发明涉及一种老化及捕获老化产物的装置，具体涉及一种力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置。
背景技术：
高分子材料种类繁多、数量庞大，经老化、降解过程会产生复杂多样的化学物质，这些产物进入生态循环中会对环境产生影响，尤其是“微塑料”已经存在于湖海山川和我们生活中的方方面面。
高分子材料难以完全降解，处理不当会造成白色污染，在环境中也会发生复杂的物理变化和化学反应。在机械作用力、日光照射、磨损等作用下，经过长时间的暴露积累，高分子分解为尺寸很小的碎片，即“微塑料”；同时，材料中的基体高分子链段在光、氧等作用下，会发生断裂生成小分子化学物质，加入的有机小分子添加剂也会发生氧化、分解等反应。
高分子材料发生物理变化分解或脱落产生的微塑料(通常指直径或长度小于5mm的纤维、碎片或颗粒)，存在于我们生活中的方方面面，在德国啤酒、法国蜂蜜、中国食盐以及全球范围内瓶装饮用水中都发现了它的身影，其广泛分布于大气、土壤和水体中，已经入侵到了南极海域和北冰洋。由于其具有较大的比表面积、能吸附更多的污染物及更容易进入生物体等特殊性质，对水体环境造成的危害比大块塑料大的多。然而目前我国水体中微塑料的浓度、种类、分布等数据非常缺乏，相关基础研究较少，不利于微塑料的监测、管理和控制，目前，还没有规范性检测技术与相关管理措施。
高分子材料发生化学反应的产物多数为醇、醛、酸、酯、酮、酚类等有机小分子。这些种类复杂、数量庞大的高分子相关有机污染物进入环境后，对环境的影响尚不明确，鲜有研究报道。因此对高分子相关的有机污染物进行鉴定及溯源研究，是进行环境安全评价和相关毒理研究的基础，能为未来环境监测指引方向。
但是，目前其对环境的影响及相关基础研究还很不足。针对高分子相关有机污染物的鉴定及溯源研究，分析其中高分子相关污染物的种类含量，进行成分溯源时必须在自然环境中采集到有效的样品。但是样品的收集难度很大，比如从水体里采集到的水样，对其中的物质进行分离和富集时很难得到有效样品，效率低、代价大，而且富集到的样品的代表性和多样性有限，无法获得在环境中所发生的复杂的物理变化和化学反应的详细信息，不利于开展针对性研究。通常的研究方法是利用老化试验箱，模拟高分子材料老化降解、使用过程和暴露环境，加速高分子材料的老化和分解。
目前研究的不足之处在于：
从试验研究角度来说，在老化试验箱内对高分子材料颗粒进行老化和分解与自然环境中的高分子材料的老化和分解更为相似。高分子材料粉体的制备一般采用球磨法，目前使用的球磨机可以分为普通球磨机和高能球磨机两类，通常使用高能球磨机制备高分子材料粉体。常用的高能球磨机又分为搅拌式、行星式和振动式三种。对于任一种高能球磨机，微粒的细化程度主要取决于磨球和物料所获得的碰撞能量。越高的碰撞能量将使得物料颗粒在磨球的撞击下产生破碎的几率越大，从而使物料颗粒的细化程度越高。高能球磨机工作时会产生转动或振动，以及硬球对原料的强烈撞击，还需要比较大的功率，这些因素都使这种工作原理的设备无法应用于老化箱内。即使在外部利用高能球磨机制备高分子材料粉体，然后在老化试验箱内对高分子材料颗粒进行老化和分解，也存在无法获得高分子材料老化降解、使用过程和暴露环境所发生的复杂的物理变化和化学反应的详细动态信息，不能真实的模拟自然环境中高分子材料粉体的老化和分解过程；且存在难以收集高分子材料老化颗粒，难以收集高分子材料挥发性老化产物，难以收集高分子材料水溶性老化产物等问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置，能够用外加力持续不断制备高分子材料粉体，有利于动态研究高分子链段的降解和断裂机理，从而真实的模拟自然环境中高分子材料粉体的老化和分解过程；且能够收集高分子材料老化颗粒、收集高分子材料的挥发性老化产物以及高分子材料水溶性老化产物。
