一种蒸气伸展流变仪

摘要

本发明公开了一种蒸气伸展流变仪，包括样品加热腔、升温装置、蒸气发生装置以及拉伸辊组件，样品加热腔的相对的两侧壁上分别设置有同轴的X射线入光孔及出光孔；升温装置用于提高样品加热腔内的环境温度；蒸气发生装置用于向样品加热腔内提供蒸气；拉伸辊组件用于将样品固定于样品加热腔内并拉伸样品，拉伸辊组件的夹持位置与X射线入光孔及出光孔的轴线相交；上述蒸气伸展流变仪与X射线发生装置联用能够原位跟踪记录高分子样品在不同温度及蒸气压下拉伸加工中结构演化行为，研究温度、蒸气压等多参数耦合下，高分子材料的力学行为和结构演化行为，对揭示高分子材料拉伸的基础科学问题及指导高性能高分子产品的开发具有一定的意义。

权利要求

1.一种蒸气伸展流变仪，其特征在于，包括：

样品加热腔，所述样品加热腔的相对的两侧壁上分别设置有同轴的X射线入光孔以及X射线出光孔；

升温装置，用于提高所述样品加热腔内的环境温度；

蒸气发生装置，用于向所述样品加热腔内提供蒸气；

拉伸辊组件，用于将样品固定于所述样品加热腔内并拉伸样品，所述拉伸辊组件的夹持位置与所述X射线入光孔以及所述X射线出光孔的轴线相交。

2.根据权利要求1所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述样品加热腔包括主体以及盖板，所述盖板与所述主体可拆卸密封连接。

3.根据权利要求2所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述X射线入光孔以及所述X射线出光孔中的一个设置于所述盖板，另一个设置于所述主体远离所述盖板的侧壁上。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述X射线入光孔以及所述X射线出光孔中的至少一个设置于所述样品加热腔的侧壁向所述样品加热腔内延伸的凸台上以使所述X射线入光孔以及所述X射线出光孔相互靠近。

5.根据权利要求4所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述凸台包括圆台段以及圆柱段，所述圆柱段连接于所述圆台段的小端且所述圆柱段通过所述圆台段连接于所述样品加热腔的侧壁，所述X射线入光孔开设于所述圆柱段，且通过所述圆台段内的锥形腔与外界连通。

6.根据权利要求4所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述X射线出光孔的孔径不小于所述X射线入光孔的孔径。

7.根据权利要求1-3及5-6任意一项所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述X射线入光孔以及所述X射线出光孔均通过聚酰亚胺薄膜密封。

8.根据权利要求1-3及5-6任意一项所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，还包括用于对所述X射线出光孔进行加热的加热器。

9.根据权利要求8所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述加热器包括锥形罩以及设置于所述锥形罩的锥面上的加热片，所述锥形罩的小端连接于所述样品加热腔外并环绕所述X射线出光孔的出口。

10.根据权利要求8所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述加热片设置有多个，且多个所述加热片绕所述锥形罩的周向均布。

11.根据权利要求1-3、5-6及9-10任意一项所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述升温装置包括热电阻、温控探头以及控制器，所述温控探头用于测量所述样品加热腔内的环境温度，所述控制器根据所述温控探头的测量数据调整所述热电阻的工作状态以控制所述样品加热腔内的环境温度。

12.根据权利要求11所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述升温装置至少包括两个所述热电阻，所述控制器分别控制各个所述热电阻。

13.根据权利要求1-3、5-6及9-10任意一项所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述蒸气发生装置包括容槽以及加热棒，所述容槽形成于所述样品加热腔的下部，所述加热棒设置于所述样品加热腔侧壁内。

14.根据权利要求13所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述样品加热腔的顶部设置有放气阀，底部设置有放水阀。

15.根据权利要求13所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述样品加热腔的顶部设置有带有安全阀的压力表。

16.根据权利要求1-3、5-6、9-10、12及14-15任意一项所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述拉伸辊组件包括第一牵引辊、第二牵引辊以及驱动装置，所述第一牵引辊以及第二牵引辊平行并排设置，所述驱动装置用于驱动所述第一牵引辊以及所述第二牵引辊反向转动。

17.根据权利要求16所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述第一牵引辊以及所述第二牵引辊的夹持面设置有喷砂层。

