專利名稱：一種纖維材料浸潤性能測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及材料測量裝置，具體涉及采用紅外系統(tǒng)測量液體在纖維材料中鋪展性能的裝置，尤其涉及一種纖維材料浸潤性能測量裝置。
背景技術：
液體對纖維材料的浸潤性能一般可通過測量液體與纖維材料表面的接觸角來表達，通過光學系統(tǒng)拍下液滴在纖維材料表面的形狀，并計算接觸角的大小來表達液體對纖維材料的浸潤性。對于拒水性材料以上方法是一個很好的方法，然而對于親水性材料由于液體在纖維材料中迅速擴展，沒有穩(wěn)定的接觸角，只有瞬間接觸角。瞬間接觸角測量只有依賴于高速攝影機高速捕捉才能做到，這一瞬間接觸角的獲得也不能有效表達液體在纖維中世紀鋪展狀況。液體在水中浸潤過程，最傳統(tǒng)的方法是芯吸高度法，這種方法簡單易行，不過指標簡單，并不能反映整個浸潤過程。另外一種方法是電阻變化法來測量材料的透濕性能，這種方法原理是纖維材料在含水率變化條件下，材料導電率變化，從而測量浸潤性能。 但是這種方法對于導電液體在材料中鋪展能夠測量，對于非導電液體在纖維中浸潤鋪展過程卻無能為力。現在市場中大部分纖維增強復合材料大多采用非導電樹脂，來擴大復合材料使用范圍，因此需要相應的檢測裝置來實現非導電液體在纖維材料中浸潤鋪展性能。纖維材料中液體浸潤鋪展的紅外測量裝置，則突破了液體范圍的限制，使得應用領域更為廣泛。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于測量液體在纖維材料中浸潤鋪展性能，特別是非導電液體的浸潤鋪展測量。為達到上述目的，本發(fā)明利用紅外光波對液體在纖維材料內浸潤變化特異性，來實現鋪展性能測量。本發(fā)明提供一種纖維材料浸潤性能測量裝置，它由紅外發(fā)生器、紅外接收器、液體上進樣管、液體下進樣管、樣品托架、液體收集器、多通道信號采集卡、電腦、控溫泵和穩(wěn)壓電源組成。紅外發(fā)生器位于液體上進樣管的上方，紅外接收器位于液體下進樣管的下方，紅外發(fā)生器與紅外接收器互相對應；液體上進樣管的管口位于樣品托架中央部的上方，液體下進樣管的管口位于樣品托架中央部，并與纖維材料樣品觸及；樣品托架用于擱置纖維材料樣品，液體收集器置于樣品托架的下方，收集剩余液體；；控溫泵分別連接液體上進樣管和液體下進樣管，用于控制進樣液體的溫度-50°C -200°C，優(yōu)選25-30°C ；多通道信號采集卡和電腦分別與紅外接收器連接；穩(wěn)壓電源與紅外發(fā)生器連接，為其提供穩(wěn)定電源。所述設備部件都可市售得到。紅外發(fā)生器與紅外接收器互相對應，并且成對設置，可以形成多對紅外光路直線， 待測纖維材料樣品的位置與該光路直線垂直。液體既可由纖維材料樣品上方的液體上進樣管進入，也可由纖維材料樣品下方的液體下進樣管進入纖維材料樣品，進樣管與多對紅外光路直線不交疊。樣品托架和樣品托架下方的剩余液體收集器皆由石英玻璃等紅外光穿透性能較好的材料加工而成。USB^32多通道采集卡(市售)同步采集紅外接收器紅外光強度變化值，穩(wěn)壓電源為紅外發(fā)生器長時間穩(wěn)定工作提供條件。多對紅外測量光路位于離圓心(液體進樣點)不同半徑的圓周上，從而完成對導電液體如水、氯化鈉、碳酸鉀和非導電液體如環(huán)氧樹脂、無水乙醇、甘油等在纖維材料中的浸潤過程特性測量。由于纖維材料的各向異性，因而液體浸潤和鋪展也有方向性，所以紅外接收器與進樣管位置的排列方法也需要有一定設計，圖2中演示了幾種常用的紅外接收器與進樣管位置。圖A則是輻射交錯型排列方法，以增加相對距離，主要用于纖維排列稠密的材料，如高密平紋碳纖維材料。圖B三叉星型排列方式，增加測量纖維材料等半徑方向上的浸潤平均性。用于纖維材料方向性很明顯的纖維，如玻璃纖維。圖C十字型排列，用于材料經向與緯向采用不同纖維材料的如棉花和羊毛，可以確定不同方向上浸潤性能差異。圖D —字形排列。用于同一種纖維經緯密度相同的平紋纖維材料如蠶絲，纖維各方向上鋪展效果幾乎相同。根據液體擴散原理，盡管排列千變萬化，但是多對紅外測量光路與試樣交匯點應在距離進樣點等半徑的圓周上，來滿足測量需求。由于采用了以上技術方案，系統(tǒng)解決了液體在纖維材料中浸潤鋪展性能的測量， 特別是非導電液體在材料中的鋪展過程測量。對于纖維復合材料中樹脂與纖維浸潤性能定量、準確研究，提供了有效、標準化的測量方法與手段。同時也為所有液體與纖維材料浸潤特性定量表征提供了另一種有效的實驗方法。
