一種測(cè)試高分子材料形狀記憶性能的裝置、測(cè)試方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及形狀記憶材料領(lǐng)域，具體涉及一種新型形狀記憶性能測(cè)試裝置、測(cè)試 方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 形狀記憶高分子材料是一類能夠在一定的條件下改變其初始形狀并固定在一個(gè) 臨時(shí)形狀，通過(guò)外界條件的刺激又能夠恢復(fù)其初始形狀的智能材料，具有非常廣泛的用途。 形狀記憶高分子材料的形狀恢復(fù)觸發(fā)方式有多種，如溫度、磁場(chǎng)、濕度、光照等。形狀記憶高 分子材料能夠在原始形狀和各種臨時(shí)形狀間轉(zhuǎn)換的基本原理是其臨時(shí)形狀的固定和解除 可由高分子的相態(tài)轉(zhuǎn)變(結(jié)晶態(tài)與熔融態(tài)轉(zhuǎn)變，或者玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變）來(lái)控制實(shí)現(xiàn)，這個(gè)相態(tài)轉(zhuǎn) 變溫度被稱為材料的形狀轉(zhuǎn)變溫度（〇。形狀記憶高分子材料的核心性能指標(biāo)是其形狀回 復(fù)率和形狀固定率，形狀回復(fù)率反映的是材料回復(fù)到原始形狀的能力和程度，形狀固定率 反映的是材料固定在臨時(shí)形狀的能力和程度，這兩個(gè)性能參數(shù)對(duì)于評(píng)價(jià)材料的優(yōu)劣及其是 否適合某一具體應(yīng)用是至關(guān)重要的。
[0003] 以最普遍的熱致型形狀記憶高分子材料為例，目前基本都是利用配備有控溫箱的 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)量材料的形狀固定率和形狀回復(fù)率。通過(guò)控溫箱對(duì)材料進(jìn)行加熱和 降溫處理，同時(shí)通過(guò)程序控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)使材料在特定溫度下發(fā)生拉伸形變、保持形 變、卸載拉力和自由回復(fù)等過(guò)程，并且記錄材料在不同階段的形變量，最后計(jì)算得到材料的 形狀固定率和形狀回復(fù)率。這種常用方法存在的突出問(wèn)題是：1.測(cè)試所用設(shè)備昂貴，不易 獲得，使用成本高，而且設(shè)備的工作環(huán)境要求比較苛刻，設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)要求高；2.測(cè)試所 用設(shè)備體積大、配件多、重量大，無(wú)法移動(dòng)，不能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)試；3.測(cè)試需要對(duì)電子萬(wàn) 能試驗(yàn)機(jī)設(shè)置復(fù)雜的測(cè)控程序，還要與控溫箱協(xié)調(diào)配合，操作難度大，對(duì)使用人員要求高； 4.在測(cè)試過(guò)程中，電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)無(wú)法與控溫箱分離，因此需要對(duì)控溫箱進(jìn)行反復(fù)的升溫 和降溫以使材料處于特定的測(cè)試溫度，而控溫箱升溫和降溫過(guò)程用時(shí)很長(zhǎng)，極大增加了測(cè) 試所需的時(shí)間，特別是對(duì)于多次循環(huán)測(cè)量材料性能的情況，耗時(shí)巨大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)當(dāng)前測(cè)試設(shè)備昂貴、成本高，測(cè)試過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，設(shè)備體 積大、無(wú)法移動(dòng)等缺點(diǎn)，提出一種成本低、易于攜帶、操作簡(jiǎn)單、精確度高的新型測(cè)試裝置， 從而提供一種簡(jiǎn)便的測(cè)試高分子材料形狀記憶性能的方法。
[0005] 本發(fā)明提出的一種測(cè)試高分子材料形狀記憶性能的裝置，由游標(biāo)卡尺和固定夾片 組成，所述游標(biāo)卡尺包括尺身和游標(biāo)尺，所述尺身上設(shè)有第一外測(cè)量爪，所述游標(biāo)尺上設(shè)有 第二外測(cè)量爪，其特征在于所述第一外測(cè)量爪上固定有第一固定夾片，第二外測(cè)量爪上固 定有第二固定夾片，將測(cè)試樣品的兩端分別固定在第一固定夾片和第二固定夾片上，使固 定在第二固定夾片的一端可隨游標(biāo)尺移動(dòng)，而使測(cè)試樣品發(fā)生拉伸形變，保證在拉伸過(guò)程 中測(cè)試樣品的兩端均不會(huì)與裝置發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。