18.根据权利要求16所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述第一牵引辊以及所述第二牵引辊中的至少一个与所述驱动装置之间设置有扭矩传感器，所述扭矩传感器与控制器相连用于收集拉伸过程应力变化。

19.根据权利要求1-3、5-6、9-10、12、14-15及17-18任意一项所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，还包括支架，所述样品加热腔以及所述拉伸辊组件均安装于所述支架。

20.根据权利要求19所述的蒸气伸展流变仪，其特征在于，所述支架上设置有提手。

说明书

一种蒸气伸展流变仪

技术领域

[0001] 本发明涉及高分子产品加工技术领域，特别涉及一种蒸气伸展流变仪。

背景技术

[0002] 由于高分子的长链结构，拉伸将有效地提高高分子产品的产品性能，工业薄膜如农膜、包装膜、光学膜、锂电池隔膜及高强纤维如超高分子量聚乙烯纤维等均通过拉伸制得。然而对于含强氢键相互作用的高分子薄膜或者纤维，如尼龙(PA)薄膜、聚丙烯腈(PAN)纤维等，由于氢键对分子链的限制作用，分子链甚至在很高的温度都无法达到较大的拉伸比，这严重影响了这类高分子薄膜或纤维的产品性能。考虑到水分子对氢键的破坏，工业界所使用的解决方法是：对高分子样品在水或者水蒸气气氛下施加拉伸。两种方法中在水中拉伸的缺点是拉伸温度受限于水的沸点的限制，最高只能达到100℃，仍无法满足产品使用性能的要求。而水蒸气气氛下，不仅存在充足的水分子，在设备允许的条件下，可在相对较高的温度下对样品施加拉伸，实现分子链的高取向，高分子材料的高力学强度。水蒸气气氛下高分子拉伸工业上目前仍然存在较大的问题，比如聚丙烯腈纤维，国内纤维的强度仍然无法达到国际的领先水平。如何减弱纤维分子链间氢键相互作用，提高纤维的取向程度是工业界急需解决的问题。

[0003] 在这些工业问题的背后其实是高分子拉伸加工过程涉及的多个关键科学问题，如分子链间氢键强度随温度及蒸气压的演化规律；拉伸诱导的高分子构象有序和结晶；拉伸诱导的晶体形变、取向和相变等。为快速、有效地解决这些关键科学问题，目前急需研制能与X射线散射联用，模拟蒸气气氛下高分子样品拉伸加工的实验装置。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种蒸气伸展流变仪，以模拟蒸气气氛下高分子样品拉伸加工，为揭示高分子样品拉伸的基础科学问题及指导高性能高分子产品的开发提供帮助。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 一种蒸气伸展流变仪，包括：

[0007] 样品加热腔，所述样品加热腔的相对的两侧壁上分别设置有同轴的X射线入光孔以及X射线出光孔；

[0008] 升温装置，用于提高所述样品加热腔内的环境温度；

[0009] 蒸气发生装置，用于向所述样品加热腔内提供蒸气；

[0010] 拉伸辊组件，用于将样品固定于所述样品加热腔内并拉伸样品，所述拉伸辊组件的夹持位置与所述X射线入光孔以及所述X射线出光孔的轴线相交。

[0011] 优选地，所述样品加热腔包括主体以及盖板，所述盖板与所述主体可拆卸密封连接。

[0012] 优选地，所述X射线入光孔以及所述X射线出光孔中的一个设置于所述盖板，另一个设置于所述主体远离所述盖板的侧壁上。

[0013] 优选地，所述X射线入光孔以及所述X射线出光孔中的至少一个设置于所述样品加热腔的侧壁向所述样品加热腔内延伸的凸台上以使所述X射线入光孔以及所述X射线出光孔相互靠近。

[0014] 优选地，所述凸台包括圆台段以及圆柱段，所述圆柱段连接于所述圆台段的小端且所述圆柱段通过所述圆台段连接于所述样品加热腔的侧壁，所述X射线入光孔开设于所述圆柱段，且通过所述圆台段内的锥形腔与外界连通。