所述的力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置包括：
能够使光源穿透的透明密闭空间，用于高分子材料的老化和分解；
设置在所述透明密闭空间内的摩擦机构，用于通过磨削高分子材料样品，制备高分子材料粉体；
设置在所述透明密闭空间内装有水的玻璃收集水槽，用于收集所述摩擦机构制备的高分子材料的粉体、收集高分子材料老化颗粒、收集高分子材料水溶性老化产物；
用于在所述透明密闭空间于气泵之间形成气流闭循环的气流循环单元，所述气流循环单元中设置有用于收集高分子材料挥发性老化产物的气体吸附管；
此外，还包括用于为所述摩擦机构提供驱动力的驱动单元。
作为本发明的一种优选方式：所述摩擦机构包括：砂轮、材料导向套和恒压机构；所述连接在所述驱动单元的动力输出端，位于所述透明密闭空间内玻璃收集水槽的上方，通过所述驱动单元驱动所述砂轮转动；
所述材料导向套的一端伸入所述透明密闭空间内部，且位于所述砂轮正上方；高分子材料样品放置在所述材料导向套内；所述恒压机构伸入所述材料导向套内，向所述材料导向套内的高分子材料样品提供恒压力，使所述高分子材料样品与所述砂轮恒压接触；当所述砂轮转动时，磨削所述高分子材料样品，制备高分子材料粉体。
作为本发明的一种优选方式：所述恒压机构包括：推杆和砝码；所述推杆一端伸入所述材料导向套内与所述高分子材料样品接触，另一端伸出材料导向套；所述推杆伸出所述材料导向套的一端具有用于放置砝码的托盘。
作为本发明的一种优选方式：所述驱动单元为：配有减速器的电机，减速器输出轴伸入所述透明密闭空间内部与所述砂轮相连，将所述电机的动力传递至所述砂轮。
作为本发明的一种优选方式：所述气流循环单元中，所述气泵的排气口与进气口分别用软管与进气管和气体吸附管的一端连通；所述进气管和气体吸附管的另一端伸入所述透明密闭空间内，从而在所述透明密闭空间与气泵之间形成气流闭循环。
作为本发明的一种优选方式：在所述透明密闭空间内还设置有用于颗粒物收集罩；所述颗粒物收集罩对所述砂轮形成自上而下的半包围状，用于引导所制备的高分子材料粉体沿竖直方向落入装有水的玻璃收集水槽内。
作为本发明的一种优选方式：还包括用于控制所述电机和所述气泵的启闭以及控制所述电机转速的控制器。
作为本发明的一种优选方式：还包括行程开关，所述行程开关与所述控制器电连接；
初始时，所述行程开关的触点与所述推杆托盘的下表面间隔设定距离，当所述推杆的托盘下表面接触到所述行程开关时，所述行程开关向所述控制器发送到位信号，所述控制器控制所述电机和所述气泵关闭。
作为本发明的一种优选方式：通过调节所述砝码的重量改变向所述恒压机构提供的压力，以改变所制备的高分子材料粉体的颗粒粒径。
作为本发明的一种优选方式：将该装置放置在老化试验箱内，利用所述老化试验箱的光源进行高分子材料的老化和分解；
在所述老化试验箱内设置有用于为该装置中的电子元器件供电的太阳能电池板，所述太阳能电池板吸收所述老化试验箱中的光能进行发电。
有益效果：
(1)该装置通过机械摩擦机构提供的外加力使高分子材料形成尺寸很小的碎片，远高于高分子材料在自然状态下分解成碎片的速度，方便研究；且能够持续不断制备从微米级到毫米级粒径连续分布的高分子材料粉体，有利于动态研究高分子链段的降解和断裂机理，从而真实的模拟自然环境中高分子材料粉体的老化和分解过程。
(2)该装置在对高分子材料进行老化和分解的过程中，密闭空间内放置的水槽可以收集机械摩擦机构持续不断制备的高分子材料粉体，同时收集高分子材料老化和分解各个阶段的水溶性老化产物，有利于动态研究高分子链段的降解和断裂机理，确定特征污染物，建立高分子种类与特征污染物之间的联系。
