一種集散射、顯微于一體的流變原位在線測試系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高分子材料流變性能測試領域，具體涉及到一種流變性能原位在線測試系統，特別涉及到一種集散射、顯微于一體的流變原位在線測試系統。
【背景技術】
[0002]流變性是高分子材料在應力作用下產生的彈性、塑性和粘性形變的行為，高分子材料的流變性數據是其成型加工中最基本的工藝參數，對原料的選擇和使用、成型最優工藝條件的確定、成型設備和模具的設計及提高制品的質量都有重要的作用。當前高分子材料正向功能化和專用化方向發展，而以快捷的方法和最少的樣品解決加工性能問題是新材料開發的關鍵。
[0003]采用流變儀對材料進行流變特性的測定，是一種通過模擬實際生產工藝進行試驗的測試方法，具有快速、高效、準確可靠的優點，在研宄開發和質量控制方面，流變測試已經成為不可或缺的方法手段。通過流變儀可以:研宄聚合物共混過程，深入了解聚合物共混過程中的微觀形態發展；研宄加工條件變化與材料流動性質及制品力學性能之間的關系；研宄材料流動性質與分子結構及組分結構之間的關系；研宄異常的流動現象如擠出脹大現象、熔體破裂現象發生的規律、原因以及克服方法等等。然而，制品的宏觀性能往往是聚合物微觀結構的綜合體現，單一宏觀現象的研宄并不能深入地揭示聚合物內部的微觀結構，對于更好地解釋聚合物材料宏觀性能和微觀結構之間的關系尚存在一定的不足。為了更好的理解材料微觀結構和宏觀性能之間的關系，研宄人員的重點開始從宏觀向微觀結構方向轉移并深入。目前流變測試系統都只能在獲得流變性能結果的同時得到“凍結”后的聚合物樣品，然后再進行相應的表征，無法對凍結前或凍結過程中的聚合物的結構與形態進行表征。通過將流變系統和其他的輔助系統如光學技術相結合，從宏觀和微觀兩方面對聚合物進行研宄，對聚合物的流變性能測試過程進行原位在線跟蹤，對于揭示聚合物材料微觀結構和宏觀性能之間的關系具有重要意義。
[0004]光學技術是研宄物質微觀結構的有效手段，如果能夠將光學檢測技術和流變系統有機組合在一起，實現材料的原位在線檢測研宄，將有助于對聚合物微觀結構與宏觀性能的理解。光散射技術是一種較好的無損檢測材料內部不均勻性的方法，將流變系統與光散射技術相結合制造了流變光學測試系統。流變光學測試系統對由于流動使樣品中組分扭曲或偏轉，通過測量光與流動物質的相互影響來確定物質結構的各向異性，進而可以獲得其微觀特性。流變光學測試系統可以檢測剪切或者拉伸對樣品微觀結構的影響以及流動介質的微觀結構變化；可以觀察剪切誘導的結構變化或者聚合物共混物的結晶過程，實現結構參數與流變參數的同時檢測。
[0005]除光散射技術外，顯微成像技術是目前少數可以直觀地對材料同時進行觀察和測量的方法，利用顯微成像技術除物質尺寸外，還可以對物質的形狀、結構以及表面形貌進行觀察和檢測。顯微鏡與流變系統相結合組成了另一種光學流變測試系統，能夠在進行流變測量的同時進行材料內部結構的直接觀察，更好地研宄聚合物微觀結構在剪切條件下的變化，結合顯微鏡和流變學方法，可以對剪切和形變對樣品結構的影響進行研宄。
[0006]流變系統和光學技術相結合可以對聚合物的宏觀性能和微觀結構問的關系進行研宄，但是目前的儀器都存在某些不足。顯微鏡與流變系統相結合，雖然能夠在進行流變測量的同時進行材料內部結構的觀察，從而確定其結構性質，但是其本身也具有一定的局限性:安東帕公司在MCR流變儀的基礎上，將顯微鏡安裝到流變儀上，實現了對樣品在剪切流動過程中微觀形貌的觀察和檢測，但是顯微鏡觀察的范圍有限，對于聚合物更小尺寸的結構顯示不明顯；光散射技術與流變系統的結合使用，同樣存在著某些缺陷:Yoshiaki等制造了一臺兼具小角中子散射技術和流變測量的儀器(Yoshiaki TAKAHASHI，Masahiro NODA, Masanori NARUSE, Toshiji KANAYA, Hiroshi WATANBE, Tadashi KATO,Masayuki IMAI，Yushu MATSUSHITA.Apparatus for smal1-angle neutron scatteringand rheological measurements under sheared condit1ns.NIHON REOROJI GAKKAISHI,2000，28:187-191)，該裝置除了可以進行穩定剪切速率方面的研宄，對于大多數復雜流體的蠕變、應力松弛現象都能夠獲得很好的研宄效果，但不能直觀的觀察樣品微觀形貌，所檢測的范圍有限。