高分子成型加工实验教学仪器的改进

2013-05-03唐颂超徐世爱李水强

实验技术与管理 2013年4期

滕鑫，唐颂超，徐世爱，李水强

高分子科学是一门应用性很强的学科，是化学、化工、材料等专业必修的基础课程，是一门实验性很强的学科。实验既可以帮助学生建立和巩固高分子科学的基本概念和基本理论，培养科学素养，又可以锻炼学生的综合技能［1］。

在众多实验方法中，高分子材料成型加工技术是获取高分子材料制品、体现材料特性和开发新材料的重要手段。早在上世纪六七十年代，新的高聚物就不断地被合成出来，具有独特性能的高分子材料也不断出现［2］。然而许多新材料至今未能取得广泛的应用，原因之一是受限于成型加工技术。高分子成型加工，如挤出、注塑、热成型、铸塑等方法，可以赋予部件及产品以特殊的形状和尺寸。然而，由于实验仪器内部反应复杂，整个物理化学过程发生在密闭的高压、中温、钢制圆筒中，导致往往只知其大致规律，而无法分析并掌握其精确的物理数学规律模型［3］。本文在观测目标与自聚焦透镜之间设计了光学照明系统，使得这一问题得以解决。

1 挤出过程可视化发展现状及改进工作的意义

从上世纪60年代开始，国际聚合物加工学界就开始借助可视化技术来建立或完善基础理论，同时解决聚合物加工中出现的各方面问题，例如优化制品配方和挤出加工工艺、改进螺杆设计等［4］。

1993年，在单螺杆可视化挤出机的基础上，我国研制了国产第一台完全由计算机控制的双螺杆可视化挤出机。该挤出机的最大特点有2个：一是三向，可同时从机筒的左、右、上3个方向观察并摄影；二是全程，观察范围包括整根螺杆上均匀分布的各点。

但这种可视化技术完全是建立在宏观可视化基础上的，即肉眼观察、摄影及摄像，其观察尺度为毫米级。这作为研究以加料、输送、熔融等过程为代表的挤出理论，其实验根据是足够的。然而在挤出过程中还发生了聚合物形态、结构以及流变性能等方面的各种变化，并会对制品的最终性能产生很大的影响［5］。因此，将挤出理论与材料科学中聚合物形态、结构以及流变性能等理论结合起来共同研究是十分有必要的，这对促进聚合物材料科学及挤出工程的全面发展有着积极的意义。

现有的显微镜都是物镜直接靠近物平面进行观测，物镜的工作距离相当小，使得物镜工作时几乎要与物平面相接触。聚合物成型加工实验大多是在高温下进行，而普通的显微镜物镜在高温下会发生变形，从而无法正常工作。如何使物镜远离高温目标物，在相对较低的环境温度下进行显微镜观测是本文的研究重点。

要满足物镜远离目标物而又能在显微镜中成像，理论上有2个方法：一是使显微镜物镜的工作距离进一步扩大；二是让目标物在现有的物镜工作距离之内成实像。根据现有的显微镜理论，方法一中的物镜是难以实现的。因此只能对方法二进行研究，即制备一种光学器件，目标物在通过这种光学器件后在物镜的工作距离内成像并照相。为此，本文制备了高温下显微镜的探头，并将其与显微镜系统构成一个整体，实现了探头在工作过程中成像与照相功能的联合应用［6］。由于现有显微镜在高温高压下难以开展工作，现场观察更加难以实现，因此，本文的研究事实上是对现有显微镜技术上的新拓展，对于其他一些类似环境的微观观测有相当实用的应用价值，进一步拓宽了光学显微镜的应用领域。

2 基本设计思路

2.1 设计原理

在目标物与显微镜的物镜之间安装合适的自聚焦透镜（见图1），使目标物的实像在物镜的工作距离内，这样就可以在普通显微镜中观测到这一实像。根据自聚焦透镜的成像原理可知，所观察到的实像就是所要观察的目标，所成的实像是与目标物相等的倒像。通过普通显微镜结合自聚焦透镜联用实验，我们得到结论：直接照明目标物时，可以在显微镜的物镜中观察到目标物通过显微镜放大的像；而在物镜与自聚焦透镜之间进行光学照明时，却无法在物镜中观察到目标。这是由于自聚焦透镜传播光线时入射光线的入射角必须小于临界角，而采用该种方法照明时，由于物镜工作距离的限制，物镜与自聚焦透镜的距离只能被限定在一个较小的范围之内，显然普通光线照明时的入射角远大于透镜的临界角。

图1 物镜与自聚焦透镜位置图

2.2 自聚焦透镜的选择

了解了自聚焦透镜成像的特性，就需要选用合适的自聚焦透镜。根据图2所示的不同截距的自聚焦透镜，只有截距Z＝0.50P和Z＝1.00P时才可以传播与实物相同的像，只是成的像是倒立的。在实际情况下，现有理论认为双螺杆挤出机内反应物的反应是随机的，所以观察的结果与成像是否正立无关，所选自聚焦透镜只要能够传播图像即可。因此，我们选用了截距为Z＝0.50P的自聚焦透镜。

图2 不同截距自聚焦透镜中光的传播轨迹

由于光线无法通过自聚焦透镜传播到目标物像上，导致物镜中看不到所要观察的像，在实物下方或是自聚焦透镜与实物之间对目标物像进行照明就成了首选方案［7］。而事实上所要观测的目标是螺杆挤出机中的反应物，实物下方就是螺杆，不可能实现在实物下方对目标物象进行照明的方案，基于这个原因，光学照明就只能在目标物与自聚焦透镜之间进行，这是整个设计的核心。

