Устройство для определения реологических свойств материалов Советский патент 1986 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к области определения реологических свойств материалов, в частности низкомодульных полимерных систем, например гелей, и может быть использовано для исследования структурных (физических или химических) превращений полимерных систем и для количественной оценки реологических свойств материалов.

Цель изобретения - увеличение чувствительности и точности определения реологических свойств исследуемых материалов.

На чертеже показана схема устройства для определения реологических свойств материалов.

Устройство для определения реологиче- ских свойств материалов содержит проводящую основу, выполненную в виде прозрачной диэлектрической подложки 1, покрытой прозрачным электропроводящим слоем 2, на котором помещают слой 3 исследуемого материала. Над слоем 3 материала в меха- низме 4 перемещения установлен электрод 5 управления. Между рабочей частью 6 электрода 5 управления и свободной поверхностью исследуемого материала образован зазор, величина которого регулируется с помощью механизма 4 перемещения. Подлож- ка 1 и механизм 4 перемещения закреплены в корпусе 7. Электрод 5 управления электрически соединен с выходом источника 8 напряжения и с первым входом 9 блока 10 регистрапии, при этом обпаая точка 11 блока 8 управления соединена с электропроводящим слоем 2. Система регистрации включает оптически связанные между собой источник 12 света, первое поворотное зеркало 13, второе поворотное зеркало 14, проекционный объектив 15, диафрагму 16 и фотоприемник 17, выход которого электрически соединен с вторым входом 18 блока 10 регистрации. При исследовании прозрачных материалов световой поток 19 источника 12 света направляют со стороны подложки 1, а при исследовании непрозрачных материалов - со стороны сво- бодной повер.хности исследуемого материала (показано пунктиром).

Устройство для опреде 1ения реологических свойств материалов работает следующим образом.

На электропроводящий слой 2 подлож- ки 1 наносят слой 3 исследуе.мого материала (вязкоупругой жидкости, высокопластичного геля или эластомера с .малы.м модулем упругости (10-10 ДИН/СМ)). С помощью источника 8 напряжения между электродом 5 управления и электропроводящим слоем 2 прикладывают электрическое напряжение с переменной или скачкообразной модуляцией, при этом на исследуе.мый слой 3 материала воздействует электрическое поле в результате чего на поверхности раздела материал - воздух вследствие различных их диэлектрических проницаемостей возникают пондеромоторные силы, приложенные

к свободной поверхности слоя 3 материала и вызывающие ее деформацию. На поверхности слоя 3 образуется рельеф, площадь которо го определяется размерами рабочей части 6 электрода 5 управления, а высота определяется напряженностью электрического поля и физико-химическими характеристиками материала. С помощью источника 8 напряжения получают требуемую частоту и амплитуду напряжения на электроде 5 управления.

С возрастанием модуля упругости исследуемого материала 3 для сохранения величины деформации необходимо увеличивать напряженность электрического поля, что можно сделать, приближая рабочую часть 6 электрода 5 управления к слою 3 с помощью узла 4 перемещения или увеличивая а.мплиту- ду напряжения, подаваемого с блока 8 управления, либо одновременно приближая электрод 5 управления к слою 3 и увеличивая амплитуду напряжения. При определении реологических свойств материала 3 необходимо согласовывать его толщину с размерами рабочей части 6 электрода 5 управления. Так, например, в случае выполнения электрода 5 управления в виде цилиндра или полосы, линейный размер которых больше толщины слоя 3, рельеф на свободной поверхности последнего образуется не под центром электрода управления, а под его краями, что объясняется влиянием жесткой подложки. Кроме того, учет влияния жесткой подложки усложняет определение реологических свойств. При толщине слоя 3, превыи ающей размер электрода 5, влияние подложки несущественно, и рельеф образуется под центром электрода. Дальнейшее увеличение толщины слоя 3 приводит к увеличению расхода исследуемого .материала, кроме того, в случае диэлектрических материалов происходит уменьшение чувствительности к электрическому полю.

Деформацию поверхности материала 3 регистрируют с помощью светового потока 19, отраж(;нного от свободной поверхности слоя 3. Световой поток 19 источника 12 света проходит через подложку 1 и отражается от свободной поверхности слоя 3. Отраженный световой поток испытывает модуляцию 1о фазе в соответствии с величиной деформации. Для преобразования фазовой модуляции в амплитудную, что необходимо для работы фотоприемника 17, применена система считывания на основе дефокусировки изображения поверхности слоя 3. При этом отраженный световой поток 19 с помопдью поворотных зеркал 13 и 14 поступает на ектив 15, формирующий в плоскости диафрагмы 16 изображение поверхности слоя исследуемого материала 3 с небольшой дефо кусировкой. В случае исследования непро- зрачны:х материалов световой поток 19 направляют со стороны исследуемого материала 3, а поворотные зеркала 13 и 14 размещают таким образом, что световой поток 19, отраженный от свободной поверхности слоя 3, поступает на объектив 15 (показано пунктиром).