[0015] 优选地，所述X射线出光孔的孔径不小于所述X射线入光孔的孔径。

[0016] 优选地，所述X射线入光孔以及所述X射线出光孔均通过聚酰亚胺薄膜密封。

[0017] 优选地，还包括用于对所述X射线出光孔进行加热的加热器。

[0018] 优选地，所述加热器包括锥形罩以及设置于所述锥形罩的锥面上的加热片，所述锥形罩的小端连接于所述样品加热腔外并环绕所述X射线出光孔的出口。

[0019] 优选地，所述加热片设置有多个，且多个所述加热片绕所述锥形罩的周向均布。

[0020] 优选地，所述升温装置包括热电阻、温控探头以及控制器，所述温控探头用于测量所述样品加热腔内的环境温度，所述控制器根据所述温控探头的测量数据调整所述热电阻的工作状态以控制所述样品加热腔内的环境温度。

[0021] 优选地，所述升温装置至少包括两个所述热电阻，所述控制器分别控制各个所述热电阻。

[0022] 优选地，所述蒸气发生装置包括容槽以及加热棒，所述容槽形成于所述样品加热腔的下部，所述加热棒设置于所述样品加热腔侧壁内。

[0023] 优选地，所述样品加热腔的顶部设置有放气阀，底部设置有放水阀。

[0024] 优选地，所述样品加热腔的顶部设置有带有安全阀的压力表。

[0025] 优选地，所述拉伸辊组件包括第一牵引辊、第二牵引辊以及驱动装置，所述第一牵引辊以及第二牵引辊平行并排设置，所述驱动装置用于驱动所述第一牵引辊以及所述第二牵引辊反向转动。

[0026] 优选地，所述第一牵引辊以及所述第二牵引辊的夹持面设置有喷砂层。

[0027] 优选地，所述第一牵引辊以及所述第二牵引辊中的至少一个与所述驱动装置之间设置有扭矩传感器，所述扭矩传感器与控制器相连用于收集拉伸过程应力变化。

[0028] 优选地，还包括支架，所述样品加热腔以及所述拉伸辊组件均安装于所述支架。

[0029] 优选地，所述支架上设置有提手。

[0030] 综上所述，本发明提供了一种蒸气伸展流变仪，该蒸气伸展流变仪包括样品加热腔、升温装置、蒸气发生装置以及拉伸辊组件，其中，样品加热腔与蒸气伸展流变仪的其他部件的衔接处均密封处理，以形成一个封闭的空间，保证其内蒸气气氛的形成，样品加热腔的相对的两侧壁上分别设置有同轴的X射线入光孔以及X射线出光孔，X射线入光孔以及X射线出光孔使得上述蒸气伸展流变仪能够与X射线发生装置联用，从而得到高分子材料在蒸气气氛下的拉伸过程的结构演化行为，构建外场参数与样品结构演化的关系；升温装置用于提高样品加热腔内的环境温度，以满足不同温度下样品拉伸实验的需求，升温装置的温度可以采用自动控制，也可以由实验人员手动控制；蒸气发生装置用于向样品加热腔内提供蒸气，在样品加热腔内形成蒸气气氛；拉伸辊组件用于将样品固定于样品加热腔内并拉伸样品，拉伸辊组件的夹持位置与X射线入光孔以及X射线出光孔的轴线相交，从而保证X射线能够穿过样品；

[0031] 在应用时，将高分子样品固定于拉伸辊组件，启动升温装置以及蒸气发生装置，调整样品加热腔内的温度及蒸气压，待样品加热腔达到所需温度以及饱和蒸气压后，开启X射线发生装置，对样品进行照射，然后启动拉伸辊组件对样品进行拉伸，原位跟踪记录高分子样品在不同温度及蒸气压下拉伸加工中结构演化行为，研究温度、蒸气压等多参数耦合下，高分子材料的力学行为和结构演化行为，对揭示高分子样品拉伸的基础科学问题及指导高性能高分子产品的开发具有一定的意义。

附图说明

[0032] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0033] 图1为本发明实施例提供的蒸气伸展流变仪的结构示意图；

[0034] 图2为本发明实施例提供的蒸气伸展流变仪的样品加热腔的结构示意图；

[0035] 图3为PA6薄膜样品只升温和同时升温升压过程中的2D-WAXS对比图；

[0036] 图4为PA6薄膜样品在不同蒸气压及温度下的宽角一维积分曲线；

[0037] 图5为PAN初生纤维样品在相同应变速率以及不同温度和蒸气压下的应力应变曲线；

[0038] 图6为PAN初生纤维样品的断裂伸长率随温度、蒸气压的变化曲线；

[0039] 图7是PAN初生纤维样品在24℃和120℃、0.13MPa蒸气压下拉伸过程的宽角二维图。

[0040] 图中：

[0041] 1为样品加热腔；101为盖板；102为主体；103为X射线入光孔；104为X射线出光孔；105为凸台；2为拉伸辊组件；201为第一牵引辊；202为第二牵引辊；203为第一伺服电机；204为第二伺服电机；3为加热器；301为锥形罩；302为加热片；303为法兰；4为放气阀；5为放水阀；6为压力表；7为安全阀；8为扭矩传感器；9为支架；10为提手。