2.3 基本设计框架

基于上述原因，就可以得到整个系统的基本设计框架如图3所示。

图3 基本设计思路图解

图4 目标物成像在自聚焦透镜内的图解

本实验所用的光纤是长度为67mm、直径为2.68 mm的光纤棒，自聚焦透镜截距为0.50P。事实上，一般使用0.50P倍数的自聚焦透镜的长度略小于该透镜固有的截距长度，在实验中也证实小范围内上下移动透镜，所观察到的像基本不会发生变化［8］。此外，目标物与自聚焦透镜并非直接接触，且必须保持一定的距离用来安装玻璃片以保护透镜。根据图4所示：当自聚焦透镜远离目标物时也能观察到成像，只是成像位置在透镜的内部，但是只要实像的位置在物镜的工作距离之内，就能够被显微镜所观察。由于所要观察的目标物并非是紧贴在保护玻璃层，而是略深于保护玻璃的下表层，其成像处于物镜的工作距离以内。由此可知，必须照明到保护玻璃的下表层，这样可以通过物镜观察到目标物像，只是成像的位置在聚焦透镜的内部而已，因此采用自聚焦透镜是最佳选择。

本研究的目的是实时观测在双螺杆中反应的高分子物质，需要借助显微镜摄像技术［9］。首先，应确定摄像机的安装位置，实验证明：在物镜成像平面附近的CCD片有自动调节的功能，摄像机CCD上的每一个像素点都有一定的大小，以某一像素点为例，当光束照射到CCD时，只要通过该像素点的光线数相同，即照射到该像素点的光强相同，就能以相同的光强激活该像素点，其所反映的图像也是相同的，因此在成像平面附近（距离只与CCD的像素点的大小有关）可以安装摄像机。

3 设计结果

3.1 研究对象的选定

螺杆挤出机上的探测孔的型号及种类如表1所示，表1中A、B、C为安装尺寸。本实验研究是针对GYZ2型，如图5所示。

表1 传感器安装尺寸

图5 螺杆挤出机上的探测孔（GYZ2型）

3.2 光学照明系统的设计

本设计的棱镜是圆柱形，但剖面是采用成型的棱镜进行组合来设计的［10］，这样就保证了设计的实际可行性，图6中的棱镜1的剖面是等腰棱镜DⅡ－45°，它的一个顶角大小为45°，2个底角都为67.5°，它的作用是使光轴转角45°，用的是3次反射的方法。如图6中所示的光线垂直照射到一条腰边AC上，进入棱镜后依然竖直向下传播，到达另一条腰BC后全反射到底边AB，在底边上再次全反射到AC后全反射垂直于腰传播出棱镜，全过程经过了3次全反射，最后在2号棱镜的底边上就会有一个与过渡透镜等大圆斑，并且轴心处会有以轴心为圆心，直径为1.32mm的重叠区域，该区域的光强强，适合显微镜的光学观测。棱镜1的底边必须镀银，因为通过式sinα＝1/n，α＝45°计算，得出n＝1.414，因此棱镜的材料的折射率必须大于1.414。常用的冕牌玻璃的折射率都大于该值，因此该透镜可用常规玻璃制作。但是底边的入射角是22.5°，同样通过折射定律公式可以求得n＝2.613，这个值远大于实际玻璃的折射率，所以必须镀银以保证光线在底边能够全反射［11］。

图6 棱镜组剖面设计示意图

3.3 设计的可行性及注意事项

本设计在空间结构上满足给定标准的孔径大小，因此在材料允许的条件下，完全可以制作出来。该设计的优点在于可利用的光线区间比较大，而且在光轴附近有较大的重叠区域可供观测，该区域的光斑比较明亮，有利于观测到清晰的像。

虽然该设计在理论上解决了入射光的引入，而且在实际情况下也能够在该轴心处聚焦，在现有的平板棱镜中可以轻易实现，而我们所要的是环形棱镜，即便如此，只要在剖面上能满足棱镜的特征，就可以使光线在轴心附近平行照射到2号棱镜下表面的重叠区域聚焦［12］。只是环形棱镜的制作有一定的难度，尤其是在厚度只有2mm的条件下。另外，1号棱镜的外径为4.17mm，而安装的最大尺寸半径为4mm，除去安装的必要空间，可用空间非常小，因此有必要磨去部分底边，就如图6所示的光线束中的最边缘光线，这样就可以在实际中安装和使用。

在安装的过程中棱镜特性不能改变，2个棱镜之间必须使用一层极薄的胶水，且胶水层的折射率必须小于玻璃的折射率，这是由于只有当光线由折射率高的介质射向折射率低的介质才有可能产生全反射现象，如图6所示的1号棱镜有一条腰所在的切面是一个全反射面。而且在胶合的时候必须保证棱镜的全反射现象不被破坏，这就要求胶合必须完全均匀，至少在一段有效的空间是均匀的。如图6所示，光线在1号棱镜的腰下半部分才是有效的全反射区域，因此可以在棱镜腰的上半部分进行胶合，而空出棱镜的下半部分，使全反射得以进行。

4 结束语

本文中主要讨论了螺杆挤出机探测孔中光学照明系统的设计，同时介绍了该系统的功能、特点、设计思路及设计过程中的注意事项。使用光学照明系统，可以提高学生的学习兴趣和求知欲望。使学生加深对有关概念的理解与掌握，满足学生预习高分子加工实验的需要，同时配合课堂教学可以起到相辅相成的效果。

在高分子本科教学专业课程体系中，高分子成型加工是一门重要的核心课程，有高分子加工专业学生必须掌握的专业知识和技能［13］。结合高分子成型加工工艺实验有关教材的内容，在螺杆挤出机GYZ2型探测孔中安装光学照明系统，能够使学生看清实验的全过程及原实验无法直接观察到的仪器内部工作过程，达到了形与神的完美结合，保证了教学实验的直观性和动态过程的逼真性。

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