一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法
技术领域
1.本发明属于高分子材料技术方向，具体涉及一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法。
背景技术：2.半晶体热塑性树脂，如pet,pla等在工程上有广泛的应用，对于其结晶的研究主要分为两个部分：结晶动力学和结晶形态，而后者将直接影响材料的力学性能。一般来说，结晶动力学特征可以通过dsc测试相对简单地获得，而结晶后的形态则需要用偏光显微镜观察，该实验所耗费的时间比较长，而且花费高昂。
技术实现要素：3.本发明的目的在于针对现有的装置一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法，其包括：
5.s1、选取立方体代表性体积单元，均匀划分像素点类型的正方体单元网格；
6.s2、利用元胞自动机法建立半晶体树脂三维等温结晶过程晶体生长模型；
7.s3、基于上述模型，输入多组不同参数g、i并通过仿真计算获得球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln(k)与特征参数tc之间函数关系，其中，g为球晶的生长速率，i为球晶的成核率；
8.s4、基于上述输入的多组不同参数g和i构建球晶的平均半径《r》和特征参数lc之间的函数关系。
9.本发明进一步说明，所述基于上述模型，输入多组不同参数g、i并通过仿真计算获得球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln(k) 与特征参数tc之间函数关系的具体步骤如下：
10.s31、设定特征参数tc与参数g、i之间的函数关系：
[0011][0012]
其中，m＝3；
[0013]
s32、基于输入多组不同的参数g、ⅰ下，模拟体系的结晶动力学性能，并通过对仿真计算结果的后处理获得球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln(k)与不同的参数g、ⅰ之间的函数关系；
[0014]
s33、基于球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln(k) 与g、ⅰ之间的函数关系以及特征参数tc与参数g、i之间的函数关系构建球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln(k)与特征参数tc之间的函数关系。
[0015]
本发明进一步说明，所述基于上述输入的多组不同参数g和i构建球晶的平均半径
《r》和特征参数lc之间的函数关系的具体步骤如下：
[0016]
s41、设定特征参数lc与参数g、ⅰ之间的函数关系：
[0017][0018]
s42、对每组输入的参数g、ⅰ下的晶体的最终结晶形态的三维结构沿三个主方向分别截取多个二维截面，并计算截取的二维截面中球晶的平均半径《r》，拟合平均半径《r》与特征参数lc之间的函数关系。
[0019]
本发明进一步说明，所述avrami模型为结晶动力学的普适方程。
[0020]
本发明进一步说明，所述利用元胞自动机法建立半晶体树脂三维等温结晶过程晶体生长模型的具体步骤如下：
[0021]
s21、针对每个像素点，建立一个和i相关的起始结晶时间：
[0022][0023]
从而确定在每一个时间步成核的像素点的位置，其中，r为一个[0,1]间的随机数，τ为弛豫时间，δx时为正方体单元网格的长度。
[0024]
s22、从每一个成核点i开始，逐步进行球晶的生长，且每个时间步中基于某个成核点i的球晶半径为：
[0025]ri
＝c(τ
j-t
0i
)
[0026]
s23、当代表性体积单元中所有的像素点均被生长的球晶覆盖时，则结晶过程结束，得到最终的树脂结晶形态。
[0027]
本发明进一步说明，所述步骤s42中，对最终结晶形态的三维结构沿三个主方向分别截取10个二维截面。
[0028]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：在对以后的半晶体树脂结晶后球晶形态的实验中，通过对材料进行简单的dsc测试，获得半结晶时间t
0.5
，以及结晶动力学avrami模型中的参数ln(k)，即可通过已经获得的函数关系确定球晶的成核率和结晶形态中的球晶的平均半径，从而可以直接预测结晶后球晶形态，相对于传统的采用繁琐的偏光显微镜观察，能够降低实验消耗的时间，提高材料设计的效率。
附图说明
[0029]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0030]
图1为本发明一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法提供的半晶体热塑性树脂结晶形态的三维模型；
[0031]
图2为本发明一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法提供的球晶半结晶时间t
0.5
与特征参数tc之间的函数关系；
[0032]
图3为本发明一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法提供的结晶动力学avrami模型中的参数ln(k)与特征参数tc之间的函数关系；
