一种基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法技术

一种基于热分析‑红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，采用热分析‑红外分析联用的测试手段，将热分析产生的气态产物通过红外吸收光谱进行在线检测，实时记录气体产物的红外吸收光谱信息并进行气体成分解析和流量计算；选取能够代表单一反应过程的特征气体产物，提取特征气体单组分的流量数据，经数学处理后转化为“反应转化率‑时间(温度)”的数据点，根据数据点进行单一反应的动力学计算。与现有技术相比，本发明专利技术解决了传统热分析动力学由于采用TG或者DSC数据而无法从重合的复杂反应过程中计算单一反应动力学的难题，为复杂反应中单一反应的研究和控制提供了一种实现手段，拓展了热分析动力学的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法
本专利技术属于测试分析
，特别涉及一种基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法。
技术介绍
动力学分析是材料研究的基础方法之一。通过动力学分析，能够获得材料的热反应特征、动力学参数(如表观活化能、指前因子等)、反应机理和动力学方程等。传统的动力学分析方法是采用热分析，利用热分析试验得到的TG或者DSC数据计算反应转化率数据，再对反应转化率-温度(或时间)数据按照动力学算法进行拟合计算，从而得到表观活化能、指前因子和反应机理等参数和动力学方程。对于包含多种物质或存在多步反应的样品来说，在反应过程中通常会发生多种温度范围相互重叠的单一反应。对于这类样品，热分析测试得到的TG和DSC数据是多个单一反应的质量变化叠加或者热量变化叠加的结果，因而无法区分复杂反应中每个单一反应的信息。因此，对于复杂反应采用传统方法只能得到宏观动力学方程，而无法对其中的单一反应进行分析和动力学计算。在科学研究和生产实践中，通常涉及需要从复杂反应中分离出某些重要单一反应进行研究和控制的情景，而现有动力学方法对与这类需求通常是无能为力的。因此，专利技术新的方法解决复杂反应中单一反应动力学的计算问题十分必要。
技术实现思路
为了克服传统动力学方法的上述缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，采用热分析-红外分析联用的测试方法，对释放的气体产物的种类进行鉴别和流量计算，提取待研究的单一反应的特征气体的流量数据，进行一系列加工和处理后，获得单一反应的“反应转化率-时间(温度)”的数据点，再运用适当的动力学方法进行单一反应动力学的计算，从而为复杂反应中单一反应动力学的计算提供了一种新的方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，包括以下步骤：步骤一，以固定的升温速率进行热分析-红外分析联用测试，将热分析产生的气态产物通过红外吸收光谱进行在线检测，实时记录气体产物的红外吸收光谱信息。根据不同的动力学计算方法的要求，测试采用的固定升温速率可以是一个或者多个；步骤二，对红外吸收光谱数据进行解析，确定释放气体产物组分的种类，选择能够代表待研究单一反应的特征气体产物。所选择的特征气体产物必须具备唯一识别待研究单一反应的特征，并且其释放过程伴随单一反应的全过程。对选择的特征气体，计算其释放的流量随时间的变化数据，以时间(或温度)为横坐标、以特征气体的流量数据为纵坐标进行绘图，得到特征气体产物释放流量与时间(或温度)关系图。其中，计算特征气体释放的流量随时间的变化数据的方法如下：步骤1，将热反应产生的混合气体接入红外吸收光谱仪，对混合气体进行红外吸收光谱测量，得到包含波数、吸光度和时间三个坐标轴的三维红外吸收光谱图；(1)对于易液化的气体产物，采取保温或气氛加速驱动的处理措施，防止气体产物液化，确保实时监测能够连续稳定运行；(2)对于含尘气体，设置粉尘净化装置，以免造成红外吸收光谱分析系统堵塞，或者影响测量精度；(3)对于水蒸气不作为检测组分的分析，设置干燥装置除去水蒸气，以免对微量组分的红外吸收造成干扰甚至屏蔽。