以下結合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明裝置作進一步說明。

圖1本發(fā)明一種纖維材料浸潤性能測量裝置的結構示意2本發(fā)明紅外接收器與進樣管位置排列A輻射交錯型排列B三叉星型排列C十字型排列D—字形排列圖3纖維材料浸潤過程圖ABCDEF,分別代表纖維材料與液體不同時刻的浸潤狀態(tài)A, 10 秒；B, 20 秒；C, 30 秒；D, 40 秒；E, 60 秒；F, 80 秒圖4不同纖維材料浸潤曲線對比曲線橫坐標為時間，縱坐標為浸潤率，上側Ll為玻璃纖維組成的較快浸潤材料， 下側L2為碳纖維組成的較慢浸潤材料。
具體實施例方式實施例1如圖1所示，本發(fā)明一種纖維材料浸潤性能測量裝置由紅外發(fā)生器1、紅外接收器 2、液體上進樣管3、液體下進樣管4、樣品托架6、液體收集器7、多通道信號采集卡8、電腦9、控溫液體泵10和穩(wěn)壓電源11組成。紅外發(fā)生器1位于液體上進樣管3的上方，紅外接收器2位于液體下進樣管4的下方，紅外發(fā)生器1與紅外接收器2互相對應，成對出現；進樣管3、4與多對紅外光路直線均不交疊。液體上進樣管3和液體下進樣管4分別位于樣品托架6的上方和下方，樣品托架6用于擱置纖維材料樣品12，液體收集器7置于樣品托架6 的下方；液體上進樣管管口 5位于樣品托架6的中央上方，液體下進樣管管口 5位于樣品托架6的中央，并與纖維材料樣品12觸及；控溫泵10分別連接液體上進樣管3和液體下進樣管4，用于控制進樣液體的溫度；多通道信號采集卡8和電腦9分別與紅外接收器2連接； 穩(wěn)壓電源11與紅外發(fā)生器1連接，為其提供穩(wěn)定電源。使用時，紅外發(fā)生器1與紅外接收器2成對出現并成一條光路直線，纖維材料樣品 12置于樣品托架6上，與該光路直線垂直。液體既可由纖維材料樣品12上方的液體上進樣管3進入，控溫泵10控制液體在25°C溫度條件下定量地QOml)，達到纖維材料樣品12浸潤喂入進樣管，進樣管與光路直線不交疊，避免進樣管對光路造成影響。樣品托架6和樣品托架6下方的剩余液體收集器7皆由石英玻璃等紅外光穿透性能較好的材料加工而成，減小不必要的光損耗，同時也便于實驗后液體清洗。多通道采集卡8同步采集紅外接收器2 紅外光強度變化值，穩(wěn)壓電源11為紅外發(fā)生器長時間穩(wěn)定工作提供條件。紅外接收器3的信號經過多通道信號采集卡8進入電腦9進行分析儲存，分析系統(tǒng)連續(xù)測量浸潤過程中的光學信號變化，純干燥纖維材料和純液體的紅外透光量值作為浸潤性能參照系的零點和全浸潤點(100% )，浸潤過程則是纖維材料和液體按照不同比例空間上混合的結果。實施例2圖2列出幾種常用的紅外接收器與進樣管位置的排布方法(俯視圖)。A則是輻射交錯型排列方法，以增加相對距離，主要用于纖維排列稠密的材料，如高密平紋碳纖維材料。B三叉星型排列方式，增加測量纖維材料等半徑方向上的浸潤平均性。用于纖維材料方向性很明顯的纖維，如玻璃纖維。C十字型排列，用于材料經向與緯向采用不同纖維材料的如棉花和羊毛，可以確定不同方向上浸潤性能差異。D 一字形排列。用于同一種纖維經緯密度相同的平紋纖維材料如蠶絲，纖維各方向上鋪展效果幾乎相同。然而，根據液體擴散原理，盡管排列千變萬化，但是多對紅外測量光路直線與纖維材料樣品12交匯點應在距離進樣點的等半徑圓周上，來滿足測量需求。實施例3結合圖3和圖4通過多對紅外測量光路位于離圓心(液體進樣點)的等半徑圓周上，來完成對液體在纖維材料中的浸潤過程特性測量。電腦根據分析系統(tǒng)提供的數據，進行繪圖計算分析，(本發(fā)明根據數據繪圖是通用方法，如同excel根據數據繪圖)得到浸潤程度和時間的曲線，從而對比分析不同纖維材料和不同液體之間的相對浸潤性能評價。首先利用紅外發(fā)射器和紅外接收器組成的光路系統(tǒng)測量純浸潤液體的光學性質， 作為100%浸潤的標志點，如圖3和圖4中A所示。