(3)在对高分子材料进行老化和分解的过程中，气泵与高分子材料进行老化和分解的密闭空间利用进气和排气通道建立起气流闭循环，排气通道上的气体吸附柱可以收集高分子材料老化和分解各个阶段的挥发性老化产物，有利于动态研究高分子链段的降解和断裂机理，确定特征污染物，建立高分子种类与特征污染物之间的联系。
(4)本发明中的机械摩擦机构为恒压摩擦机构，砂轮的磨削切向力在摩擦接触面圆周方向连续变化，磨削过程所获得的样品粉体颗粒粒径也呈现连续变化。且针对不同的高分子材料样品，能够很方便的通过调节砝码的重量来改变摩擦压力，获得理想的样品粉体颗粒粒径。另外，也可以通过更换与电机相配的减速器达到改变砂轮转速的目的，改变磨削力以获得理想的样品粉体颗粒粒径。
(5)本发明的装置是微小型试验装置，可以放入常规老化试验箱内，通过能够使老化试验箱光源可以穿透的透明密闭空间，用于高分子材料老化和分解；且本发明的装置功率低，可以利用太阳能电池板吸收老化试验箱中的光源对实验装置进行供电，不需要对老化试验箱做任何改动。
附图说明
图1为本发明的装置的总体结构立体图；
图2为本发明的装置的左视图；
图3为粉体制备原理示意图；
图4为完全接触摩擦状态示意图；
图5为静止状态时完全接触静力分析示意图；
图6为摩擦接触面任意一点处的受力分析示意图；
图7为用于高分子材料粉体及老化颗粒收集的收集水槽及颗粒物收集罩位置细节图；
图8和图9为高分子材料挥发性老化产物收集示意图；
图10为该装置在老化箱里的布局示意图。
其中：1-玻璃收集水槽、3-减速器输出轴、4-颗粒物收集罩一、5-玻璃罩体、6-材料导向套一、7-材料导向套二、8-进气管底座、9-进气管、10-推杆、11-砝码、12-气体吸附管、13-气泵、14-电机、15-槽型连接件、16-控制器、17-底板、18-气体吸附管底座、19-行程开关、20-螺钉a、21-螺钉b、22-槽型支架、23-螺钉c、24-螺钉d、25-颗粒物收集罩二、26-砂轮、27-高分子材料样品、28-太阳能电池板、29-老化试验箱
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置，具有能够使光源穿透的透明密闭腔体，用于高分子材料老化和分解；内部有机械摩擦机构，用于制备高分子材料粉体；具有用于收集机械摩擦机构制备的高分子材料的粉体及其老化颗粒的水槽；密闭空间与气泵之间有气流闭循环，气流闭循环中装有气体吸附柱，用来收集高分子材料的挥发性老化产物；控制器可以针对不同的高分子材料调节机械摩擦机构的运行模式，模拟高分子材料老化降解、使用过程和暴露环境。
如图1和图2所示，该装置包括：底板17以及设置在底板17上的密闭腔体、粉体制备及收集单元、气流循环单元、驱动单元和控制单元。
其中密闭腔体由槽型支架22和罩装在槽型支架22外部的玻璃罩体5形成，槽型支架22和玻璃罩体5均为槽型结构，两者对接后形成透明密闭腔体，能够使光源穿过；该密闭腔体用于高分子材料老化和分解；粉体制备及收集单元位于密闭腔体内，在密闭腔体内制备及收集高分子材料的粉体。
粉体制备及收集单元包括用于制备高分子材料粉体的机械摩擦机构以及用于收集所制备的高分子材料粉体及其老化颗粒的玻璃收集水槽1；机械摩擦机构包括：砂轮26、材料导向套、推杆10和砝码11。
气流循环单元包括：气泵13、进气管9和气体吸附管12；
驱动单元为配有减速器的电机14；
控制单元包括控制器16和行程开关19。
其整体连接关系为：电机14通过槽型连接件15和螺钉b21固定安装在底板17上，即槽型连接件15罩装在电机14减速器部分的外部，槽型连接件15通过螺钉b21与底板17固接；槽型连接件15用于提供气泵13的安装位，使整体结构紧凑。槽型支架22立式放置(即其槽底面竖直，两相对面水平)，使其槽底面与电机14所在端相对。槽型支架22槽内底部设置有玻璃罩体5的密封安装槽，如图7所示，玻璃罩体5自上而下竖直插装在槽型支架22槽内底部的密封安装槽内，罩装在槽型支架22外部，封闭槽型支架22的三个开口端，并通过向内翻边的上部与槽型支架22的顶面紧密贴合，从而形成透明密闭腔体。
