高分子成型加工實驗教學(xué)儀器的改進

滕 鑫，唐頌超，徐世愛，李水強

高分子科學(xué)是一門應(yīng)用性很強的學(xué)科，是化學(xué)、化工、材料等專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程，是一門實驗性很強的學(xué)科。實驗既可以幫助學(xué)生建立和鞏固高分子科學(xué)的基本概念和基本理論，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)，又可以鍛煉學(xué)生的綜合技能［1］。

在眾多實驗方法中，高分子材料成型加工技術(shù)是獲取高分子材料制品、體現(xiàn)材料特性和開發(fā)新材料的重要手段。早在上世紀六七十年代，新的高聚物就不斷地被合成出來，具有獨特性能的高分子材料也不斷出現(xiàn)［2］。然而許多新材料至今未能取得廣泛的應(yīng)用，原因之一是受限于成型加工技術(shù)。高分子成型加工，如擠出、注塑、熱成型、鑄塑等方法，可以賦予部件及產(chǎn)品以特殊的形狀和尺寸。然而，由于實驗儀器內(nèi)部反應(yīng)復(fù)雜，整個物理化學(xué)過程發(fā)生在密閉的高壓、中溫、鋼制圓筒中，導(dǎo)致往往只知其大致規(guī)律，而無法分析并掌握其精確的物理數(shù)學(xué)規(guī)律模型［3］。本文在觀測目標與自聚焦透鏡之間設(shè)計了光學(xué)照明系統(tǒng)，使得這一問題得以解決。

1 擠出過程可視化發(fā)展現(xiàn)狀及改進工作的意義

從上世紀60年代開始，國際聚合物加工學(xué)界就開始借助可視化技術(shù)來建立或完善基礎(chǔ)理論，同時解決聚合物加工中出現(xiàn)的各方面問題，例如優(yōu)化制品配方和擠出加工工藝、改進螺桿設(shè)計等［4］。

1993年，在單螺桿可視化擠出機的基礎(chǔ)上，我國研制了國產(chǎn)第一臺完全由計算機控制的雙螺桿可視化擠出機。該擠出機的最大特點有2個：一是三向，可同時從機筒的左、右、上3個方向觀察并攝影；二是全程，觀察范圍包括整根螺桿上均勻分布的各點。

但這種可視化技術(shù)完全是建立在宏觀可視化基礎(chǔ)上的，即肉眼觀察、攝影及攝像，其觀察尺度為毫米級。這作為研究以加料、輸送、熔融等過程為代表的擠出理論，其實驗根據(jù)是足夠的。然而在擠出過程中還發(fā)生了聚合物形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及流變性能等方面的各種變化，并會對制品的最終性能產(chǎn)生很大的影響［5］。因此，將擠出理論與材料科學(xué)中聚合物形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及流變性能等理論結(jié)合起來共同研究是十分有必要的，這對促進聚合物材料科學(xué)及擠出工程的全面發(fā)展有著積極的意義。

現(xiàn)有的顯微鏡都是物鏡直接靠近物平面進行觀測，物鏡的工作距離相當(dāng)小，使得物鏡工作時幾乎要與物平面相接觸。聚合物成型加工實驗大多是在高溫下進行，而普通的顯微鏡物鏡在高溫下會發(fā)生變形，從而無法正常工作。如何使物鏡遠離高溫目標物，在相對較低的環(huán)境溫度下進行顯微鏡觀測是本文的研究重點。

要滿足物鏡遠離目標物而又能在顯微鏡中成像，理論上有2個方法：一是使顯微鏡物鏡的工作距離進一步擴大；二是讓目標物在現(xiàn)有的物鏡工作距離之內(nèi)成實像。根據(jù)現(xiàn)有的顯微鏡理論，方法一中的物鏡是難以實現(xiàn)的。因此只能對方法二進行研究，即制備一種光學(xué)器件，目標物在通過這種光學(xué)器件后在物鏡的工作距離內(nèi)成像并照相。為此，本文制備了高溫下顯微鏡的探頭，并將其與顯微鏡系統(tǒng)構(gòu)成一個整體，實現(xiàn)了探頭在工作過程中成像與照相功能的聯(lián)合應(yīng)用［6］。由于現(xiàn)有顯微鏡在高溫高壓下難以開展工作，現(xiàn)場觀察更加難以實現(xiàn)，因此，本文的研究事實上是對現(xiàn)有顯微鏡技術(shù)上的新拓展，對于其他一些類似環(huán)境的微觀觀測有相當(dāng)實用的應(yīng)用價值，進一步拓寬了光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 基本設(shè)計思路

