获取待测物在微波加热下的化学反应动力学方程的方法技术

本发明专利技术首先提供一种获取待测物在微波加热下的化学反应动力学方程的方法，所述方法包括让多个待测物在微波炉中分别发生不同时长的化学反应后，取出每个待测物并降温，以DSC测试出每个待测物反应不同时长后的化学反应完成程度，根据DSC测试得到多个检测数据，以粒子群算法进行非线性拟合得出该待测物在微波加热条件下的化学反应动力学方程。总的说来，本发明专利技术开拓性地提供了一种待测物在微波加热下的化学反应动力学方程的获取方法，以及具体提供了一种微波加热固化树脂基复合材料的固化度的获取方法。

Method for obtaining kinetic equation of chemical reaction of the tested substance under microwave heating

The present invention provides a method for obtaining the first chemical reaction kinetics equation for analytes in under microwave heating, including the method for multiple analytes in a microwave oven are chemical reaction time, remove each analyte and cooling degree of chemical reaction on DSC test of each stay at the same time not long after the reaction test, according to the DSC test to get a number of test data, the particle swarm algorithm for nonlinear fitting of chemical reaction dynamics equation of the object to be measured under the condition of microwave heating. In general, the present invention provides a pioneering method to obtain a sample under microwave heating of the chemical reaction kinetic equation, and provides specific methods to obtain the curing degree of a microwave curing of resin matrix composites.