步骤2，从三维红外吸收光谱图中，标注出每个吸收峰最高位置所对应的时间，分别解析出标注时间所对应的以吸光度为纵坐标、波数为横坐标的一系列二维红外吸收光谱图；(1)涉及标注的红外吸收峰，必须包括全部的吸收峰，但不包括由于测试中由于某种原因在波数坐标两端出现的半峰；(2)标注位置必须是每个吸收峰上出现最大吸收的位置，亦即吸收峰的最高位置；(3)必须要解析出每个标注位置所对应的以吸光度为纵坐标、波数为横坐标的二维红外吸收光谱图，确保解析出的一系列二维红外吸收光谱图涵盖所有的气体组分。步骤3，将所解析出的一系列二维红外吸收光谱图，分别进行红外吸收标准谱库检索，通过与标准气体的红外吸收图谱进行比较，解析出混合气体中包含的各种气体组分；(1)必须对解析出的所有二维红外吸收光谱图都进行标准谱库检索，以匹配度为依据，确定气体组分；(2)所检索出的气体组分的红外吸收光谱，必须涵盖三维红外吸收光谱图中所有出现的红外吸收峰。步骤4，对每种气体组分分别选取一个不与其它组分重合的吸收峰，作为该气体组分的特征红外吸收峰；(1)选取的特征红外吸收峰，不能与其它气体组分的红外吸收峰的位置发生重叠；(2)在所有不重叠的红外吸收峰中，应优先选取红外吸收强度高的吸收峰，作为特征红外吸收峰。步骤5，建立红外吸收强度与相对流量转换的计算模型，分别对各种气体组分的特征红外吸收峰进行计算，最终得到各种气体组分的相对流量随时间变化的关系图。(1)所建立的计算模型包括模数转换、微分和积分运算方法；(2)应根据不同单组分各自的红外吸收光谱特征，建立合适的算法模型，对不同气体组分的建模方法可以相同，也可以不同；(3)所建立模型应具备的功能是：通过输入特征红外吸收峰的强度随时间的变化数据，计算后输出各种组分的相对流量随时间的变化数据。步骤三，对步骤二中得到的特征气体产物释放流量与时间(或温度)关系图中的曲线进行微分运算，得到特征气体单组分的释放流量的微分曲线。每个单一反应的特征气体的释放流量的微分曲线上，均包括一个向上的波峰连接一个向下的波谷；步骤四，在步骤三得到的特征气体的释放流量的微分曲线上，以波峰起始位置(切线向上偏离水平线的位置)对应的时间(或温度)作为反应起始点，以波谷结束位置(切线向下与水平线重合的位置)的时间(或温度)作为反应结束点进行标注；步骤五，在步骤四所确定的反应起始点和反应结束点之间，对步骤二中得到的特征气体产物释放流量与时间(或温度)关系图中的曲线进行积分运算，得到曲线上任意一点位置对应的累积积分面积数据和总积分面积数据；以时间(或温度)为横坐标、以各点对应的累积面积与总面积的比值数据为纵坐标绘图，得到特征气体的释放流量的积分曲线。该积分曲线代表反应的转化率与时间(或温度)的关系；步骤六，将步骤五中得到的特征气体释放流量的积分曲线导出为一系列的数据点，即得到“反应转化率-时间(或温度)”的关系数据；步骤七，将步骤六中得到的“反应转化率-时间(或温度)”关系数据，利用现有的各种动力学方法进行计算，即可得到所研究单一反应的动力学方程。在步骤一中：(1)测试采用热分析和红外分析联用的实验方法；(2)测试必须按照固定升温速率的升温方式进行，可以采用一个或者多个升温速率；(3)同时获得热分析和气体产物的红外吸收光谱数据。在步骤二中：(1)数据处理包括热分析和红外吸收光谱解析、气体产物种类鉴别、气体组分流量计算等必不可少的步骤；(2)所选择的特征气体产物必须具备唯一识别待研究单一反应的特征，并且其释放过程伴随单一反应的全过程；(3)须将特征气体的释放流量以图示的方式表示，即：以时间或温度为横坐标、以特征气体的流量数据为纵坐标进行绘图。在步骤三中：(1)包含必不可少的微分运算步骤，并且需要将微分计算的结果以曲线图的形式表示；(2)在特征气体的释放流量的微分曲线上，单一反应过程均包括一个向上的波峰连接一个向下的波谷，并且具备“波峰在前、波谷在后”的特征。