] 一种集散射、显微于一体的流变原位在线测试系统包括四个基本模块:毛细管流变仪(1)、激光光源(3)、激光光散射系统(5)和显微成像系统(6)，均安装于光学平台(2)上，激光光散射系统(5)和显微镜成像系统(6)共用毛细管流变仪(I)中的扁平孔毛细管
(10)，光散射系统(5)和显微镜成像系统(6)被安装在光学平台(2)上的一个高精度光学系统切换导轨(4)上，这两个系统可以在高精度光学系统切换导轨(4)上进行移动，实现激光光散射光路和显微镜光路的快速切换。
[0011]所述的毛细管流变仪⑴由控制器(12)、柱塞(7)、电加热套(8)、料筒(9)和扁平孔毛细管(10)构成；柱塞(7)通过数据线与控制器(12)连接，控制器(12)通过数据线与计算机进行连接；料筒(9)内物料的上部为柱塞(7)，料筒(9)的周围外层为恒温电加热套(8)，内有电热丝，能够实现从室温到300°C的恒温控制；料筒(9)的壁上有一测温探头
(11)，测温探头(11)与电热丝通过数据线与外接控制设备相连，可测量实验过程中聚合物熔体的实际温度；料筒(9)的下方为扁平孔毛细管(10)，扁平孔毛细管(10)外层电加热套
(8)的一侧开有一个直径为2mm的圆形通光孔(13)，相对另一侧的相同位置，开有一个锥角为70。的圆锥形通光孔(14)。
[0012]所述的毛细管流变仪(I)中的扁平孔毛细管(10)采用透明的石英玻璃材质制作，毛细管孔口结构为扁平孔(43)，在扁平孔毛细管(10)检测时光路通过的位置制作为双侧槽状光路平面(42)，扁平孔毛细管(10)上端物料的入口为锥形结构(41)。
[0013]所述的显微成像系统(6)由激光光源(3)、聚光镜(16)、长工作距离物镜(17)、摄像图像采集系统(18)和外接计算机监视器(19)构成；在毛细管流变仪(I)电加热套(8)上直径2mm的圆形通光孔(13)前安装聚光镜(16)，在聚光镜(16)的前方安装激光光源
(3)，长工作距离物镜(17)安装在电加热套(8)上圆锥形通光孔(14)的正前方，在长工作距离物镜(17)的一侧再安装摄像图像采集系统(18)，摄像图像采集系统(18)与外接计算机监视器(19)相连接，使用时激光光源(3)、聚光镜(16)、圆