中科院化學所韓志超課題組發明并制造了一臺椎板剪切流變裝置(Charles C.Han, Yonghua Yao, Ruoyu Zhang, Erik K.Hobbie.Effect of shear flow onmult1-component polymer mixtures.Polymer,2006, 3:3271-3286 ;ZL200510123609.9，2010.12.29，剪切場下的結合激光光散射和顯微鏡的原位觀測系統)，通過在椎板剪切系統的上下平面設置對應的通光孔以及小角散射裝置和顯微成像系統可同時得到剪切條件下的顯微圖像和光散射信息；但是，該裝置沒有將微觀結構信息和流變行為有機結合起來，其椎板剪切系統對樣品進行剪切的剪切速率范圍只有10_2?ZXlO3S-1,小角散射裝置(能接收-35°?35°的散射光)無法接收大散射角(彡35° )的散射光信息，對于高速剪切狀態，以及更小尺寸的結構信息不能有效獲得。
[0007]現有的毛細管流變儀所使用的毛細管為鋼制圓柱形，為了保證光散射檢測系統以及顯微成像系統與毛細管流變儀連用時光線的通過，毛細管需使用能使光線透過的材質，如石英玻璃等(201310176593.2，CN103245651A，2013.08.14，一種適用于毛細管柱上檢測的偏心聚焦型激光誘導熒光檢測裝置的檢測方法)；但是當激發光入射到圓柱形透明毛細管上時，由于圓柱形毛細管存在的透鏡效應，對光束產生折射光學畸變，改變光路，得不到準確的顯微圖像；物料從圓柱形毛細管口模擠出后無法直接進行宏觀力學性能測試(例如拉伸撕裂等)，從而無法實現從微觀到宏觀性能數據的關聯。
【發明內容】
[0008]全面深入地研宄聚合物微觀結構和宏觀性能之間的關系，需將顯微成像技術、激光光散射技術同時應用到流變檢測系統上。針對目前毛細管流變儀存在不能原位在線觀察、顯微流變測試系統對于小尺寸聚合物結構觀察顯示不明顯，以及光散射流變測試系統不能直觀地觀察樣品微觀形貌的問題，本發明設計了一種能在流變性能測試時同時進行激光光散射和顯微鏡觀察的一體化毛細管原位在線測試系統，將流變場下的結構變化與宏觀的流變性能相關聯，為進一步研宄開發功能化和專用化的產品、進行高分子材料新配方的研制以及確定最優化的加工工藝，提供簡便的手段和方法。
[0009]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0010] 一種集散射、顯微于一體的流變原位在線測試系統包括四個基本模塊:毛細管流變儀(I)、激光光源(3)、激光光散射系統(5)和顯微成像系統(6)，均安裝于光學平臺(2)上，激光光散射系統(5)和顯微鏡成像系統(6)共用毛細管流變儀(I)中的扁平孔毛細管
(10)，光散射系統(5)和顯微鏡成像系統(6)被安裝在光學平臺(2)上的一個高精度光學系統切換導軌(4)上，通過計算機軟件對這兩個系統在高精度光學系統切換導軌(4)上進行移動實現激光光散射光路和顯微鏡光路的快速切換。
[0011]所述的毛細管流變儀⑴由控制器(12)、柱塞(7)、電加熱套(8)、料筒(9)和扁平孔毛細管(10)構成；柱塞(7)通過數據線與控制器(12)連接，控制器(12)通過數據線與計算機進行連接；料筒(9)內物料的上部為柱塞(7)，料筒(9)的周圍外層為恒溫電加熱套(8)，內有電熱絲，能夠實現從室溫到300°C的恒溫控制；料筒(9)的壁上有一測溫探頭
[11]，測溫探頭(11)與電熱絲通過數據線與外接控制設備相連，可測量實驗過程中聚合物熔體的實際溫度；料筒(9)的下方為扁平孔毛細管(10)，扁平孔毛細管(10)外層電加熱套
(8)的一側開有一個直徑為2mm的圓形通光孔(13)，相對另一側的相同位置，開有一個錐角為70。的圓錐形通光孔(14)。
[0012]所述的毛細管流變儀(I)中的扁平孔毛細管(10)采用透明的石英玻璃材質制作，毛細管孔口結構為扁平孔(43)，在扁平孔毛細管(10)檢測時光路通過的位置制作為雙側槽狀光路平面(42)，扁平孔毛細管(10)上端物料的入口為錐形結構(41)。
[0013]所述的顯微成像系統(6)主要由激光光源(3)、聚光鏡(16)、長工作距離物鏡
(17)、攝像圖像采集系統(18)和外接計算機監視器(19)構成；在毛細管流變儀(I)電加熱套(8)上直徑2_的圓形通光孔(13)前安裝聚光鏡(16)，在聚光鏡(16)的前方安裝激光光源(3)，長工作距離物鏡(17)安裝在電加熱套(8)上圓錐形通光孔(14)的正前方，在長工作距離物鏡(17)的一側再安裝攝像圖像采集系統(18)，攝像圖像采集系統(18)與外接計算機監視器(19)相連接，使用時激光光源(3)、聚光鏡(16)、圓形通光孔(13)、圓錐形通光孔(14)、長工作距離物鏡(17)和攝像圖像