具体实施方式

[0042] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0043] 请参阅图1和图2，图1为本发明实施例提供的蒸气伸展流变仪的结构示意图，图2为本发明实施例提供的蒸气伸展流变仪的样品加热腔的结构示意图。

[0044] 本发明实施例提供了一种蒸气伸展流变仪，该蒸气伸展流变仪包括样品加热腔1、升温装置、蒸气发生装置以及拉伸辊组件2。

[0045] 其中，样品加热腔1与蒸气伸展流变仪的其他部件的衔接处均密封处理，以形成一个封闭的空间，保证其内蒸气气氛的形成，密封可以液封、密封圈等形式实现，样品加热腔1的相对的两侧壁上分别设置有同轴的X射线入光孔103以及X射线出光孔104，可以理解的是，X射线入光孔103以及X射线出光孔104处也应当进行密封处理，以避免蒸气外泄，由于X射线穿透能力较强，X射线入光孔103以及X射线出光孔104处可以采用多种方式密封，X射线入光孔103以及X射线出光孔104使得上述蒸气伸展流变仪能够与X射线发生装置联用，从而得到高分子材料在蒸气气氛下的拉伸过程的结构演化行为，构建外场参数与样品结构演化的关系；升温装置用于提高样品加热腔1内的环境温度，以满足不同温度下样品拉伸实验的需求，升温装置的温度可以采用自动控制，也可以由实验人员手动控制；蒸气发生装置用于向样品加热腔1内提供蒸气，在样品加热腔1内形成蒸气气氛，需要说明的是，上述的蒸气包括但不限于水蒸气；拉伸辊组件2用于将样品夹持于样品加热腔1内并拉伸样品，由此可见，拉伸辊组件2应至少包括两个牵引辊以及驱动两个牵引辊运动的驱动装置，形成对样品拉伸关系的两个牵引辊之间在样品密封腔内呈上下布置，由于要对样品实现拉伸，因此各个牵引辊实际上为反向旋转，各个牵引辊由驱动装置驱动，拉伸辊组件2的固定位置与X射线入光孔103以及X射线出光孔104的轴线相交，从而保证X射线能够穿过样品。

[0046] 与现有技术相比，本发明实施例提供的蒸气伸展流变仪在应用时，将高分子样品的两端分别固定于拉伸辊组件2的两个牵引辊上，启动升温装置以及蒸气发生装置，调整样品加热腔1内的温度及蒸气压，待样品加热腔1达到所需温度以及饱和蒸气压后，开启X射线发生装置，对样品进行照射，然后启动拉伸辊组件2对样品进行拉伸，原位跟踪记录高分子样品在不同温度及蒸气压下拉伸加工中结构演化行为，研究温度、蒸气压等多参数耦合下，高分子材料的力学行为和结构演化行为，对揭示高分子样品拉伸的基础科学问题及指导高性能高分子产品的开发具有一定的意义。

[0047] 为便于样品的取放，样品加热腔1一般采用分体式结构，在使用时可以相互分离使其内的拉伸辊组件2露出，以便于固定样品或将样品取出，具体地，样品加热腔1可包括主体102以及盖板101，盖板101与主体102可拆卸密封连接，较优地，盖板101应当正对拉伸辊组件2的固定位置，从而当实验人员取下盖板101时，能够直接面对拉伸辊组件2的固定位置，以便于操作。

[0048] 优选地，盖板101与主体102之间通过螺栓连接，主体102上围绕进出通孔周向分布有多个螺丝孔，盖板101上与之对应的位置上开设有通孔，盖板101与主体102中的至少一个上设置有能够环绕上述进出通孔的密封圈，螺栓穿过通孔与螺丝孔配合将盖板101连接于主体102，同时盖板101与主体102配合将密封圈压紧形成密封。

