专利名称：浮力法实时测量聚合反应过程体积变化的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种浮力法实时测量聚合反应过程体积变化的方法及装置，属化学工程技术领域。
根据阿基米德定律，物品浸没在液体中的体积与它所受的浮力成正比，因此可以把体积的测量转变为受浮力作用下的质量的测量。当质量一定的反应物在聚合过程中发生体积变化时，它所受的浮力也会发生变化，因此通过测量浸没在液体中的反应物的质量变化就可以计算出体积的变化。
目前用于测量反应过程体积变化的方法，第一种是1992年俄亥俄州立大学化工系的L.J.Lee等为了研究不饱和聚酯树脂的固化收缩率，自行研制了一种实验室膨胀计，通过位置传感器直接测量树脂在固化过程中的体积变化。其原理是将密封在袋内的树脂置于可控温的样品槽内，上加一个圆柱形的压头，并保持压头给样品槽所加的压力恒定。当树脂在固化过程中产生体积变化时，压头位置随之变化，测量压头的位置变化，从而可以得到树脂固化时的体积变化，其检测精度取决于压头上的位置传感器的灵敏度。Lee研制的膨胀计的测量精度为0.1％。第二种是1996年台湾理工大学化工系的HuangYan-Jyi等研制了另一种实验室膨胀计，通过测量电阻的变化来反映热固性树脂固化过程中的收缩情况，测量精度可达0.1％。其原理是将密封在袋内的树脂置于可控温的管状容器内，用水银浸没样品袋，将一根石墨棒插入水银中，两端接导线到万用表。树脂固化时产生体积变化，水银的高度改变，石墨棒浸入水银长度也改变，万用表记录的电阻随之发生变化，经换算即可得到树脂固化时的体积变化，其测量精度取决于万用表的精度。Huang研制的膨胀计的测量精度约为0.1％。
上述两种方法及相关装置，都只是针对热固性树脂的固化收缩率的实时测量进行设计的，应用范围相当狭窄。
本发明的目的是提出一种浮力法实时测量聚合反应过程体积变化的方法及装置，以用于更加简单、方便地实时测量聚合反应过程中的体积变化。
本发明提出的实时测量聚合反应过程中体积变化的方法，包括如下步骤(1)测定反应前聚合体系的质量m和密度0，则聚合体系的初始体积V0=m/r0；(2)将油浴加热到聚合反应温度并保持恒定，测定该温度下的油浴密度ρ油，将聚合反应体系浸没到油浴中；(3)以聚合反应体系放入油浴的时间为零点，测量聚合反应体系在浮力状态下的质量mt,mt=(mg-F)/g，其中聚合体系受浮力作用F=r油Vtg,Vt是聚合体系在反应过程中t时刻的体积，Vt=(m-mt)/r油，则反应过程中t时刻的体积变化率为 本发明提出的实时测量聚合反应过程中体积变化的装置，包括天平、恒温槽、油浴、温度传感器和温度控制器，所述的天平与被测反应体系相连，被测反应体系和温度传感器置于恒温槽的油浴中，温度传感器与温度控制器相连。
使用本发明提出的方法和装置，凡是有体积变化的聚合反应过程，都可以测量，而不仅仅是热固性树脂交联聚合过程中固化收缩率的测定。各种聚合反应过程中通常伴有体积收缩(有时是体积膨胀)，体积的变化也反映了聚合反应程度，体积变化率对应聚合反应速度，通过测量聚合过程中的体积变化可以研究聚合反应动力学。热固性树脂的固化成型是一种交联反应，反应过程中的体积变化(一般是收缩)，会对树脂制品的品质产生很大的影响。体积收缩使制品的尺寸精度和表面光洁度下降，影响制品的外观。较大的体积收缩会在制品内产生内应力，引起制品的性能下降，严重时会导致制品的破坏，对于有镶嵌件的制品，由于镶嵌件易引起应力集中，更容易发生破坏，因此一般都采用加降收缩剂的方法来减小树脂的固化收缩。用本方法可方便地研究各种添加剂对固化收缩的影响程度及规律，对制备性能优良的降收缩剂有指导意义。此外，因为模具设计中必须考虑成型树脂的收缩情况，不同配方的热固性树脂固化过程中的体积收缩也给模具设计带来了一定的困难。由于各种聚合反应过程中的体积变化具有以上的重要性，因此，对它进行实时测量，了解不同反应阶段的体积变化情况就非常必要。