[0006] 本發(fā)明中，測(cè)試樣品的兩端分別通過(guò)螺栓及螺母緊固地夾持在第一外測(cè)量爪與第 一固定夾片以及第二外測(cè)量爪與第二固定夾片之間。
[0007] 本發(fā)明提出的測(cè)試裝置的測(cè)量方法，具體步驟如下： 1) 室溫下，將測(cè)試樣品的兩端分別固定于游標(biāo)卡尺的第一外測(cè)量爪與第一固定夾片以 及第二外測(cè)量爪與第二固定夾片之間，保證測(cè)試樣品在拉伸形變過(guò)程中不與固定裝置發(fā)生 相對(duì)位移。旋緊游標(biāo)卡尺的緊固螺釘，此時(shí)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)即為測(cè)試樣品的原始長(zhǎng)度厶； 2) 將裝置的第一外測(cè)量爪、第一固定夾片、第二外測(cè)量爪、第二固定夾片及測(cè)試樣品浸 沒(méi)于熱源中，控制熱源的溫度高于測(cè)試樣品的形狀轉(zhuǎn)變溫度（rsw)5~10°C，等待5分鐘，使測(cè) 試樣品溫度達(dá)到熱源的溫度； 3) 保持測(cè)試樣品的浸沒(méi)狀態(tài)，旋松游標(biāo)卡尺的緊固螺釘，根據(jù)實(shí)際測(cè)試要求，移動(dòng)游標(biāo) 尺至兩個(gè)測(cè)量爪的間距為A的1. 5~5倍，即將樣條拉伸至50~400%，旋緊游標(biāo)卡尺的緊固螺 釘，此時(shí)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)即為測(cè)試樣品的拉伸形變長(zhǎng)度 4) 將裝置從熱源中取出冷卻，保持測(cè)試樣品兩端固定，等待測(cè)試樣品溫度降至室溫，松 開(kāi)測(cè)試樣品固定在游標(biāo)卡尺上的一端，測(cè)量其長(zhǎng)度，此時(shí)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)即為測(cè)試樣品的 形狀固定長(zhǎng)度厶； 5) 再次將測(cè)試樣品浸沒(méi)于熱源中，等待5分鐘，使測(cè)試樣品充分進(jìn)行形狀回復(fù)后，測(cè)量 其長(zhǎng)度，此時(shí)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)即為測(cè)試樣品的形狀回復(fù)長(zhǎng)度；； 6) 應(yīng)用以下公式即可求得材料的形狀固定率和形狀回復(fù)率，以表征其形狀記憶性能；
其中：當(dāng)測(cè)試樣品為熱致感應(yīng)型形狀記憶高分子材料時(shí)，所述熱源采用恒溫水浴、油浴 或空氣浴中任一種；當(dāng)測(cè)試樣品為光致感應(yīng)型形狀記憶高分子材料時(shí)，所述熱源采用適當(dāng) 波長(zhǎng)的光源照射。
[0008] 本發(fā)明中，測(cè)試樣品的測(cè)試溫度范圍為0~300°C。
[0009] 本發(fā)明提出的測(cè)試裝置的應(yīng)用，所述裝置可以測(cè)試不同觸發(fā)機(jī)制的形狀記憶高分 子材料，觸發(fā)機(jī)制包括但不限于溫度、磁場(chǎng)、濕度、光照等。
[0010] 本發(fā)明提出所述裝置可以固定的形狀記憶高分材料樣品均可進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試樣品 類型包括但不限于薄膜、片材、纖維等。
[0011] 本發(fā)明的有益效果在于： 1、本發(fā)明提出的裝置和方法完全滿足測(cè)試高分子材料形狀記憶性能的要求。
[0012] 2、本發(fā)明提出的測(cè)試裝置成本低，效率高，顯著降低了設(shè)備的購(gòu)買費(fèi)用。
[0013] 3、本發(fā)明提出的測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，無(wú)需專業(yè)設(shè)備維護(hù)。
[0014] 4、本發(fā)明提出的測(cè)試裝置操作方便，易于掌握，節(jié)省了操作人員培訓(xùn)時(shí)間。
[0015] 5、本發(fā)明提出的測(cè)試裝置體積小，重量輕，易于攜帶移動(dòng)，可以在不同場(chǎng)合進(jìn)行現(xiàn) 場(chǎng)測(cè)試。
[0016] 6、本發(fā)明提出的測(cè)試裝置和方法，在測(cè)量材料的形狀固定率和形狀回復(fù)率數(shù)據(jù)時(shí) 可以即時(shí)讀數(shù)，測(cè)量準(zhǔn)確度更高，誤差更小。
