基于MATLAB和C#語(yǔ)言對(duì)聚氯乙烯耐熱性的研究與應(yīng)用

摘要：本文采用微軟.net中新的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言C#并結(jié)合MALAB開(kāi)發(fā)了WindowsForm應(yīng)用程序，開(kāi)發(fā)環(huán)境是Microsoft Visual Studio 2010，將材料學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)得到了結(jié)合。同時(shí)利用該程序模擬了聚氯乙顆粒料（PVC）的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），其模擬溫度為344.79K，實(shí)驗(yàn)測(cè)得溫度為358.23K，文獻(xiàn)參考值為360.15K，其誤差在可信范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：C#語(yǔ)言；聚氯乙烯；計(jì)算機(jī)模擬；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；誤差

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）46-0163-02

一、前言

計(jì)算機(jī)模擬式在第二次世界大戰(zhàn)后出現(xiàn)，當(dāng)初被當(dāng)作開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)用的一種工具。在20世紀(jì)50年代初，計(jì)算機(jī)模擬才真正開(kāi)始。計(jì)算機(jī)模擬的奇特之處在于人們對(duì)一些方程不用筆和紙，用計(jì)算機(jī)就可以得到準(zhǔn)確的答案。本文構(gòu)想：利用DSC分析測(cè)試設(shè)備中測(cè)定PVC的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），并利用關(guān)聯(lián)指數(shù)法建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)模型編寫(xiě)一個(gè)小型的計(jì)算機(jī)程序。將測(cè)試結(jié)果與計(jì)算機(jī)程序模擬結(jié)果對(duì)比，分析其誤差和模擬結(jié)果的可靠性。

二、計(jì)算機(jī)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)已應(yīng)用于高分子材料的性能預(yù)測(cè)、聚合物反應(yīng)的模擬及計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)、成型加工的質(zhì)量控制與條件優(yōu)化等各個(gè)領(lǐng)域，其中應(yīng)用最廣泛的就是計(jì)算機(jī)模擬在高分子科學(xué)的應(yīng)用。常用的模擬方法有分子動(dòng)力學(xué)（簡(jiǎn)稱(chēng)MD）、蒙特卡羅方法（簡(jiǎn)稱(chēng)MC）和分子力學(xué)方法（簡(jiǎn)稱(chēng)MM）。

三、實(shí)驗(yàn)部分

聚氯乙烯顆粒料（PVC）的Tg測(cè)試。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：示差掃描量熱儀（Pyris Diamond DSC），千分位電子天平（AE200）及其他常用實(shí)驗(yàn)設(shè)備。測(cè)得的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為：Tg=85.08℃=358.23K，其DSC曲線(xiàn)如下：

四、理論模型的建立和計(jì)算機(jī)程序的編寫(xiě)及結(jié)果校驗(yàn)

1.關(guān)聯(lián)指數(shù)法對(duì)PVC的Tg預(yù)測(cè)。關(guān)聯(lián)指數(shù)法是美國(guó)高分子科學(xué)家Jozef Bicerano與上世紀(jì)90年代提出的，這是一種基于空間拓?fù)鋵W(xué)及原子之間相互關(guān)系的半經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)簡(jiǎn)單聚合物的性能預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。關(guān)聯(lián)指數(shù)法是圖論的具體化形式。近年來(lái)，關(guān)聯(lián)指數(shù)法在聚合物的性能預(yù)測(cè)方面已拓展了許多，其目的是想獲取一種既簡(jiǎn)單、有效又合理精確地預(yù)測(cè)聚合物的性能的方法。

2.聚氯乙烯的關(guān)聯(lián)指數(shù)。下面介紹PVC關(guān)聯(lián)指數(shù)法的求算方法與過(guò)程。聚氯乙烯關(guān)聯(lián)指數(shù)法主要是計(jì)算器零級(jí)關(guān)聯(lián)指數(shù)和一級(jí)關(guān)聯(lián)指數(shù)，用于以后的參數(shù)校正。作出聚氯乙烯的分子結(jié)構(gòu)，將氫原子從結(jié)構(gòu)圖中排出的到隱氫圖。如圖2和圖3

一級(jí)原子指數(shù)（δ）和二級(jí)原子指數(shù)（δv）和價(jià)鍵指數(shù) βij=δi*δj βijV=δVi*δVj，在前述基礎(chǔ)上，產(chǎn)生零級(jí)關(guān)聯(lián)指數(shù)（0x與0xv）和一級(jí)關(guān)聯(lián)指數(shù)（1x與1xv）。零級(jí)（原子關(guān)聯(lián)指數(shù)）0x與0xv，和一級(jí)（鍵）關(guān)聯(lián)指數(shù)1x與1xv，其表達(dá)式分別是：0x=■（1/■） 0xV=■（1/■） 1x=■（1/■）