[0049] 当然，在其他实施例中，盖板101与主体102之间可以采用其他的方式连接，比如盖板101的一端可以通过合页可转动地连接于主体102上，另一端与主体102之间通过卡扣、插栓等方式实现可拆卸连接，合页可以设置于盖板101的任意一侧边缘，或者，盖板101与主体102之间可以采用滑动配合的方式，通过盖板101的左右滑动实现进出通孔的遮挡或让出。

[0050] 为便于X射线穿过样品，同时便于实验人员接受X射线的散射信号，在图1和图2所示实施例中，X射线入光孔103以及X射线出光孔104中的一个设置于盖板101，另一个设置于主体102远离盖板101的侧壁上，当然，在条件允许的情况下，X射线入光孔103以及X射线出光孔104也可以设置在样品加热腔1的其他位置。

[0051] 本领域技术人员容易了解的是，蒸气对于X射线有一定的吸收作用，会导致X射线损失强度，为此应尽量减少X射线在蒸气气氛中的路径距离，在本发明实施例中，如图1和图2所示，X射线入光孔103以及X射线出光孔104中的至少一个设置于样品加热腔1的侧壁向样品加热腔1内延伸的凸台105上以使X射线入光孔103以及X射线出光孔104相互靠近，通过使X射线入光孔103与X射线出光孔104相互靠近，能够减少X射线在蒸气中的路径长度，从而减低蒸气对X射线的影响，实现X射线的强度低损失。

[0052] 进一步地，如图1和图2所示，在本发明实施例中，凸台105包括圆台段以及圆柱段，圆柱段连接于圆台段的小端且圆柱段通过圆台段连接于样品加热腔1的侧壁，X射线入光孔103开设于圆柱段，且通过圆台段内的锥形腔与外界连通。

[0053] 可以理解的是，由于X射线透过样品时会发生一定程度的散射，在本发明实施例中，X射线出光孔104的孔径不小于X射线入光孔103的孔径，较优的，X射线出光孔104的孔径大于X射线入光孔103的孔径。

[0054] 作为优选地，X射线入光孔103以及X射线出光孔104均通过聚酰亚胺薄膜密封，聚酰亚胺材料具有耐高温，高强度的特点，对于X射线强度的影响较小，因此聚酰亚胺薄膜就既能够起到良好的密封效果，又能够避免造成X射线强度的损失。

[0055] X射线出光孔104内壁凝结成液滴会影响X射线的散射信号，为此，可在样品加热腔1上设置用于对X射线出光孔104进行加热的加热器3，该加热器3能够对盖板101的X射线出光孔104位置进行加热，以避免X射线出光孔104的内壁凝结成液滴。

[0056] 具体地，如图1和图2所示，在本发明实施例中，加热器3包括锥形罩301以及设置于锥形罩301的锥面上的加热片302，锥形罩301的形状能够避免加热器3对X射线的散射信号造成影响，锥形罩301的小端连接于样品加热腔1外并环绕X射线出光孔104的出口，同时锥形罩301的大端用聚酰亚胺膜及法兰303密封，减少散热。

[0057] 进一步地，在上述实施例中，加热片302设置有多个，且多个加热片302绕锥形罩301的周向均布。

[0058] 升温装置用于根据实验需求将样品加热腔1内的温度提升至目标数值，较优的，升温装置包括热电阻、温控探头以及控制器，温控探头用于测量样品加热腔1内的环境温度，控制器根据温控探头的测量数据调整热电阻的工作状态以控制样品加热腔1内的环境温度，在使用时，温控探头实时检测样品加热腔1内的温度，温控探头最好具备防水功能，外层由塑料或者不锈钢制成，温控探头将测得的温度数据发送至控制器，控制器将温度测量值与实验人员输入的预设值进行比较，测量值低于预设值时，控制器接通热电阻的电源，高于预设值时，断开热电阻的电源，通过上述装置，能够实现样品加热腔1内温度的自动、准确控制，能够更加准确的提供实验所需环境。

[0059] 当然，在其他实施例中，样品加热腔1内的温度也可以由实验人员通过调节旋钮调节热电阻的功率进行手动控制。

[0060] 进一步优化上述技术方案，为使样品加热腔1内的温度更加精确，上述升温装置可至少包括两个热电阻，控制器分别控制各个热电阻，较优地，在本发明实施例中，升温装置包括两个热电阻，从而形成双通道温度控制结构，对样品加热腔1内的温度实现精确控制。

