Устройство для определения реологических свойств материалов

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G01 N11 16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3575173/24-25 (22) 08.04.83 (46) 07.05.86. Бюл. № 17 (71) Московский институт радиотехники, электроники и автоматики и Институт элементоорганических соединений АН СССР (72) В. Н. Гаврилов, A. А. Мягков, Ю. П. Гущо, В. Г. Васильев, В. Ф. Алексеев и Г. Л. Слонимский (53) 532.137 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 672545, кл.G 01 N 11/16, 1979.

Электронная обработка материалов, 1978, № 5, с. 39 — 42.

Авторское свидетельство СССР

¹ 911221, кл. G 01 N 11/16, 1982.

Sohl С. Н., Miyako К. Novel technique

for dynamic surface tension and viscosity

measurement at liquid-gas interfaces.— Rev.

Sci. Instrum. 1978, 49, № 10, р. 1464 — 1469.

„„SU„„1229646 А 1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к устр, йствам 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 превышающим толщины слоя образца. В оптической системе регистрации формирователь лу«ча выполнен в виде объектива с фокусным расстоянием в 25 — 1000 раз большим расстояния от предметной плоскости объектива до предметного столика. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1229646

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 реологических свойств материалов содержит проводящую основу, выполненную в виде прозрачной диэлектрической подложки 1, покрытой прозрачным электропроводящим слоем 2, иа котором помещают слой 3 исследуемого материала. Над слоем 3 материала в механизме 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. Подложка 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 регистрации, при этом общая 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 свободной поверхности исследуемого материала (показано пунктиром).

Устройство для определения реологических свойств материалов работает следующим образом.

На электропроводящий слой 2 подложки 1 наносят слой 3 исследуемого материала (вязкоупругой жидкости, высокопластичного геля или эластомера с малым 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 исследуемый слой

3 материала воздействует электрическое поле> в результате чего на поверхности раздела материал воздух вследствие различных их диэлектрических проницаемостей возникают пондеромоторные силы, прилаженные

35 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 амплитуду 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, превышающей размер электрода 5, влияние подложки несущественно, и рельеф образуется и од центром электрода. Дал ьней шее увеличение толщины слоя 3 приводит к увеличению расхода исследуемого материала, кроме того, в случае диэлектрических материалов происходит уменьшенис чувствительности к электрическому полю.

Деформацию поверхности материала 3 регистрируют с помощью светового потока 19, отраженного от свободной поверхности слоя

3. Световой поток 19 источника 12 света проходит через подложку 1 и отражается от свободной поверхности слоя 3. Отраженныи световой поток испытывает модуляцию ио 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 помощью поворотных зеркал 13 и 14 поступает на объектив 15, фо!)ыирующий 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 мате!

229646 риала 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 отклоне ния предметной плоскости объектива 15 от свободной поверхности слоя 3 происходит ухудшение качества регистрируемого изображения в результате искажений изображения рельефа из-за большой 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 17 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 помошью 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, изменяюшихся 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 воз10

55 действия (10 — 10 Гц), что значительно расширяет 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 низкомодульных — 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 чувствительность и точность 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 равен толщине исследуемого материала. Кроме того, чувствительность и точность увеличиваются за счет того, что размер отвер стия диафрагмы сделан меньше линейного размера рабочей части электрода управления, так как при этом фотоприемник регистрирует только полезную модуляцию светового потока, что повышает отношение сигналшум регистрируемого сигнала. Отношение сигнал-шум дополнительно увеличивается за счет повышения качества изображения деформации свободной поверхности исследуемого материала, что достигается размещением проекционного объектива таким образом, что расстояние от его предметной 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 управления и свободной поверхностью исследуемого материала после нанесения исследуемого образца.

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

Устройство позволяет проводить исследования весьма малого количества материала благодаря воздействию электрического поля на исследуемый материал с помощью точечного электрода и оптического считывания, что обеспечивает проведение исследований на малых объемах материалов (10 см и менее) . Кроме того, использование122964б

Формула изобретения

Составитель d. Крутпн

Редактор Е. Папи Техред И. Верес Корректор T. Колб

Заказ 2226/43 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и оз крытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4 неразрушающего метода определения реологических свойств позволяет сохранить образец исследуемого материала, что позволяет использовать предлагаемое устройство для исследования дорогих и редких материалов.

1. Устройство для определения реологических свойств материалов, содержащее корпус, в котором закреплены через изоляторы предметный столик для размещения исследуемого образца в виде слоя и электрод управления, систему взаимного перемещения электрода у правления и предметного столика, источник напряжения, электрически под15 ключенныи к предметному столику и электроду управления, оптический блок регистрации деформации поверхности образца материала, включающий источник света, формирователь луча, систему зеркал и светоприемник, 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 исследуемого образца материала.

2. Устройство по и. 1, отличающееся тем, что формирователь луча выполнен в виде объектива с фокусным расстоянием в 25—

1000 раз большим расстояния от предметной плоскости объектива до предметного столика, диафрагма объектива расположена в плоскости изображения объектива, а размер отверстия диафрагмы меньше поперечного размера конца электрода управления, умноженного на коэффициент увеличения об ьектива.