[0017] 7、本發(fā)明提出的裝置和方法適用于各種加熱環(huán)境，加熱環(huán)境包括但僅不限于水 浴、油浴、空氣浴等，溫度范圍為0~300 °C。
[0018] 8、本發(fā)明提出的裝置和方法不需要反復(fù)升高和降低水浴或油浴等的溫度，極大的 節(jié)省了測(cè)試時(shí)間。
[0019] 9、本發(fā)明提出的裝置和方法適用于多種觸發(fā)機(jī)制的形狀記憶高分子材料的性能 測(cè)試，觸發(fā)機(jī)制包括但不僅限于溫度、磁場(chǎng)、濕度、光照等。
[0020] 10、本發(fā)明提出的裝置和方法可采用不同的夾持裝置來(lái)固定高分材料樣品進(jìn)行測(cè) 試，能夠進(jìn)行測(cè)試的樣品形式包括但不僅限于薄膜、片材、纖維等。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為本發(fā)明提出的新型高分子材料形狀記憶性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖中標(biāo)號(hào)：1為尺身，2為游標(biāo)尺，3為緊固螺釘，4為第一外測(cè)量爪，5為第二外測(cè) 量爪，6為第一固定夾片，7為第二固定夾片。
[0023] 圖2為使用本發(fā)明的新型裝置在水浴控溫條件下測(cè)試形狀記憶高分子材料的形 狀記憶行為過(guò)程示意圖。其中：（a)為測(cè)試樣品的原始長(zhǎng)度，（b)為測(cè)試樣品的拉伸變形長(zhǎng) 度，（c)為測(cè)試樣品的形狀固定長(zhǎng)度，（d)為測(cè)試樣品的形狀回復(fù)長(zhǎng)度。
[0024] 圖3為使用本發(fā)明的新型裝置測(cè)試高分子材料形狀記憶性能的基本原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述。有必要在此指出的是以下實(shí)施例只用于 對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù) 上述本
【發(fā)明內(nèi)容】
對(duì)本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0026] 實(shí)施例1 如圖1所示，以通用的游標(biāo)卡尺為基礎(chǔ)，充分利用游標(biāo)卡尺的已有結(jié)構(gòu)并添加樣品固 定夾片，使其能夠完全滿足測(cè)試高分子材料形狀記憶性能的要求。固定夾片的作用是將測(cè) 試樣品的兩端分別固定在游標(biāo)卡尺的尺身和游標(biāo)尺上，使其中的一端可以隨游標(biāo)尺移動(dòng)而 使樣品發(fā)生拉伸變形，保證在拉伸過(guò)程中樣品的兩端均不會(huì)與裝置發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。固定夾 片的基本形式包括但不限于在游標(biāo)卡尺的兩個(gè)外測(cè)量爪上各開(kāi)兩個(gè)圓孔(兩孔間距應(yīng)大于 測(cè)量樣條的寬度)，通過(guò)螺栓及螺母將樣條的兩端分別緊固地夾持在兩個(gè)測(cè)量爪與固定夾 片之間。
[0027] 室溫下將組分比為1:2的乙烯-辛烯共聚物（POE) /聚己內(nèi)酯（PCL)形狀記憶高 分子材料樣條的兩端置于游標(biāo)卡尺的兩個(gè)外測(cè)量爪與固定夾片之間，用螺栓和螺母固定其 位置，保證在拉伸變形過(guò)程中樣條與固定裝置不發(fā)生相對(duì)位移。旋緊游標(biāo)卡尺的緊固螺釘， 此時(shí)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為原始長(zhǎng)度A=16. 56mm。將測(cè)量爪、固定夾片及樣條浸沒(méi)于70°C恒溫 水浴中，等待5分鐘。保持樣條浸沒(méi)，旋松游標(biāo)卡尺的緊固螺釘，移動(dòng)游標(biāo)尺至兩個(gè)測(cè)量爪 的間距約為A的1. 5倍24. 28mm，即將樣條拉伸至50%應(yīng)變，旋緊游標(biāo)卡尺的緊固螺釘。將 裝置從水浴中取出冷卻，保持樣條兩端固定，等待樣條溫度降至室溫附近，松開(kāi)樣條固定在 游標(biāo)尺上的一端，測(cè)量其長(zhǎng)度，此時(shí)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為形狀固定長(zhǎng)度石=21. 96mm。再次將樣 條浸沒(méi)于恒溫水浴中，等待5分鐘，使樣品充分進(jìn)行形狀回復(fù)后，測(cè)量其長(zhǎng)度，此時(shí)游標(biāo)卡 尺的讀數(shù)為形狀回復(fù)長(zhǎng)度；=17. 48mm。測(cè)試過(guò)程的示意圖如圖3所示。計(jì)算求得材料的形 狀固定率為90. 44%，形狀回復(fù)率為88. 08%。
[0028] 實(shí)施例2 室溫