2.1 設(shè)計原理

在目標物與顯微鏡的物鏡之間安裝合適的自聚焦透鏡（見圖1），使目標物的實像在物鏡的工作距離內(nèi)，這樣就可以在普通顯微鏡中觀測到這一實像。根據(jù)自聚焦透鏡的成像原理可知，所觀察到的實像就是所要觀察的目標，所成的實像是與目標物相等的倒像。通過普通顯微鏡結(jié)合自聚焦透鏡聯(lián)用實驗，我們得到結(jié)論：直接照明目標物時，可以在顯微鏡的物鏡中觀察到目標物通過顯微鏡放大的像；而在物鏡與自聚焦透鏡之間進行光學(xué)照明時，卻無法在物鏡中觀察到目標。這是由于自聚焦透鏡傳播光線時入射光線的入射角必須小于臨界角，而采用該種方法照明時，由于物鏡工作距離的限制，物鏡與自聚焦透鏡的距離只能被限定在一個較小的范圍之內(nèi)，顯然普通光線照明時的入射角遠大于透鏡的臨界角。

圖1 物鏡與自聚焦透鏡位置圖

2.2 自聚焦透鏡的選擇

了解了自聚焦透鏡成像的特性，就需要選用合適的自聚焦透鏡。根據(jù)圖2所示的不同截距的自聚焦透鏡，只有截距Z＝0.50P和Z＝1.00P時才可以傳播與實物相同的像，只是成的像是倒立的。在實際情況下，現(xiàn)有理論認為雙螺桿擠出機內(nèi)反應(yīng)物的反應(yīng)是隨機的，所以觀察的結(jié)果與成像是否正立無關(guān)，所選自聚焦透鏡只要能夠傳播圖像即可。因此，我們選用了截距為Z＝0.50P的自聚焦透鏡。

圖2 不同截距自聚焦透鏡中光的傳播軌跡

由于光線無法通過自聚焦透鏡傳播到目標物像上，導(dǎo)致物鏡中看不到所要觀察的像，在實物下方或是自聚焦透鏡與實物之間對目標物像進行照明就成了首選方案［7］。而事實上所要觀測的目標是螺桿擠出機中的反應(yīng)物，實物下方就是螺桿，不可能實現(xiàn)在實物下方對目標物象進行照明的方案，基于這個原因，光學(xué)照明就只能在目標物與自聚焦透鏡之間進行，這是整個設(shè)計的核心。

2.3 基本設(shè)計框架

基于上述原因，就可以得到整個系統(tǒng)的基本設(shè)計框架如圖3所示。

圖3 基本設(shè)計思路圖解

圖4 目標物成像在自聚焦透鏡內(nèi)的圖解

本實驗所用的光纖是長度為67mm、直徑為2.68 mm的光纖棒，自聚焦透鏡截距為0.50P。事實上，一般使用0.50P倍數(shù)的自聚焦透鏡的長度略小于該透鏡固有的截距長度，在實驗中也證實小范圍內(nèi)上下移動透鏡，所觀察到的像基本不會發(fā)生變化［8］。此外，目標物與自聚焦透鏡并非直接接觸，且必須保持一定的距離用來安裝玻璃片以保護透鏡。根據(jù)圖4所示：當(dāng)自聚焦透鏡遠離目標物時也能觀察到成像，只是成像位置在透鏡的內(nèi)部，但是只要實像的位置在物鏡的工作距離之內(nèi)，就能夠被顯微鏡所觀察。由于所要觀察的目標物并非是緊貼在保護玻璃層，而是略深于保護玻璃的下表層，其成像處于物鏡的工作距離以內(nèi)。由此可知，必須照明到保護玻璃的下表層，這樣可以通過物鏡觀察到目標物像，只是成像的位置在聚焦透鏡的內(nèi)部而已，因此采用自聚焦透鏡是最佳選擇。

本研究的目的是實時觀測在雙螺桿中反應(yīng)的高分子物質(zhì)，需要借助顯微鏡攝像技術(shù)［9］。首先，應(yīng)確定攝像機的安裝位置，實驗證明：在物鏡成像平面附近的CCD片有自動調(diào)節(jié)的功能，攝像機CCD上的每一個像素點都有一定的大小，以某一像素點為例，當(dāng)光束照射到CCD時，只要通過該像素點的光線數(shù)相同，即照射到該像素點的光強相同，就能以相同的光強激活該像素點，其所反映的圖像也是相同的，因此在成像平面附近（距離只與CCD的像素點的大小有關(guān)）可以安裝攝像機。

