[发明专利]一种温控高速大应变薄膜双向拉伸装置及其实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及高分子薄膜拉伸加工中加工条件与薄膜结构演化关系的技术，具体涉及薄膜双向拉伸装置、温度控制和电气控制系统及其实验方法，能够研究拉伸方式、温度、拉伸速率和拉伸比对不同薄膜样品结构性能的影响。将拉伸所得薄膜的结构(结晶度、取向度、片晶长周期)、性能(光学性能、力学性能)与拉伸过程中力学数据耦合，可以得到外场参数与薄膜结构性能的关系。用于实验室模拟实际薄膜拉伸加工条件，揭示薄膜工业加工的科学问题。

背景技术

高分子薄膜的最终性能强烈依赖于加工方法和工艺条件。相同高分子，不同加工方法如吹膜、流延、拉伸，生产出性能迥异的薄膜。拉伸薄膜如双向拉伸聚丙烯(BOPP)和聚酯(BOPET)具有强度高、透光性强、空气和水分阻隔性好、尺寸稳定性优异等特点，因此拉伸成为高性能薄膜加工的主流发展方向。然而薄膜拉伸加工工业仍然存在较大问题，如作为高分子薄膜最重要、所占份额最多的原料聚乙烯(PE)，全球至今却还没有成熟的双向拉伸技术(BOPE)。在能源材料领域，如何提高电容器薄膜表面电荷密度、如何制备高效安全的微孔电池膜等都是工业界急需解决的问题。

工业问题的背后实际是薄膜拉伸加工的科学问题，可以总结为以下三点：(i)高速拉伸中结构流体的非线性流变；(ii)拉伸流动诱导高分子构象有序和结晶；(iii)后拉伸中晶体形变、取向和破坏。解决这些问题需要大量的前期探索，显然，研制模拟工业薄膜拉伸加工的实验装置对探究高分子薄膜拉伸加工中的物理问题，制备高性能薄膜具有重要意义。

综上所述，模拟薄膜工业拉伸加工的温控高速大应变薄膜双向拉伸装置需要具有以下几方面的特点：1、拉伸方式可以模拟工业上所有薄膜拉伸加工方法：单向受限、单向不受限、双向同步、双向异步拉伸；2、温度控制均匀，且能够实现预热、拉伸和薄膜退火过程；3、不同的高分子材料，工业加工的温度、速率及拉伸比不同，装置的温度、拉伸比及拉伸速率应连续可调；4、拉伸过程中能够采集两个方向的应力应变信息，跟踪外场的作用及样品的响应。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种温控高速大应变薄膜双向拉伸装置及其实验方法。该拉伸装置具有拉伸方式可以选择为工业上所有薄膜拉伸方式；拉伸速率及拉伸比连续可调；样品温度控制精确且能够实现预热、拉伸和热定型过程；拉力量程范围大，双向拉伸时可以同时采集两个方向的应力应变信息。将流变、力学性能与薄膜的结构(取向度、结晶度、片晶长周期)，性能(光学性能、力学性能)耦合，可以建立加工参数-薄膜结构-薄膜性能的关系，为高性能薄膜生产工艺探究提供条件。

本发明采用的技术方案为：一种温控高速大应变薄膜双向拉伸装置，包括高精度伺服电机，驱动器，控制卡，”井”字形导轨，剪叉式机构，高压气动夹具，拉力传感器，数据采集卡，高精度温度控制炉，热风机，高精度滚珠丝杠，”风琴式”防护罩，应变、拉伸速度控制系统和热风循环系统，其中：

高精度伺服电机驱动”井”字形导轨独立运动，使得剪叉式机构完成伸缩运动，通过多个高压气动夹具，实现对薄膜样品的拉伸，拉伸方式可以选择为单向或双向拉伸，运行速度连续可调，能够很好地配合不同材料对拉伸速度的响应，拉伸过程中，拉力传感器跟踪两个方向拉力变化，应变、拉伸速度控制系统采用Labview软件控制系统，Labview软件控制系统对伺服电机的控制和拉力传感器信号采集进行集成，能够进行同步控制与数据采集，拉力数据采集使用美国国家仪器公司生产的NI-USB6008数据采集卡，高精度滚珠丝杠驱动拉伸系统在预热炉和拉伸炉间转换，”风琴式”防护罩既起到密封腔体作用，又不占据空间，热风循环系统能完成加热腔体的快速升温过程，同时保证腔体的温度均匀性。

其中，装置模拟实际薄膜拉伸加工条件时，实现对薄膜的拉伸方式、拉伸温度、拉伸比和拉伸速率的精确控制。同时能采集拉伸过程中拉力的变化，揭示薄膜拉伸加工加工参数与薄膜结构演化的关系。

本发明另外提供一种温控高速大应变薄膜双向拉伸装置及实验方法，利用上述薄膜双向拉伸装置，结合薄膜结构表征方法(如X射线散射、扫描电镜)，模拟工业薄膜拉伸加工条件，建立加工参数与薄膜结构的关系。

该装置研究拉伸条件对薄膜结构影响时实验步骤为：

步骤(1)、将高精度伺服电机的驱动器与应变、拉伸速度控制系统连接，将应变、拉伸速度控制系统分别与拉力传感器连接，接通热风循环系统电路；

步骤(2)、将高分子铸片置于高压气动夹具内，打开高压氮气，完成样品装夹；