槽型支架22的槽底面通过螺钉20a固定在电机14减速器端的端面上，减速器输出轴3穿过槽型支架22槽底面的通孔升入到密闭腔体内部。减速器输出轴3具有d型输出端，d型输出端与密闭腔体内部的砂轮26的d型轴孔连接，由此将电机14的动力传递至砂轮26，驱动砂轮26转动。
玻璃收集水槽1放置密闭腔体内部，在槽型支架22底面上，且位于砂轮26的下方，用于收集机械摩擦机构制备的高分子材料的粉体及其老化颗粒，还能够收集高分子材料水溶性老化产物。
位于密闭腔体内部的颗粒物收集罩一4和颗粒物收集罩二25分别通过螺钉固定安装在槽型支架22槽内顶部，颗粒物收集罩一4和颗粒物收集罩二25对砂轮26形成自上而下的半包围状，如图7所示，颗粒物收集罩一4和颗粒物收集罩二25对接后形成横截面为半圆形的罩体，罩装在砂轮26与高分子材料样品27接触部分的外部。
槽型支架22的上表面具有四个安装孔，分别用于安装材料导向套、气体吸附管12、进气管9和行程开关19；其中上表面中心位置的安装孔用于安装材料导向套，为方便加工，提高零件的加工精度，材料导向套包括同轴对接的材料导向套一6和材料导向套二7，如图3所示，材料导向套一6和材料导向套二7均为一端设置有轴肩的筒形结构，其安装方式为：材料导向套一6的轴肩和材料导向套二7的轴肩对接后通过螺钉d24固定在槽型支架22上表面上，其中材料导向套二7的另一端向上延伸，材料导向套一6的另一端向下延伸穿过安装孔伸入密闭腔体内部，且位于砂轮26正上方。气体吸附管12一端通过与之对应的安装孔伸入密闭腔体内部，并通过气体吸附管底座18固定在槽型支架22上表面上，气体吸附管12用来收集高分子材料的挥发性老化产物；进气管9一端通过与之对应的安装孔伸入密闭腔体内部，并通过进气管底座8固定在槽型支架22上表面上；行程开关19固定在槽型支架22上表面对应的安装孔内，且行程开关19的触点向上。
工作时，圆柱状高分子材料样品27放置在材料导向套内，推杆10底部伸入材料导向套内与高分子材料样品27接触，顶部伸出材料导向套；推杆10的顶部具有用于放置砝码11的圆盘，通过砝码11的重力推动推杆10下移，进而通过推杆10推动高分子材料样品27下移伸出材料导向套与砂轮26接触，如图3所示。初始时，行程开关19的触点与推杆10放置砝码11圆盘的下表面间隔设定距离s，如图2所示，该距离s为圆柱状高分子材料样品27位于材料导向套内部分的长度，保证高分子材料样品27磨削消耗完毕时，推杆10顶部圆盘接触到行程开关19。
气泵13安装在槽型连接件15上表面，气泵13为循环气泵，其进气口与排气口均指向槽型支架22所在侧，气泵13的排气口与进气口分别用软管与进气管9和气体吸附管12顶部连接，使密闭腔体与气泵13之间形成气流闭循环，如图8所示。
控制器16固定安装在底板17上，电机14的侧面；控制器16用于控制电机14和气泵13的启闭以及控制电机14的转速；行程开关19与电连接，当推杆10的圆盘下表面接触到行程开关19时，行程开关19向控制器16发送到位信号，控制器16切断电机14和气泵13的供电电源。
该装置的工作原理为：
该装置具有能够使光源可以穿透的透明密闭空间，用于高分子材料老化和分解。工作时，把圆柱状高分子材料样品27放入材料导向套内，然后在材料导向套内穿入推杆10，由放置再推杆10圆盘上的砝码11提供恒压力作为摩擦力。通过控制器16启动电机14和气泵13，配有减速器的电机14驱动砂轮26转动，与垂直于减速器输出轴3的圆柱状高分子材料样品27之间产生摩擦运动，使砂轮26磨削高分子材料样品27，进行高分子材料粉体的制备；并通过砝码11、推杆10以及材料导向套保持高分子材料样品27持续垂直进给。颗粒物收集罩一4和与其结构对称的颗粒物收集罩二25引导所制备的高分子材料粉体沿垂直方向落入装有水的玻璃收集水槽1，实现对高分子材料粉体的收集，同时在老化试验箱开始老化和分解。气体吸附管12随着气泵13的工作吸附密闭腔体内高分子材料粉体挥发性老化产物，如图9所示；密闭腔体内放置的玻璃收集水槽1，同时也用来收集水溶性老化产物。随着材料样品27的磨削消耗，推杆10高度不断下降，当推杆10的圆盘下表面接触到行程开关19时切断供电电源。