然后把碳纖維材料12 (玻璃纖維材料可采用相同流程)放置在樣品托架6上，如圖3和圖4中B所示，這種狀態(tài)下的該紅外該點光學特性作為0%浸潤的標志點(即不浸潤點)。隨后通過下進樣管4注入環(huán)氧樹脂液體(液體溫度80°C ) (20ml)至碳纖維材料12中，(玻璃纖維材料可采用相同流程)如圖3和圖4 中C所示。隨著時間的推移，浸潤液逐漸替代碳纖維材料12間的空隙，浸潤程度逐漸升高， 如圖3和圖4中D和E所示。最后碳纖維材料12逐漸消失，浸潤后浸潤區(qū)，(玻璃纖維材料相同流程)如圖3和圖4中F所示，此時只有少量纖維間氣泡排出，此時的光學特性接近于100%浸潤點。圖3和圖4具體說明了浸潤基本過程和對應光學數值轉換出的浸潤程度曲線。通過浸潤曲線，可以準確分析出纖維材料12與液體之間的浸潤性能。圖4中看出， “較快浸潤”(玻璃纖維樣品)的纖維材料12鋪展性能要好于“較慢浸潤”(碳纖維樣品)， 這一現象在30秒至90秒之間較為明顯，而90秒之后則都逐漸趨向于完全浸潤，而“較快浸潤”玻璃纖維也始終好于“較慢浸潤”的浸潤性能。
權利要求
1.一種纖維材料浸潤性能測量裝置，其特征在于，所述測量裝置由紅外發(fā)生器(1)、紅外接收器( 、液體上進樣管C3)、液體下進樣管(4)、樣品托架(6)、液體收集器(7)、多通道信號采集卡(8)、電腦(9)、控溫泵(10)和穩(wěn)壓電源(11)組成；紅外發(fā)生器⑴位于液體上進樣管(3)的上方，紅外接收器( 位于液體液體下進樣管的下方；液體上進樣管(3) 和液體下進樣管(4)分別位于樣品托架(6)的上方和下方，樣品托架(6)用于擱置纖維材料樣品(12)，液體收集器(7)置于樣品托架(6)的下方；控溫泵(10)分別連接液體上進樣管⑶和液體下進樣管G)，用于控制進樣液體的溫度；多通道信號采集卡⑶和電腦(9) 分別與紅外接收器⑵連接；穩(wěn)壓電源(11)與紅外發(fā)生器⑴連接，為其提供穩(wěn)定電源。
2.根據權利要求1的測量裝置，其特征在于，所述紅外發(fā)生器(1)與紅外接收器(2)互相對應，并成對設置，形成多對紅外光路直線，進樣管(3)、(4)與所述多對紅外光路直線均不交疊，待測纖維材料樣品(1 的位置與所述多對光路直線垂直。
3.根據權利要求2的測量裝置，其特征在于，所述由紅外發(fā)生器(1)、紅外接收器(2) 形成的多對紅外測量光路直線與纖維材料樣品(1 交匯點應在距離進樣點的等半徑的圓周上。
4.根據權利要求1的測量裝置，其特征在于，所述液體上進樣管管口( 位于樣品托架 (6)的中央上方，液體下進樣管管口(5)位于樣品托架(6)的中央，并與纖維材料樣品(12) 觸及。
5.根據權利要求1的測量裝置，其特征在于，所述樣品托架(6)和液體收集器(7)由石英玻璃加工而成。
6.根據權利要求1的測量裝置，其特征在于，所述裝置測量時的進樣液體溫度為-50°C -150°C ；優(yōu)選 25-30°C。
7.根據權利要求1的測量裝置，其特征在于，所述裝置測量時的進樣液體量為 0. 5ml-100ml ；優(yōu)選 12ml。
全文摘要
本發(fā)明提供一種纖維材料浸潤性能測量裝置，所述測量裝置由紅外發(fā)生器(1)、紅外接收器(2)、液體上進樣管(3)、液體下進樣管(4)、樣品托架(6)、液體收集器(7)、多通道信號采集卡(8)、電腦(9)、控溫泵(10)和穩(wěn)壓電源(11)組成；紅外發(fā)生器(1)位于液體上進樣管(3)的上方，紅外接收器(2)位于液體液體下進樣管(4)的下方；樣品托架(6)用于擱置纖維材料樣品(12)，液體收集器(7)置于樣品托架(6)的下方；控溫泵(10)分別連接液體上進樣管(3)和液體下進樣管(4)，多通道信號采集卡(8)和電腦(9)分別與紅外接收器(2)連接；穩(wěn)壓電源(11)與紅外發(fā)生器(1)連接，為其提供穩(wěn)定電源。本裝置可以測量液體在纖維材料中的鋪展性能。
文檔編號G01N21/59GK102346124SQ20101024518
公開日2012年2月8日 申請日期2010年8月4日 優(yōu)先權日2010年8月4日
發(fā)明者劉宇清, 楊海華 申請人:劉宇清, 楊海華