图1是本发明设计的测量装置的结构示意图。
下面结合附图，介绍本发明的内容。图1中，1是天平，2是恒温槽，3是加热块，4是油浴，5是被测反应体系，6是冷却水入口，7是冷却水出口，8是温度传感器，9是循环水，10是温度控制器。
如图1所示，本发明提出的实时测量聚合反应过程中体积变化的装置，包括天平1、恒温槽2、油浴、温度传感器8和温度控制器10。天平1的下挂勾与被测反应体系5相连，被测反应体系5和温度传感器8置于恒温槽的油浴4中，温度传感器8与温度控制器10相连。本装置中的所有部件无需另行设计加工，可利用已有商品部件进行组装，简便易行。
测量装置的工作过程如下(1)开启恒温槽、天平恒温槽升温到聚合反应温度并保持稳定。
(2)将聚合反应体系密封在样品袋中，用细丝挂在天平的下挂勾上，浸没在恒温油浴中。
(3)采样周期可根据反应快慢设定，最短可达0.1秒。根据不同的研究目的，可将采集到的不同时刻下的体积变化进行不同的数据处理。
本方法的精度取决于天平的精度，当使用天平的感量为0.0001g时，可量测到10-4ml的体积变化，对于1g样品，本方法的精度可达0.01％，完全可以用于各类聚合反应过程的体积变化测量。
下面介绍本发明的两个实施例1)利用本方法和装置对苯乙烯在80℃下本体聚合过程的体积变化进行了测定，反应前聚合体系的质量为11.7779g，密度为907.5Kg/m3,80℃下的油浴密度为958.9Kg/m3，以聚合反应体系放入油浴的时间为零点，测得聚合反应体系在浮力状态下的质量mt和相应的体积变化率见附表12)利用本方法和装置对环氧树脂E-51/甲基四氢苯酐体系在80℃下的固化过程中的体积变化进行了测定，反应前体系的质量为12.8643g，密度为1180.4Kg/m3,80℃下的油浴密度为958.9Kg/m3，以固化体系放入油浴的时间为零点，测得聚合反应体系在浮力状态下的质量mt和相应的体积变化率见附表2表1苯乙烯80℃本体聚合过程的体积变化
续表1
表2环氧树脂E-51/甲基四氢苯酐体系80℃下固化过程的体积变化
续表2
权利要求
1.一种实时测量聚合反应过程中体积变化的方法，其特征在于该方法包括如下步骤(1)测定反应前聚合体系的质量m和密度0，则聚合体系的初始体积V0=m/r0；(2)将油浴加热到聚合反应温度并保持恒定，测定该温度下的油浴密度ρ油，将聚合反应体系浸没到油浴中；(3)以聚合反应体系放入油浴的时间为零点，测量聚合反应体系在浮力状态下的质量mt，质量mt=(mg-F)/g，其中F=r油Vtg,Vt是聚合体系在反应过程中t时刻的体积，Vt=(m-mt)/r油，则反应过程中t时刻的体积变化率为
2.一种实时测量聚合反应过程中体积变化的装置，其特征在于该装置包括天平、恒温槽、油浴、温度传感器和温度控制器，所述的天平与被测反应体系相连，被测反应体系和温度传感器置于恒温槽的油浴中，温度传感器与温度控制器相连。
全文摘要
本发明涉及一种实时测量聚合反应过程中体积变化的方法,首先测定反应前聚合体系的质量m和密度ρ
文档编号G01N9/36GK1320814SQ01118348
公开日2001年11月7日 申请日期2001年5月25日 优先权日2001年5月25日
发明者赵世琦, 杨睿, 刘宇星 申请人:清华大学