Дефокусировку изображения рельефа создают за счет размещения проекционного объектива 15 таким образом, что его предметная плоскость находится на расстоянии, равном 0,001-0,04 фокусного расстояния объектива 15 от свободной поверхности слоя 3. При дальнейшем увеличении отклонения предметной плоскости объектива 15 от свободной поверхности слоя 3 происходит ухудшение качества регистрируемого изображения в результате искажений изображения рельефа из-за больщой дефокусировки. При совпадении предметной плоскости объектива 15 и свободной поверхности слоя 3 изображение рельефа отсутствует в результате фазовой, а не амплитудной модуляции света. Таким образом, нижняя граница отклонения предметной плоскости объектива 15 от свободной поверхности слоя 3 с учетом реальных фокусных расстояний проекционных оптических систем принята равной 0,001 фокусного расстояния объектива 15. При этом предметная плоскость объектива 15 может находиться как по одну сторону свободной поверхности слоя 3, так и по другую сторону слоя 3. Кроме того, для уменьшения искажений изображения рельефа диафрагму 16 и фотоприемник 7 располагают в плоскости изображения объектива 15, а для повышения отношения сигнал/шум выходного сигнала фотоприемника 17 величину отверстия диафрагмы 16 выполняют не более линейного размера рабочей части 6 электрода 5 управления, взятой с коэффициентом увеличении отверстия 15. При дальнейшем увеличении отверстия диафрагмы 16 на фотоприемник 17 попадает все больший световой фон, не несущий информации, что приводит к уменьшению отношению сигнал/ /шум. С помощью диафрагмы 16 убирают световой фон изображения поверхности слоя 3, оставляя только изображение деформации, которое фиксирует фотоприемник 17. На выходе последнего получают электрический сигнал, пропорциональный величине деформации, с помощью которого регистрируют амплитуду и длительность образования деформации.

С выхода фотоприемника 17 электрический сигнал поступает на второй вход 18 блока 10 регистрации, на первый вход 9 которого поступает сигнал с источника 8 напряжения. Сравнивая величины и фазы этих сигналов, изменяющихся во времени, судят о реологических свойствах исследуемых материалов. Периодическое напряжение электрического поля, в том числе синусоидальное, действующее на исследуемый материал, позволяет определять его реологические свойства в широком диапазоне частот воздействия (), что значительно рас- щиряет область исследуемых материалов. Скачкообразное воздействие позволяет получить в процессе одного измерения сразу весь спектр времен релаксации исследуемого материала 3.

Предлагаемое устройство позволяет иссле довать реологические свойства разнообразных материалов, в том числе жидких (масла, спирты и т. п.), а также низкомодуль0 ных - эластомеров (каучуки, резины и т. п.), гелей (желатины, полиорганосилоксанов), эти материалы могут быть как проводящими, так и непроводящими, как прозрачными для света, так и непрозрачными.

Увеличивается чувствительност ь и точ5 ность определения реологических свойств исследуемых материалов за счет равномерного распределения электрического поля и устранения влияния жесткой подложки благодаря тому, что линейный размер рабочей части электрода управления меньше или р-авен толщине исследуемого материала. Кроме того, чувствительность и точность увеличиваются за счет того, что размер отверстия диафрагмы сделан меньше линейного размера рабочей части электрода управле5 ния, так как при этом фотоприемник регистрирует только полезную модуляцию светового потока, что повышает отношение сигнал- шум регистрируемого сигнала. Отношение сигнал-шум дополнительно увеличивается за счет повышения качества изображения дефор-0 мации свободной поверхности исследуемого материала, что достигается размещением проекционного объектива таки.м образом, что расстояние от его пред.метной плоскости до свободной поверхности исследуемого .материала составляет 0,001-0,04 фокусного расстояния объектива.

Обеспечивается увеличение и подстройка чувствительности к входному электрическому сигналу за счет регулировки зазора между рабочей поверхностью электрода управлед ния и свободной поверхностью исследуемого материала после нанесения исследуемого образца.

Расширяется область исследуемых материалов, так как устройство позволяет исследовать прозрачные и непрозрачные мате5 риалы. Возможность сравнения входного и выходного сигналов, меняющихся во времени, позволяет судить о частотно-временных свойствах исследуемых материалов, что расширяет функциональные возможности устройства.

0

Устройство позволяет проводить исследования весьма малого количества материала благодаря воздействию электрического поля на исследуемый материал с по- 5 мощью точечного электрода и оптического считывания, что обеспечивает проведение исследований на малых объемах материалов (lO cM и менее). Кроме того, использованиенеразрушающего метода определения реологических свойств позволяет сохранить образец и-сследуемого материала, что позволяет использовать предлагаемое устройство для исследования дорогих и редких материалов.

Формула изобретения

1. Устройство для определения реологических свойств материалов, содержапдее корпус, в котором закреплены через изоляторы предметный столик для размещения исследуемого образца в виде слоя и электрод управления, систему взаимного перемещения электрода управления и предметного столика, источник напряжения, электрически подключенный к предметному столику и электроду управления, оптический блок регистрации деформации поверхности образца материала, включающий источник света, форми

5

рователь луча, систему зеркал и светоприем- ник, отличающееся тем, что, с целью увеличения чувствительности и точности, предметный столик выполнен в виде прозрачной диэлектрической подложки, покрытой прозрачным электропроводящим слоем, причем характерный размер торца электрода управления выбран не более толщины слоя исс.ае- дуемого образца материала.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что формирователь луча выполнен в виде объектива с фокусным расстоянием в 25- 1000 раз больщим расстояния от предметной плоскости объектива до предметного столика, диафрагма объектива расположена в плоскости изображения объектива, а размер отверстия диафрагмы меньще поперечного размера конца электрода управления, умноженного на коэффициент увеличения объектива.

/

Изобретение относится к устр. ствам для измерения реологических свойств материалов и предназначено для использования в средствах контроля полимеров и других жидкостей. С целью повышения точности измерений в устройстве, содержащем предметный столик, электрод возбуждения и оптическую систему регистрации деформации образца, помещаемого на предметный столик, последний выполнен в виде прозрачной диэлектрической подложки, а электрод возбуждения выполнен с поперечным размером, не превыщающим толщины слоя образца. В оптической системе регистрации формирователь луча выполнен в виде объектива с фокусным расстоянием в 25-1000 раз большим расстояния от предметной плоскости объектива до предметного столика. 1 з.п. ф-.ты, 1 ил. i СЛ to ю со CTJ 4 05

//