【技术实现步骤摘要】
获取待测物在微波加热下的化学反应动力学方程的方法
本专利技术涉及获取化学反应动力学方程领域，具体涉及一种获取待测物在微波加热下的化学反应动力学方程的方法。
技术介绍
反应动力学是研究各种物理、化学因素(如温度、压力、浓度、反应体系中的介质、催化剂、流场和温场分布、停留时间分布等)对反应速率的影响以及相应的反应机理和数学表达式等的化学反应工程的分支学科。一般说来，化学反应工程工作者主要通过实验测定，来确定反应物系中各组分浓度和温度与反应速率之间的关系，以满足反应过程开发和反应器设计的需要。物质在微波下发生化学反应的反应动力学方程中的各个参数往往与该物质在常规加热手段如电加热条件下不同，因而为便于指导工业上对微波反应器的设计以及对微波场下化学反应的控制，因而需要获取待测物在微波加热下的化学反应动力学方程的方法。例如树脂基复合材料以其优良的性能在航空航天、汽车船舶等领域得到广泛的应用。热压罐成型工艺之前一直被广泛应用于树脂基复合材料的成型制造中。但是其固化周期长，资源浪费大一直是传统热压罐成型难以解决的难题。近年来，微波加热以其效率高、材料受热均匀的优点受到人们的重视，但是对于微波加热固化树脂基复合材料机理的研究却很鲜见。研究复合材料微波固化动力学不仅有利于深入理解微波固化与传统热固化的异同点，更给微波固化复合材料的数值模拟提供理论依据。为开展复合材料辅助能场固化均匀性建模仿真研究打下基础。虽然常规加热条件下的化学反应动力学方程的建立已经有一套成熟的方法，例如常规加热条件下的树脂固化，一般都是直接通过差示扫描量热(DSC)法，利用DSC设备测算出在固定升温速率下的反应物的吸放热值，通过阿伦尼乌斯方程直接算出反应活化能进而求出固化动力学方程。因为现有的DSC设备都是通过辐射传导的方式对测试样品进行加热，测试出的结果也只适用于常规电加热。本领域尚未出现微波加热的DSC设备。但是大量研究结果表明微波辐射对树脂固化过程的化学反应除了温度带来的热效应外还有显著的非致热效应的影响。常规的DSC法由于设备本身加热方式单一的缘故，在测试和建立树脂固化动力学方程的过程中，无法引入微波固化反应的非致热效应，因而计算出的结果不适用于树脂基复合材料微波固化的相关研究。因此建立树脂基复合材料微波固化动力学方程已经成为研究复合材料微波固化进程中亟待解决的科学难题。鉴于树脂基复合材料的微波固化仅仅是微波加热下的化学反应中的一类，因而本领域需要找到一种获取待测物在微波加热下的化学反应动力学方程的方法。
技术实现思路
因此，本专利技术首先提供一种获取待测物在微波加热下的化学反应动力学方程的方法，所述方法包括让多个待测物在微波炉中分别发生不同时长的化学反应后，取出每个待测物并降温，以DSC测试出每个待测物反应不同时长后的化学反应完成程度，根据DSC测试得到多个检测数据，以粒子群算法进行非线性拟合得出该待测物在微波加热条件下的化学反应动力学方程。在一种具体的实施方式中，对待测物进行微波加热过程中，在所述微波炉中设置有吸波物质作为配载。在一种具体的实施方式中，所述配载为固体碳化硅，所述碳化硅为一种强吸波材料。在一种具体的实施方式中，对某一待测物使用温度传感器进行微波加热条件下的温度监测并记录，实时测出所述待测物在微波加热条件下的升温曲线，得到横坐标为时间t和纵坐标为温度T的T-t曲线；另外，取多份待测物，让其在不同的微波反应时长后分别将待测物从微波炉中取出并冷却，冷却后的每份待测物分别使用DSC测试其反应完成程度；DSC测试得到反应完成程度与t的多个实验数据，根据所述T-t曲线和所述多个实验数据使用粒子群算法进行非线性拟合，即得到待测物在微波加热条件下的化学反应动力学方程。具体地，先通过粒子群算法进行非线性拟合得到α-t的四个参数，根据四个参数和所述T-t曲线得到拟合的α-t曲线。在一种具体的实施方式中，多份待测物在微波反应后均迅速冷却至温度T1，且T1为已知待测物不会发生化学反应的温度，例如-20℃～40℃间的任意值。温度T1即为DSC检测的起始温度，只要迅速冷却后的待测物温度在室温或以下就基本上不会继续发生化学反应(如固化)，但本领域技术人员可以理解的，对固化一定程度后的待测物以越快的速度将其冷却和以更快的速度将其送入DSC设备中检测，则有利于提高本专利技术中所述方法的检测精度。在一种具体的实施方式中，所述温度传感器为光纤或带金属屏蔽层的微波用热电偶。在一种具体的实施方式中，多个待测物之间微波反应时长的差值两两间均匀一致。在一种具体的实施方式中，所述待测物为树脂基复合材料，使用该方法检测得到其微波固化的化学反应动力学方程。本领域技术人员知晓地，树脂基复合材料是以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、碳纤维或者芳纶等纤维增强体。树脂基复合材料在航空、汽车、海洋工业中有广泛的应用。在一种具体的实施方式中，使用DSC扫描测试出完全未固化的树脂基复合材料的总放热量Hu，以及使用DSC分别测试出多个待测物的固化余热Hr后，根据公式得出该待测物的固化度α，再以时间t为横坐标，以固化度α为纵坐标得到的α-t曲线即所述反应完成程度与t的实验数据曲线。本专利技术还提供一种微波加热固化树脂基复合材料的固化度的获取方法，包括将该树脂基复合材料在微波炉中加热固化一定时间后取出并迅速将其冷却，再将冷却后的树脂基复合材料使用DSC设备测得其固化度α；优选在该树脂基复合材料微波固化过程中在微波炉中放置一定量的吸波物质作为配载。本专利技术相应能带来如下有益效果：1、本专利技术中，在获取到待测物在微波加热下的化学反应动力学方程后，即可以计算出任意升温条件下、任意时刻点的化学反应进程，而不需要逐个反应去检测，这有利于指导工业上对微波场中化学反应的控制。2、本专利技术中使用普通的微波炉和DSC设备结合巧妙地测出树脂基复合材料预浸料样品微波固化的固化度，再使用粒子群算法即可求得微波下的化学反应动力学方程。3、本专利技术中优选使用碳化硅作为配载在待测物微波加热发生化学反应的过程中吸收微波。可以使得待测物的微波下化学反应进程得到缓和。4、本专利技术中获取微波加热固化的树脂基复合材料的固化度的方法的实测结果非常稳定，例如在同样的条件下(待测物情况、微波功率、配载的分布情况等)多次检测微波固化同等时间的两块树脂基复合材料，使用DSC设备检测所得的二者固化度α数据保持高度一致性。说明本专利技术所述方法的可靠度高。总的说来，本专利技术开拓性地提供了一种待测物在微波加热下的化学反应动力学方程的获取方法，以及具体提供了一种微波加热固化树脂基复合材料的固化度的获取方法。附图说明图1包括图1(a)和图1(b)，其中图1(a)和图1(b)分别为树脂基复合材料微波固化过程中T-t曲线和α-t曲线的示意图。图2为树脂基复合材料微波固化过程中T-t曲线和α-t曲线的实测图。图3(a)为T-t曲线的实测结果和拟合结果对比图，而图3(b)为α-t曲线的实测结果和拟合结果对比图。具体实施方式以环氧树脂基复合材料(具体使用环氧树脂碳纤维复合材料)的固化为例，已知其化学反应动力学方程的基本形式为基于唯像模型的自催化模型，其基本形式为：本专利技术中，微波加热下的环氧树脂基复合材料固化的化学反应动力学方程与常规加热条件下使用相同形式的化学反应动力学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种获取待测物在微波加热下的化学反应动力学方程的方法，所述方法包括让多个待测物在微波炉中分别发生不同时长的化学反应后，取出每个待测物并降温，以DSC测试出每个待测物反应不同时长后的化学反应完成程度，根据DSC测试得到多个检测数据，以粒子群算法进行非线性拟合得出该待测物在微波加热条件下的化学反应动力学方程。

【技术特征摘要】
1.一种获取待测物在微波加热下的化学反应动力学方程的方法，所述方法包括让多个待测物在微波炉中分别发生不同时长的化学反应后，取出每个待测物并降温，以DSC测试出每个待测物反应不同时长后的化学反应完成程度，根据DSC测试得到多个检测数据，以粒子群算法进行非线性拟合得出该待测物在微波加热条件下的化学反应动力学方程。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，对待测物进行微波加热过程中，在所述微波炉中设置有吸波物质作为配载。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述配载为固体碳化硅。4.根据权利要求1～3中任意一项所述方法，其特征在于，对某一待测物使用温度传感器进行微波加热条件下的温度监测并记录，实时测出所述待测物在微波加热条件下的升温曲线，得到横坐标为时间t和纵坐标为温度T的T-t曲线；另外，取多份待测物，让其在不同的微波反应时长后分别将待测物从微波炉中取出并冷却，冷却后的每份待测物分别使用DSC测试其反应完成程度；DSC测试得到反应完成程度与t的多个实验数据，根据所述T-t曲线和所述多个实验数据使用粒子群算法进行非线性拟合，即得到待测物在微波加热条件下的化学反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：湛利华，李自强，陈效平，刘桂铭，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43