控制器16还可以针对不同的高分子材料调节机械摩擦机构的运行模式，比如间断运行还是连续运行，模拟高分子材料老化降解、使用过程和暴露环境。气泵13是调速微型气泵，可以按照工作需要调节气体流量。也可以通过更换与电机14相配的减速器来实现摩擦速度的调节。
综合上述手段可以更好的模拟自然环境中高分子材料老化和分解过程。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，对机械摩擦机构的运行模式进行进一步详细描述。
如图3所示，正压力n是推杆10的重力g1和砝码11的重力g2的总和，初始未开始磨削时，高分子材料样品27下移伸出材料导向套与砂轮26接触(此时高分子材料样品27伸出材料导向套的长度为△)。当砂轮26以角速度ω转动时，砂轮26与高分子材料样品27开始发生磨削，随着高分子材料样品27的垂直进给以及被砂轮26的磨削作用，直到如图4所示的摩擦状态，此时磨削发生在圆柱状高分子材料样品27与砂轮26圆柱形成相贯面内。如图5所示，如果机构静止，高分子材料样品27受到正压力n和支反力rn的作用。当砂轮26转动开始磨削工作，在垂直于砂轮26回转轴的截面上，摩擦接触面任意一点处的受力如图6所示，磨削力是砂轮26磨削工件时由于砂轮26的磨削刃和磨削材料接触而产生的物理现象，与切削过程类似，在磨削过程中存在着三向力，即砂轮径向磨削力fr，砂轮磨削切向力ft以及沿纵向(轴向)的分力fa，由于fa对磨削过程影响很小，通常不计。磨削力与工件送进速度成正比，与砂轮转速成反比。
该机械摩擦机构为恒压摩擦机构，任意一点处砂轮的磨削切向力ft与该点的正压力ncosθ成正比关系，
针对不同的高分子材料样品，通过调节砝码的重量g1来改变摩擦压力n，获得理想的样品粉体颗粒粒径。另外，也可以通过更换与电机14相配的减速器达到改变砂轮26转速的目的，改变磨削力以获得理想的样品粉体颗粒粒径。
实施例3：
在上述实施例1或实施例2的基础上，由于该装置为微小型试验装置，因此可以放入常规老化试验箱29内，利用老化试验箱29的光源进行高分子材料的老化和分解。
如图10所示，为实现该装置自供电，在老化试验箱29内设置有用于为该装置中的电子元器件如电机14和气泵13供电的太阳能电池板28，利用太阳能电池板28吸收老化试验箱中的光能对该装置进行供电，由此不需要对老化试验箱29做任何改动。太阳能电池板28与控制器16连接，控制器16内设置有对应的电源管理器，使用时，当控制器16检测到太阳能电池板提供的电能达到设定要求时启动电机14和气泵13。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置，其特征在于：包括：
能够使光源穿透的透明密闭空间，用于高分子材料的老化和分解；
设置在所述透明密闭空间内的摩擦机构，用于通过磨削高分子材料样品(27)，制备高分子材料粉体；
设置在所述透明密闭空间内装有水的玻璃收集水槽(1)，用于收集所述摩擦机构制备的高分子材料的粉体、收集高分子材料老化颗粒、收集高分子材料水溶性老化产物；
用于在所述透明密闭空间于气泵(13)之间形成气流闭循环的气流循环单元，所述气流循环单元中设置有用于收集高分子材料挥发性老化产物的气体吸附管(12)；
此外，还包括用于为所述摩擦机构提供驱动力的驱动单元。