1xV=■（1/■）綜上，PVC結(jié)構(gòu)單元相應(yīng)的諸關(guān)聯(lián)指數(shù)分別為：0x=2.2845 0xv=2.4183 1x=1.3938 1xv=1.47115

3.關(guān)聯(lián)指數(shù)法預(yù)測(cè)聚合物的Tg的溫度方程和結(jié)構(gòu)校正參數(shù)。①溫度方程：對(duì)于普通的聚合物可以通過(guò)溶度參數(shù)δ、結(jié)構(gòu)參數(shù)X13和Ntg/N，在參數(shù)普遍參數(shù)的條件下預(yù)測(cè)：Tg≈351.00+51.6*δ+31.68*NTg/N+23.94*X13 其中NTg為校正參數(shù)。NTg=15*X1-4*X2+23*X3+12*X4-8*X5-4*X6-8*X7+

5*X8+11*X9+8*X10-11*X11-4*X12。②結(jié)構(gòu)校正參數(shù)：X1到X13為結(jié)構(gòu)校正參數(shù)。③結(jié)構(gòu)校正參數(shù)總結(jié)：以上X1到X13結(jié)構(gòu)參數(shù)中除了X5和X6，大多數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的為零。最終我們得到X5=1；X6=2，在程序中進(jìn)行了PVC玻璃化溫度的預(yù)測(cè)。

4.程序的編寫(xiě)與驗(yàn)證。本文采用了微軟.net中的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言C#開(kāi)發(fā)了這個(gè)WindowsForm應(yīng)用程序并用到了MATLAB進(jìn)行混合編程。開(kāi)發(fā)環(huán)境是Microsoft Visual Studio 2010，將材料學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)得到了結(jié)合。①M(fèi)ATLAB編程：MALTAB是一種計(jì)算工程計(jì)算及模擬用的數(shù)學(xué)軟件，其計(jì)算能力十分強(qiáng)大其為跨平臺(tái)的編程提供了很好的利用方法，可實(shí)現(xiàn)與C++，Java，C#等語(yǔ)言的混合編程。具體方式如下，數(shù)學(xué)模式進(jìn)行編程，編寫(xiě)好后將MATLAB程序編寫(xiě)成所需的DLL文件（可選擇編譯的語(yǔ)言，該過(guò)程自動(dòng)完成）。②C# Windows Form程序開(kāi)發(fā)：建立Windows Form開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，將編寫(xiě)好的DLL文件引入到該項(xiàng)目中來(lái)，進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)。并進(jìn)行程序校驗(yàn)，開(kāi)發(fā)的程序界面如下面的截圖。

5.結(jié)果驗(yàn)證。通過(guò)我們最終的模擬得到的PVC Tg= 344.79K，實(shí)驗(yàn)室中得到的實(shí)驗(yàn)值為T(mén)g=358.23K，查閱相關(guān)的文獻(xiàn)值得到PVC的Tg=360.15K。誤差分析：模擬值與文獻(xiàn)值的誤差：W1=（360.15-344.79）/360.15=4.26%，實(shí)驗(yàn)值與模擬值的誤差：W2=（358.23-344.79）/358.23=3.75%。通過(guò)模擬值與實(shí)驗(yàn)值及文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)值的比較，可以看到，預(yù)測(cè)值與文獻(xiàn)值的誤差并不大，W<15%。說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，該預(yù)測(cè)方式是比較科學(xué)的。

五、結(jié)論

本文利用差熱掃描耐熱性能分析方法（DSC）測(cè)試了聚氯乙烯顆粒料的Tg，同時(shí)采用微軟net中新的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言C#開(kāi)發(fā)了這個(gè)WindowsForm應(yīng)用程序，利用該程序模擬了PVC的Tg值，兩種方法的誤差為3.75%，說(shuō)明該種方法開(kāi)發(fā)的程序是可信的，在誤差范圍內(nèi)。

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基金項(xiàng)目：本文得到黑龍江省教育廳教改項(xiàng)目（JG2012010281）、哈爾濱理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和綜合試點(diǎn)改革項(xiàng)目——面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)理工科院校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式綜合改革與實(shí)踐的項(xiàng)目支持

作者簡(jiǎn)介：陳宇飛（1963-），齊齊哈爾市人，主要從事高分子材料的教學(xué)與科研工作。