[0061] 作为优选地，蒸气发生装置包括容槽以及加热棒，容槽形成于样品加热腔1的下部，加热棒设置于样品加热腔1的侧壁内，在使用时，通过开启加热棒加热容槽中的溶剂(水)产生蒸气，当然容槽也可以设置于样品加热腔1之外，产生的蒸气通过管路输送至样品加热腔1内。

[0062] 较优的，为便于在实验后将蒸气及容槽中的溶剂排出，在本发明实施例中，如图1所示，样品加热腔1的顶部设置有放气阀4，底部设置有放水阀5，样品加热腔1的顶部。

[0063] 进一步优化上述技术方案，如图1所示，样品加热腔1的顶部设置有带有安全阀7的压力表6，从而能够将样品加热腔1内的压力保持在安全范围内，避免发生意外事故。

[0064] 较优地，如图1和图2所示，在本发明实施例中，拉伸辊组件2包括第一牵引辊201、第二牵引辊202以及驱动装置，第一牵引辊201以及第二牵引辊202平行并排设置，驱动装置用于驱动第一牵引辊201以及第二牵引辊202反向转动，在使用时，样品的两端分别固定于第一牵引辊201以及第二牵引辊202。

[0065] 进一步地，驱动装置包括第一伺服电机203以及第二伺服电机204，第一伺服电机203用于驱动第一牵引辊201转动，第二伺服电机204用于驱动第二牵引辊202转动。

[0066] 为提高第一牵引辊201以及第二牵引辊202的摩擦力，防止样品在拉伸辊组件2上打滑，第一牵引辊201以及第二牵引辊202的夹持面设置有喷砂层。

[0067] 较优地，第一牵引辊201以及第二牵引辊202中的至少一个与驱动装置之间设置有扭矩传感器8，扭矩传感器8与控制器相连用于收集拉伸过程应力变化。

[0068] 进一步地，上述蒸气伸展流变仪还包括支架9，样品加热腔1以及拉伸辊组件2均安装于支架9，以提高蒸气伸展流变仪的整体性，便于搬运以及移动。

[0069] 较优地，如图1所示，支架9上设置有提手10。

[0070] 下面是本案蒸气伸展流变仪的应用实例。

[0071] 实验实例1：

[0072] 同步辐射X射线原位研究饱和蒸气压对PA6氢键分布及晶型的影响。

[0073] 实验目的：

[0074] PA6作为一种常用的工程塑料，广泛应用于汽车、军事及食品包装上。由于PA6分子链构象及氢键分布的多样性，PA6具有不同的晶型。晶型的不同往往决定了材料的性能及用途，如β晶因其氢键分布的多向性、随机性，具有良好的可延展性及气体阻隔性，广泛应用于食品真空包装。X射线作为晶体学研究的重要手段之一，是高分子材料研究领域必不可少的表征方法，随着同步辐射X射线的发现和应用，检测时间分辨从过去几十小时缩短到毫秒量级。考虑到PA6晶型是由氢键的分布所决定，利用同步辐射X射线研究加工参数如温度、饱和蒸气压等对PA6分子链氢键的分布及晶型转变的影响，对理解蒸气拉伸加工背后的科学问题及高性能高分子产品的开发具有十分重要的意义。

[0075] 实验过程：

[0076] 把裁剪好的尼龙6(PA6)薄膜样品固定在拉伸辊组件2上，密封好之后开启温度控制器，温度设定140℃开始加热，同时开启同步辐射X射线光源，原位跟踪升温及蒸气压改变过程中，PA6晶体结构的演化过程。

[0077] 实验结果：

[0078] 图3是PA6薄膜样品只升温和同时升温升压过程中的2D-WAXS对比图，从图中可以看出，同时升温升压与单纯升温有明显区别，蒸气压的存在使得相同温度下尼龙薄膜的(200)和(002)晶面衍射环发生了分裂，说明蒸气有完善α晶的作用。而单纯升降温使得(200)与(002)晶面衍射环逐渐靠拢，并最终与110℃附近归于一个晶面衍射环(200/002)，说明无蒸气存在时，升温使得α晶向β晶发生了转变。

[0079] 图4是不同蒸气压及温度下PA6薄膜样品的宽角一维积分曲线(横坐标为衍射角度，纵坐标为散射强度)，发现随着蒸气压的升高，(200)与(002)的晶面峰分裂程度逐渐增加，说明蒸气会导致PA6分子链间氢键发生破坏和重构，使得α晶逐渐变得更加完善。

