專利名稱：管材的環向取向度測試方法
技術領域：
管材的環向取向度的測試方法屬于塑料管材取向度檢測領域。
背景技術：
高分子材料通過取向加工使高分子鏈在產品中規則的排列，從而提高產品的整體性能。雙軸取向PVC管材的加工就是利用這一原理，通過相應的擴張裝置對PVC-U管材進行軸向的拉伸和環向的擴張。加工后的PVC管材，其產品性能和質量與管材的取向度密切相關。對于承受內壓的薄壁管材，其環向的應力是軸向應力的二倍。管材的環向力學性能的好壞直接影響到管材的壽命。因此，環向的取向度的測試對于管材性能的研究就顯得更加重要。然而，由于管材形狀的特殊性，如何準確表征管材的環向取向，一直以來是困擾雙軸取向塑料管材發展的主要難題之一。目前，較為成熟的高分子材料取向度測試方法主要應用于紡絲、薄膜以及片材等。 主要的方法有廣角X射線衍射法(WAXS)、雙折射法、紅外二向色性法、聲速法等。這些方法可以有效的應用于相關的工業產品的檢測當中。與其他三種方法相比，聲速法可以在不破壞被測件結構的前提下表征材料的平均取向性能，因此，更利于應用在塑料管材的取向度測試中。聲速法的原理是，超聲波沿著分子鏈方向的傳播是依靠分子內鍵合原子的振動，傳播速度較快；在垂直于分子鏈的方向，超聲波的傳播主要依靠非鍵合原子間的振動，速度較慢。因此，若測得超聲波在取向方向的速度為V，在未取向方向的速度為V*，那么，取向度可以由公式計算得出。這種傳統的測試取向度的方法采用橫波測試，只能沿直線測得取向纖維的超聲波速度，對于管材的環向測試卻無能為力。目前，相關的研究利用紅外二向色性法測得的管材取向度同管材徑向方向的速度進行關聯，從而得到管材的取向度。然而，該方法必須對樣品進行切片測試，不利于在線檢測，更重要的是，該方法所測得的取向度的取向方向并不明確。瑞利波是由橫波和縱波干涉而成，在深度方向上衰減較快，在垂直于深度的方向上衰減很慢。因此，瑞利波可適用于測量管材的環向的超聲波速度。采用合理的瑞利波測試方法，可以更加直接、方便的測試管材的環向取向度。

發明內容
本發明的目的是解決雙軸取向管材生產過程中環向取向度表征的困難。通過利用瑞利波換能器，測定超聲波在環向方向上、一定圓心角所對應的弧長中的傳播速度，進而計算得到管材在環向方向的取向度。為管材生產過程中的在線控制提供相應的依據，對產品質量進行評價。本發明通過如下技術手段實現
采用兩個瑞利波探頭，使用收發模式測量管材的超聲波速度。其中，所使用的瑞利波探頭的壓電晶片的角度范圍為45° -90°，中心頻率范圍為O. 45-5. OMhz管材的環向取向度測試方法，其特征在于I)、測量取向的塑料管材的超聲波速度；采用兩個瑞利波探頭，將瑞利波探頭按一定角度置于取向管材的同一環向截面內，并與管材外壁相切，探頭I位置固定，探頭2處于初始位置，測量此時超聲波在取向管材中的傳播時間；然后，將探頭2以管材截面圓心為中心，以圓心與切點位置的連線為半徑旋轉一定角度；確保長度a和角度A不變一長度a為探頭最前端至探頭與管材切點的距離， 角度A為切點處的切線與半徑的夾角，等于90° ;測量旋轉一定角度后超聲波在管材中的傳播時間；將旋轉的角度η和管材半徑R以及壁厚s代入弧長公式L = n Ji R/180，則有效傳播距離為L = η π (2R-s)/360，確定超聲波在取向管材中的有效傳播距離；通過兩次測量結果的時間差確定超聲波傳播在有效傳播距離中傳播的時間；由此，計算出超聲波在取向管材中沿環向的傳播速度V ；2)、測量與被測取向管材材料相同的完全未取向管材的超聲波速度將瑞利波探頭按一定角度置于完全未取向管材的同一環向截面內，并與管材外壁相切，探頭I位置固定，探頭2處于初始位置，測量此時超聲波在完全未取向管材中的傳播時間；然后，將探頭2以管材截面圓心為中心，以圓心與切點位置的連線為半徑旋轉一定角度；確保長度a和角度A不變一長度a為探頭最前端至探頭與管材切點的距離，角度A為切點處的切線與半徑的夾角，等于90° ;測量旋轉一定角度后超聲波在完全未取向管材中的傳播時間；將旋轉的角度η和管材半徑R以及壁厚s代入弧長公式L = n Ji R/180，則有效傳播距離為L = η π (2R-s)/360，確定超聲波在取向管材中的有效傳播距離；通過兩次測量結果的時間差確定超聲波傳播在有效傳播距離中傳播的時間；由此，計算出超聲波在完全未取向管材中沿環向的傳播速度V* ；3)、根據以下取向度公式計算取向管材的環向取向度F將計算得到的取向管材的超聲波速度與完全未取向管材的超聲波速度代入公式
(I)，計算出管材的環向取向度。本發明與傳統的管材取向度的測試方法具有下列明顯的優勢傳統的方法需要對管材進行切片測定，且制樣苛刻，測試費用高，所得到取向度方向不明確，且測試手段受人為因素的影響較大，只能應用于離線測定。本發明使用瑞利波換能器直接測量管材的環向的超聲波速度，因此可應用于在線生產檢測，達到對產品的生產進行控制的目的。測試結果更為科學準確、更有利于在管材的生產過程中實現自動化和智能化，提高生產效率，為產品的性能評價提供準確的參考依據。解決了管材取向方向取向度測試困難的難題。


圖I.管材的環向測試示意圖
圖2 :可旋轉探頭兩次測量時的方位角及位置圖3 :傳統管材取向度測試方式示意圖
具體實施例方式管材的環向取向度測試方法主要包括如下實施步驟I)探頭初始位置夾角角度適中即可，約為10°，不影響結果。設定旋轉角度、測定管材外徑、壁厚。2)測試取向管材的環向超聲波速度。3)測試與被測管材材料相同的完全未取向管材的環向超聲波速度。4)按照超聲波取向度公式⑴計算得到管材的環向取向度。實際操作過程及結果如下一、選取外徑為90mm、壁厚為4mm的取向PVC管材，完全未擴張前PVC管材的外徑為50mm、壁厚為8mm,探頭的旋轉角度為5°。二、測試外徑為90mm、壁厚為4mm的取向PVC管材的超聲波速度I)測試探頭2處于初始位置時，外徑為90mm取向管材的超聲波飛躍時間(TOF)。 每個位置測試三次，取平均值。如表I所示
第一次測試第二次測試第三次測試平均值TOF/微秒4. 0703074. 0698444.0692644. 06981表I. 90mm外徑取向管材在初始位置時的飛躍時間TOF2)將探頭2旋轉5°，確保長度a和角度A不變，測量此時的飛躍時間(TOF)。每次個位置測試三次，取平均值。如表2所示
第一次測試第二次測試第三次測試平均值TOF/微秒5. 857785.8589075.859015.85857表2.旋轉5°后，90mm取向管材的飛躍時間T0F3)計算2次測試的飛躍時間差為T90 = 5. 85857-4. 06981 = I. 78876 (微秒)4)管材的外徑為90mm、壁厚為4mm，則有效測試距離L9tl,以及超聲波速度V9tl分別為L90 = n (2R-s)/360, V90 = L90/T90貝U,計算得到的90mm管材的環向的超聲波速度V9tl= 2096. 73414m/s三、測試外徑為50mm、壁厚為8mm的未取向PVC管材的超聲波速度I)測試探頭2處于初始位置時，外徑為50mm未取向管材的超聲波飛躍時間 (TOF)。每個位置測試三次，取平均值。如表3所示第一次測試第二次測試第三次測試平均值TOF/微秒3. 0834943.0939833.1019373.09314表3. 50mm未取向管材在初始位置時的飛躍時間TOF2)將探頭2旋轉5°，確保長度a和角度A不變，測量此時的飛躍時間(TOF)。每個位置測試三次，取平均值。如表4所示