2.如权利要求1所述的力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置，其特征在于：所述摩擦机构包括：砂轮(26)、材料导向套和恒压机构；所述(26)连接在所述驱动单元的动力输出端，位于所述透明密闭空间内玻璃收集水槽(1)的上方，通过所述驱动单元驱动所述砂轮(26)转动；
所述材料导向套的一端伸入所述透明密闭空间内部，且位于所述砂轮(26)正上方；高分子材料样品(27)放置在所述材料导向套内；所述恒压机构伸入所述材料导向套内，向所述材料导向套内的高分子材料样品(27)提供恒压力，使所述高分子材料样品(27)与所述砂轮(26)恒压接触；当所述砂轮(26)转动时，磨削所述高分子材料样品(27)，制备高分子材料粉体。
3.如权利要求2所述的力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置，其特征在于：所述恒压机构包括：推杆(10)和砝码(11)；所述推杆(10)一端伸入所述材料导向套内与所述高分子材料样品(27)接触，另一端伸出材料导向套；所述推杆(10)伸出所述材料导向套的一端具有用于放置砝码(11)的托盘。
4.如权利要求2所述的力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置，其特征在于：所述驱动单元为：配有减速器的电机(14)，减速器输出轴(3)伸入所述透明密闭空间内部与所述砂轮(26)相连，将所述电机(14)的动力传递至所述砂轮(26)。
5.如权利要求1或2所述的力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置，其特征在于：所述气流循环单元中，所述气泵(13)的排气口与进气口分别用软管与进气管(9)和气体吸附管(12)的一端连通；所述进气管(9)和气体吸附管(12)的另一端伸入所述透明密闭空间内，从而在所述透明密闭空间与气泵(13)之间形成气流闭循环。
6.如权利要求1或2所述的力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置，其特征在于：在所述透明密闭空间内还设置有用于颗粒物收集罩；所述颗粒物收集罩对所述砂轮(26)形成自上而下的半包围状，用于引导所制备的高分子材料粉体沿竖直方向落入装有水的玻璃收集水槽(1)内。
7.如权利要求3所述的力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置，其特征在于：还包括用于控制所述电机(14)和所述气泵(13)的启闭以及控制所述电机(14)转速的控制器(16)。
8.如权利要求7所述的力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置，其特征在于：还包括行程开关(19)，所述行程开关(19)与所述控制器(16)电连接；
初始时，所述行程开关(19)的触点与所述推杆(10)托盘的下表面间隔设定距离，当所述推杆(10)的托盘下表面接触到所述行程开关(19)时，所述行程开关(19)向所述控制器(16)发送到位信号，所述控制器(16)控制所述电机(14)和所述气泵(13)关闭。
9.如权利要求3所述的力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置，其特征在于：通过调节所述砝码(11)的重量改变向所述恒压机构提供的压力，以改变所制备的高分子材料粉体的颗粒粒径。
10.如权利要求1或2所述的力学加速高分子材料老化及捕获老化产物的装置，其特征在于：将该装置放置在老化试验箱(29)内，利用所述老化试验箱(29)的光源进行高分子材料的老化和分解；
在所述老化试验箱(29)内设置有用于为该装置中的电子元器件供电的太阳能电池板(28)，所述太阳能电池板(28)吸收所述老化试验箱(29)中的光能进行发电。
技术总结