[0080] 实验结论：

[0081] 升温的同时，蒸气压的存在导致PA6发生复杂晶型演化，这种演化不同于单纯升温的晶型变化，蒸气会导致PA6分子链间氢键的破坏和重构，使得初始样品中不完善的α晶逐渐变得更加完善，并随着蒸气压的升高，α晶的完善程度也逐渐增加。

[0082] 实验实例2：

[0083] 同步辐射X射线原位研究饱和蒸气压对PAN初生纤维延展性及分子链取向的影响。

[0084] 实验目的：

[0085] PAN基碳纤维具有优良的力学性能，广泛应用于交通、军事、日常生活等各个领域。其加工过程包括聚合、纺丝、预氧化、碳化等一系列工艺流程。在纺丝过程中，拉伸作用贯穿于整个过程，其中凝固浴拉伸、水浴拉伸、蒸气拉伸是最为重要三个过程，决定了最终碳纤维的性能。本实验研究了PAN初生纤维在蒸气气氛下，温度、蒸气压对其延展性的影响，并利用同步辐射X射线技术，原位跟踪了蒸气气氛下，拉伸过程中分子链取向的变化。

[0086] 实验过程：

[0087] 把裁剪好的PAN初生纤维样品固定在拉伸辊组件2上，密封好之后开启温度控制器，温度分别设定24，55，70，83，100，120，130，140等℃开始加热，设置电机转速，对应应变速率为0.007s-1，待温度达到设定温度及饱和蒸气压后，启动电机，对样品施加拉伸，同时开启同步辐射X射线光源，原位跟踪在不同温度，不同饱和蒸气压下，PAN分子链取向的变化。

[0088] 实验结果：

[0089] 图5为PAN初生纤维样品在相同应变速率以及不同温度和蒸气压下的应力应变曲线(横坐标为应变，纵坐标为应力)，图6为PAN初生纤维样品的断裂伸长率随温度、蒸气压的变化曲线(横坐标为拉伸温度，纵坐标为断裂伸长率)。从图中可以看出，随着温度和蒸气压的增加，PAN初生纤维的屈服强度逐渐下降，而断裂伸长率逐渐上升，说明温度和蒸气压的增加，提高了PAN初生纤维的可延展性，为提高分子链取向提供可能。当温度升高至130℃后，断裂伸长率发生了陡降，这可能是由于温度和蒸气压过高，导致的断裂强度下降所致。

[0090] 图7是PAN初生纤维样品在24℃和120℃、0.13MPa蒸气压下拉伸过程的宽角二维图。从图中可以看出，随着应变的增加，两个条件下的(110)晶面均逐渐向水平方向靠拢，说明拉伸提高了PAN分子链的取向度。此外，由于120℃、0.13MPa蒸气压下，样品延展性，即断裂伸长率明显提高，此条件下(110)晶面与24℃相比，明显更加集中与水平方向，甚至最终集中于一点，说明在高温，高高蒸气压下，PAN分子链可以达到更高的取向，可有效提高碳纤维的力学强度。

[0091] 实验结论：

[0092] 利用与X射线散射联用、可提供蒸气气氛的蒸气伸展流变仪，实验成功观测了PAN初生纤维样品在相同应变速率下，不同温度和蒸气压下拉伸的应力应变曲线和结构演化过程。从应力应变曲线和X射线结构演化中，可以得到以下结论：高温、蒸气压气氛(130℃以下)可有效提高PAN初生纤维的延展性，并相应提高PAN分子链的取向。此研究实现了PAN初生纤维在不同蒸气压下的拉伸，这对理解蒸气对PAN分子链取向、分子链链间氢键的影响及加工高强碳纤维产品具有十分重要的意义。

[0093] 综上所述，本发明上述实施例提供的蒸气伸展流变仪，能够在不同温度及蒸气压下对样品进行拉伸操作，通过与X射线发生装置配合，即可实现原位跟踪记录高分子样品在不同温度及蒸气压下拉伸加工中结构演化行为，研究温度、蒸气压、应变速度等多参数耦合下，高分子材料的力学行为和结构演化行为，为揭示高分子样品拉伸的基础科学问题及指导高性能高分子产品的开发提供帮助。

[0094] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0095] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。