[0033]
图4为本发明一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法提供的最终
结晶形态的三维结构中截取的二维截面示意图；
[0034]
图5为本发明一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法提供的三维球晶结构的二维截面图中球晶的平均半径《r》与特征参数lc之间的关系；
[0035]
图6为本发明一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法提供的通过偏光显微镜观察到的球晶结构示意图；
[0036]
图7为本发明一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法提供的通过本发明模拟获得的球晶结构示意图。
具体实施方式
[0037]
以下结合较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
请参阅图1-5，本发明提供一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法，具体步骤如下：
[0039]
s1、选取立方体代表性体积单元，均匀划分像素点类型的正方体单元网格。
[0040]
s2、利用元胞自动机法建立半晶体树脂三维等温结晶过程晶体生长模型，具体步骤为：
[0041]
s21、针对每个像素点，建立一个和i相关的起始结晶时间：
[0042][0043]
从而确定在每一个时间步成核的像素点的位置，其中，r为一个[0,1]间的随机数，τ为弛豫时间，δx时为正方体单元网格的长度。
[0044]
s22、从每一个成核点i开始，逐步进行球晶的生长，且每个时间步中基于某个成核点i的球晶半径为：
[0045]ri
＝g(τ
j-t
0i
)
[0046]
s23、当代表性体积单元中所有的像素点均被生长的球晶覆盖时，则结晶过程结束，得到如图1所示的最终的树脂结晶形态。
[0047]
s3、基于上述模型，输入多组不同参数g、i并通过dsc测试获得球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln(k)与特征参数tc之间函数关系，其中，g为球晶的生长速率，i为球晶的成核率；具体步骤为：
[0048]
s31、设定特征参数tc与参数g、i之间的函数关系：
[0049][0050]
其中，m＝3；
[0051]
s32、基于输入多组不同的参数g、ⅰ下，模拟体系的结晶动力学性能，并通过仿真计算结果的后处理获得球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln(k)与不同的参数g、ⅰ之间的函数关系；
[0052]
s33、基于球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln(k) 与g、ⅰ之间的函数关系以及特征参数tc与参数g、i之间的函数关系构建得到如图2和图3所示的球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln (k)与特征参数tc之间的函数关系。
[0053]
s4、基于上述输入的多组不同参数g和i构建球晶的平均半径《r》和特征参数lc之间的函数关系，具体步骤为：
[0054]
s41、设定特征参数lc与参数g、ⅰ之间的函数关系：
[0055][0056]
s42、对每组输入的参数g、ⅰ下的晶体的最终结晶形态的三维结构沿三个主方向分别截取多个二维截面，并计算截取的二维截面中球晶的平均半径《r》，拟合得到如图5所示的平均半径《r》与特征参数lc之间的函数关系。作为优选，在本实施方式中，对最终结晶形态的三维结构沿三个主方向分别截取10个二维截面，得到30个二维截面。且截面的示意图如图4所示。
[0057]
上述即为本发明一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法，可以在以后的半晶体树脂结晶后球晶形态的实验中，仅通过对材料进行简单的 dsc测试，获得半结晶时间t
0.5
，以及结晶动力学avrami模型中的参数ln(k)，即可确定球晶的成核率和结晶形态中的球晶的平均半径，从而可以直接预测结晶后球晶形态，相对于传统的采用繁琐的偏光显微镜观察，能够降低实验消耗的时间，提高材料设计的效率。
[0058]
下面以科学论证的手段验证本发明的效果和真实性，通过偏光显微镜观察正在实验的一个半晶体树脂等温结晶形态，得到如图6所示的球晶结构示意图，作为对照。
[0059]
然后进行以下测试：
[0060]
首先，对上述实验的一个半晶体树脂的材料进行dsc测试，得到该材料的半结晶时间t0.5＝309.5s，以及结晶动力学avrami模型中的参数ln(k) ＝-18.6，根据如图2和图3所示的与特征参数tc的函数关系，得到特征参数 tc＝317.65；
[0061]
然后，查找该材料对应的球晶生长速率g＝0.17μm/s(不同结晶体树脂在不同温度下的球晶生长速率g是一个可查的参数)，并根据特征参数tc与参数 g、i之间的函数和lc与参数g、ⅰ之间的函数关系，计算得到该材料的球晶的成核速率i＝2.0e-8μm-2