在步骤四中：(1)反应起始点的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热分析‑红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，以固定的升温速率进行热分析‑红外分析联用测试，将热分析产生的气态产物通过红外吸收光谱进行在线检测，实时记录气体产物的红外吸收光谱信息；步骤二，对红外吸收光谱数据进行解析，确定释放气体产物组分的种类，选择能够代表待研究单一反应的特征气体产物，并计算其释放的流量随时间的变化数据，以时间或温度为横坐标、以特征气体的流量数据为纵坐标进行绘图，得到特征气体产物释放流量与时间或温度关系图；步骤三，对步骤二中得到的特征气体产物释放流量与时间或温度关系图中的曲线进行微分运算，得到特征气体单组分的释放流量的微分曲线，每个单一反应的特征气体的释放流量的微分曲线上，均包括一个向上的波峰连接一个向下的波谷；步骤四，在步骤三得到的特征气体的释放流量的微分曲线上，以波峰起始位置即切线向上偏离水平线的位置对应的时间或温度作为反应起始点，以波谷结束位置即切线向下与水平线重合的位置的时间或温度作为反应结束点进行标注；步骤五，在步骤四所确定的反应起始点和反应结束点之间，对步骤二中得到的特征气体产物释放流量与时间或温度关系图中的曲线进行积分运算，得到曲线上任意一点位置对应的累积积分面积数据和总积分面积数据；以时间或温度为横坐标、以各点对应的累积面积与总面积的比值数据为纵坐标绘图，得到特征气体的释放流量的积分曲线，该积分曲线代表反应的转化率与时间或温度的关系；步骤六，将步骤五中得到的特征气体释放流量的积分曲线导出为一系列的数据点，即得到“反应转化率‑时间或温度”的关系数据；步骤七，将步骤六中得到的“反应转化率‑时间或温度”关系数据，利用现有的各种动力学方法进行计算，即可得到所研究单一反应的动力学方程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，以固定的升温速率进行热分析-红外分析联用测试，将热分析产生的气态产物通过红外吸收光谱进行在线检测，实时记录气体产物的红外吸收光谱信息；步骤二，对红外吸收光谱数据进行解析，确定释放气体产物组分的种类，选择能够代表待研究单一反应的特征气体产物，并计算其释放的流量随时间的变化数据，以时间或温度为横坐标、以特征气体的流量数据为纵坐标进行绘图，得到特征气体产物释放流量与时间或温度关系图；步骤三，对步骤二中得到的特征气体产物释放流量与时间或温度关系图中的曲线进行微分运算，得到特征气体单组分的释放流量的微分曲线，每个单一反应的特征气体的释放流量的微分曲线上，均包括一个向上的波峰连接一个向下的波谷；步骤四，在步骤三得到的特征气体的释放流量的微分曲线上，以波峰起始位置即切线向上偏离水平线的位置对应的时间或温度作为反应起始点，以波谷结束位置即切线向下与水平线重合的位置的时间或温度作为反应结束点进行标注；步骤五，在步骤四所确定的反应起始点和反应结束点之间，对步骤二中得到的特征气体产物释放流量与时间或温度关系图中的曲线进行积分运算，得到曲线上任意一点位置对应的累积积分面积数据和总积分面积数据；以时间或温度为横坐标、以各点对应的累积面积与总面积的比值数据为纵坐标绘图，得到特征气体的释放流量的积分曲线，该积分曲线代表反应的转化率与时间或温度的关系；步骤六，将步骤五中得到的特征气体释放流量的积分曲线导出为一系列的数据点，即得到“反应转化率-时间或温度”的关系数据；步骤七，将步骤六中得到的“反应转化率-时间或温度”关系数据，利用现有的各种动力学方法进行计算，即可得到所研究单一反应的动力学方程。2.根据权利要求1所述基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，其特征在于，在步骤一中：(1)测试采用热分析和红外分析联用的实验方法；(2)测试必须按照固定升温速率的升温方式进行，可以采用一个或者多个升温速率；(3)同时获得热分析和气体产物的红外...

【专利技术属性】
技术研发人员：酒少武，杨爱武，成思萌，陈延信，李辉，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，西安博研仪器分析应用科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61