3 設(shè)計結(jié)果

3.1 研究對象的選定

螺桿擠出機上的探測孔的型號及種類如表1所示，表1中A、B、C為安裝尺寸。本實驗研究是針對GYZ2型，如圖5所示。

表1 傳感器安裝尺寸

圖5 螺桿擠出機上的探測孔（GYZ2型）

3.2 光學(xué)照明系統(tǒng)的設(shè)計

本設(shè)計的棱鏡是圓柱形，但剖面是采用成型的棱鏡進行組合來設(shè)計的［10］，這樣就保證了設(shè)計的實際可行性，圖6中的棱鏡1的剖面是等腰棱鏡DⅡ－45°，它的一個頂角大小為45°，2個底角都為67.5°，它的作用是使光軸轉(zhuǎn)角45°，用的是3次反射的方法。如圖6中所示的光線垂直照射到一條腰邊AC上，進入棱鏡后依然豎直向下傳播，到達另一條腰BC后全反射到底邊AB，在底邊上再次全反射到AC后全反射垂直于腰傳播出棱鏡，全過程經(jīng)過了3次全反射，最后在2號棱鏡的底邊上就會有一個與過渡透鏡等大圓斑，并且軸心處會有以軸心為圓心，直徑為1.32mm的重疊區(qū)域，該區(qū)域的光強強，適合顯微鏡的光學(xué)觀測。棱鏡1的底邊必須鍍銀，因為通過式sinα＝1/n，α＝45°計算，得出n＝1.414，因此棱鏡的材料的折射率必須大于1.414。常用的冕牌玻璃的折射率都大于該值，因此該透鏡可用常規(guī)玻璃制作。但是底邊的入射角是22.5°，同樣通過折射定律公式可以求得n＝2.613，這個值遠大于實際玻璃的折射率，所以必須鍍銀以保證光線在底邊能夠全反射［11］。

圖6 棱鏡組剖面設(shè)計示意圖

3.3 設(shè)計的可行性及注意事項

本設(shè)計在空間結(jié)構(gòu)上滿足給定標準的孔徑大小，因此在材料允許的條件下，完全可以制作出來。該設(shè)計的優(yōu)點在于可利用的光線區(qū)間比較大，而且在光軸附近有較大的重疊區(qū)域可供觀測，該區(qū)域的光斑比較明亮，有利于觀測到清晰的像。

雖然該設(shè)計在理論上解決了入射光的引入，而且在實際情況下也能夠在該軸心處聚焦，在現(xiàn)有的平板棱鏡中可以輕易實現(xiàn)，而我們所要的是環(huán)形棱鏡，即便如此，只要在剖面上能滿足棱鏡的特征，就可以使光線在軸心附近平行照射到2號棱鏡下表面的重疊區(qū)域聚焦［12］。只是環(huán)形棱鏡的制作有一定的難度，尤其是在厚度只有2mm的條件下。另外，1號棱鏡的外徑為4.17mm，而安裝的最大尺寸半徑為4mm，除去安裝的必要空間，可用空間非常小，因此有必要磨去部分底邊，就如圖6所示的光線束中的最邊緣光線，這樣就可以在實際中安裝和使用。

在安裝的過程中棱鏡特性不能改變，2個棱鏡之間必須使用一層極薄的膠水，且膠水層的折射率必須小于玻璃的折射率，這是由于只有當(dāng)光線由折射率高的介質(zhì)射向折射率低的介質(zhì)才有可能產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，如圖6所示的1號棱鏡有一條腰所在的切面是一個全反射面。而且在膠合的時候必須保證棱鏡的全反射現(xiàn)象不被破壞，這就要求膠合必須完全均勻，至少在一段有效的空間是均勻的。如圖6所示，光線在1號棱鏡的腰下半部分才是有效的全反射區(qū)域，因此可以在棱鏡腰的上半部分進行膠合，而空出棱鏡的下半部分，使全反射得以進行。

4 結(jié)束語

本文中主要討論了螺桿擠出機探測孔中光學(xué)照明系統(tǒng)的設(shè)計，同時介紹了該系統(tǒng)的功能、特點、設(shè)計思路及設(shè)計過程中的注意事項。使用光學(xué)照明系統(tǒng)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望。使學(xué)生加深對有關(guān)概念的理解與掌握，滿足學(xué)生預(yù)習(xí)高分子加工實驗的需要，同時配合課堂教學(xué)可以起到相輔相成的效果。

在高分子本科教學(xué)專業(yè)課程體系中，高分子成型加工是一門重要的核心課程，有高分子加工專業(yè)學(xué)生必須掌握的專業(yè)知識和技能［13］。結(jié)合高分子成型加工工藝實驗有關(guān)教材的內(nèi)容，在螺桿擠出機GYZ2型探測孔中安裝光學(xué)照明系統(tǒng)，能夠使學(xué)生看清實驗的全過程及原實驗無法直接觀察到的儀器內(nèi)部工作過程，達到了形與神的完美結(jié)合，保證了教學(xué)實驗的直觀性和動態(tài)過程的逼真性。

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