/s以及特征参数lc＝54μm；
[0062]
最后，根据如图5所示的球晶的平均半径《r》和特征参数lc之间的函数关系，确定球晶的平均半径《r》＝30.7μm。
[0063]
最终通过得到的成核速率i的具体数值以及球晶的平均半径《r》的具体数值并结合步骤s1和步骤s2模拟得到如图7所示的球晶结构示意图，通过测量，图6中观察得到的球晶结构和图7模拟得到的球晶结构的平均尺寸达到了很好的吻合，说明本发明在以后的半晶体树脂结晶后球晶形态的实验中，能够通过对材料进行简单的dsc测试，即可模拟得到和通过偏光显微镜观察到球晶结构吻合的球晶结构，能够替代传统的采用繁琐的偏光显微镜观察的方式，降低实验消耗的时间，提高材料设计的效率。
[0064]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不
是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0065]
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
技术特征：1.一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法，其特征在于，包括：s1、选取立方体代表性体积单元，均匀划分像素点类型的正方体单元网格；s2、利用元胞自动机法建立半晶体树脂三维等温结晶过程晶体生长模型；s3、基于上述模型，输入多组不同参数g、i通过仿真计算获得相应的球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln(k)与特征参数t
c
之间函数关系，其中，g为球晶的生长速率，i为球晶的成核率；s4、基于上述输入的多组不同参数g和i构建球晶的平均半径<r>和特征参数lc之间的函数关系。2.根据权利要求1所述的一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法，其特征在于，所述基于上述模型，输入多组不同参数g、i并通过仿真计算获得球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln(k)与特征参数t
c
之间函数关系的具体步骤如下：s31、设定特征参数t
c
与参数g、i之间的函数关系：其中，m＝3；s32、基于输入多组不同的参数g、ⅰ下，模拟体系的结晶动力学性能，并通过对仿真模拟结果的后处理获得球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln(k)与不同的参数g、ⅰ之间的函数关系；s33、基于仿真计算获得的球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln(k)与g、ⅰ之间的函数关系以及特征参数t
c
与参数g、i之间的函数关系构建球晶半结晶时间t
0.5
和结晶动力学avrami模型中的参数ln(k)与特征参数t
c
之间的函数关系。3.根据权利要求2所述的一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法，其特征在于，所述基于上述输入的多组不同参数g和i构建球晶的平均半径<r>和特征参数lc之间的函数关系的具体步骤如下：s41、设定特征参数lc与参数g、ⅰ之间的函数关系：s42、对每组输入的参数g、ⅰ下的晶体的最终结晶形态的三维结构沿三个主方向分别截取多个二维截面，并计算截取的二维截面中球晶的平均半径<r>，拟合平均半径<r>与特征参数lc之间的函数关系。4.根据权利要求2或3所述的一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法，其特征在于，所述avrami模型为结晶动力学的普适方程。5.根据权利要求1所述的一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法，其特征在于，所述利用元胞自动机法建立半晶体树脂三维等温结晶过程晶体生长模型的具体步骤如下：s21、针对每个像素点，建立一个和i相关的起始结晶时间：
从而确定在每一个时间步成核的像素点的位置，其中，r为一个[0,1]间的随机数，τ为弛豫时间，δx时为正方体单元网格的长度。s22、从每一个成核点i开始，逐步进行球晶的生长，且每个时间步中基于某个成核点i的球晶半径为：r
i
＝g(τ
j-t
0i
)s23、当代表性体积单元中所有的像素点均被生长的球晶覆盖时，则结晶过程结束，得到最终的树脂结晶形态。6.根据权利要求3所述的一种基于dsc测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法，其特征在于，所述步骤s42中，对最终结晶形态的三维结构沿三个主方向分别截取10个二维截面。
技术总结本发明公开一种基于DSC测试结果预测结晶后球晶形态的构建方法，包括选取立方体代表性体积单元，均匀划分像素点类型的正方体单元网格、利用元胞自动机法建立半晶体树脂三维等温结晶过程晶体生长模型、基于上述模型，输入多组不同参数G、I获得对应的球晶半结晶时间t
技术研发人员：陆晓欣 曲恒彤
受保护的技术使用者：安徽铸脊新材料科技有限公司
技术研发日：2022.06.13
技术公布日：2022/11/1