第一次測試第二次測試第三次測試平均值TOF/微秒4.0163674.0002834.0023864. 00635表4.旋轉5°后,50mm未取向管材的飛躍時間TOF3)計算2次測試的飛躍時間差為T 未=4. 00635-3. 09314 = O. 91321 (微秒)4)管材的外徑為50mm、壁厚為8mm,則有效測試距離L未，以及超聲波速度V未分別為L未=n (2R_s) /360, V未=L未 /T未貝U，計算得到的50mm未取向管材的環向的超聲波速度V未=2005.75116m/s.四、按照超聲波取向度公式(I)，計算得到管材的環向取向度根據取向度公式，取向度為
[005權利要求
1.管材的環向取向度測試方法，其特征在于1)、測量取向的塑料管材的超聲波速度；采用兩個瑞利波探頭，將瑞利波探頭按一定角度置于取向管材的同一環向截面內，并與管材外壁相切，探頭I位置固定，探頭2處于初始位置，測量此時超聲波在取向管材中的傳播時間；然后，將探頭2以管材截面圓心為中心，以圓心與切點位置的連線為半徑旋轉一定角度；確保長度a和角度A不變一長度a為探頭最前端至探頭與管材切點的距離，角度 A為切點處的切線與半徑的夾角，等于90° ;測量旋轉一定角度后超聲波在管材中的傳播時間；將旋轉的角度η和管材半徑R以及壁厚s代入弧長公式L = η π R/180,則有效傳播距離為L = IiJi (2R-S)/360，確定超聲波在取向管材中的有效傳播距離；通過兩次測量結果的時間差確定超聲波傳播在有效傳播距離中傳播的時間；由此，計算出超聲波在取向管材中沿環向的傳播速度V;2)、測量與被測取向管材材料相同的完全未取向管材的超聲波速度將瑞利波探頭按一定角度置于完全未取向管材的同一環向截面內，并與管材外壁相切，探頭I位置固定，探頭2處于初始位置，測量此時超聲波在完全未取向管材中的傳播時間；然后，將探頭2以管材截面圓心為中心，以圓心與切點位置的連線為半徑旋轉一定角度；確保長度a和角度A不變一長度a為探頭最前端至探頭與管材切點的距離，角度A為切點處的切線與半徑的夾角，等于90° ;測量旋轉一定角度后超聲波在完全未取向管材中的傳播時間；將旋轉的角度η和管材半徑R以及壁厚s代入弧長公式L = n Ji R/180，則有效傳播距離為L = η π (2R-s)/360，確定超聲波在取向管材中的有效傳播距離；通過兩次測量結果的時間差確定超聲波傳播在有效傳播距離中傳播的時間；由此，計算出超聲波在完全未取向管材中沿環向的傳播速度V* ;3)、根據以下取向度公式計算取向管材的環向取向度F將計算得到的取向管材的超聲波速度與完全未取向管材的超聲波速度代入公式(1)， 計算出管材的環向取向度。
全文摘要
管材的環向取向度的測試方法將無損檢測手段應用于塑料管材生產領域。在加工過程中，塑料管材內部的高分子鏈在外力的作用下產生取向。取向后的管材，沿取向方向的超聲波速度會發生變化。管材的環向取向度測試方法的特點在于利用瑞利波探頭測量管材沿環向傳播的超聲波速度，通過測得環向超聲波速度和相同材料完全未取向時的超聲波速度計算出管材的環向的取向度。本發明可以沿著環向方向測量超聲波速度，從而更加簡便的表征管材的環向取向度，克服了以往取向度測試樣品制樣苛刻、取向方向不明確、測試費用高等不足。本方法更適合表征塑料管材取向的平均水平，為塑料管材性能的表征提供了更為科學的依據，更利于簡單、有效的實現在線檢測。
文檔編號G01N29/07GK102590346SQ20121001158
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者上官洲鑫, 劉穎, 吳大鳴, 林偉國, 許紅 申請人:北京化工大學