用于聚苯乙烯微球制備的水浴鍋恒控系統(tǒng)設(shè)計

姚 堯，田郁郁，常子棟，王志鵬，程 鵬

（天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津 300192）

0 引言

近年來，聚苯乙烯微球標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)市場需求量大，而市售產(chǎn)品粒徑尺寸規(guī)格有限，價格昂貴。本實驗室提出采用苯乙烯（St）作為單體原料、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作為穩(wěn)定劑、偶氮二異丁腈（AIBN）作為引發(fā)劑、無水乙醇作為分散介質(zhì)，經(jīng)過水浴加熱進(jìn)行分散聚合反應(yīng)來制備聚苯乙烯微球標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。圖1 所示為實驗中各部件示意圖，將原料、穩(wěn)定劑、引發(fā)劑、分散介質(zhì)全部置于三口瓶中，密封、攪拌并加熱至70℃，通過若干小時反應(yīng)后得到聚苯乙烯微球混合液。

圖1 各部件示意圖Fig.1 Components of the unit

分散聚合反應(yīng)開始時，在一定溫度條件下由引發(fā)劑形成自由基，并與單體苯乙烯反應(yīng)生成齊聚物。當(dāng)聚合反應(yīng)中的穩(wěn)定劑用量增加時，粒子周圍穩(wěn)定劑增多，對粒子穩(wěn)定作用增大，從而對粒子的凝聚產(chǎn)生阻礙作用；穩(wěn)定劑用量升高，成核數(shù)目增多，使每個成核粒子得到的單體量減少，最終導(dǎo)致粒徑變小。采用分散聚合法進(jìn)行反應(yīng)的過程中，溫度控制對于反應(yīng)效率、反應(yīng)產(chǎn)物粒徑影響重大，可根據(jù)實驗結(jié)果調(diào)整溫度，得到預(yù)定粒徑大小的聚苯乙烯微球。傳統(tǒng)的水浴鍋只能單純控制水浴鍋中液體溫度，而沒有監(jiān)測實際參加反應(yīng)的混合液溫度，本文設(shè)計的水浴鍋恒控系統(tǒng)，利用Pt 電阻實時監(jiān)控反應(yīng)混合液溫度，采用單片機讀取模擬數(shù)據(jù)，再與目標(biāo)溫度比對，控制水浴鍋加熱器電壓調(diào)節(jié)溫度，為合成反應(yīng)提供了溫度可控的水浴環(huán)境，解決了現(xiàn)有技術(shù)缺陷。

1 恒控水浴鍋控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 溫度檢測模塊

傳統(tǒng)的溫度檢測模塊大多采用溫度檢測芯片，但在使用中需要將溫度傳感器貼附于被測物體上，并且分辨率過大，在實驗中產(chǎn)生的讀數(shù)誤差較大，更沒有防水功能，不能用于監(jiān)測空間體積受限制的液體反應(yīng)物溫度中[1,2]。

Pt100 鉑熱電阻，阻值隨溫度變化而改變，在100℃時阻值約138.51Ω，在0℃時阻值約為100Ω，其他溫度下電阻值可由內(nèi)插公式得到。在Pt100 鉑熱電阻外串聯(lián)一個分壓電阻，再接入與單片機供電電壓一致的模擬電源后，即可通過檢測電壓獲得待測溫度值。采用Pt 電阻溫度傳感器，將傳感探頭包覆于金屬套內(nèi)，傳感器至單片機芯片間采用雙層金屬屏蔽技術(shù)，既可滿足液體監(jiān)測環(huán)境使用需求，又可減少信號在傳輸過程中的誤差。

本文采用C8051F021 單片機，完全集成了混合信號系統(tǒng)及MCU 芯片，具有32 個數(shù)字I/O 引腳，真正12 位、100ksps 的8 通道ADC，它包括一個9 通道的模擬多路開關(guān)、一個可編程增益放大器和一個100ksps 的12 位分辨率的逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置一個1.2V、15ppm/℃的電壓基準(zhǔn)。通過軟件編程，可以設(shè)置外部輸入為單端輸入方式或差分輸入方式[3]。可編程窗口檢測器能夠自動地、不停地將A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果與用戶編程所設(shè)置的極限值進(jìn)行比較，越限則立即通知控制器。

圖2 程序設(shè)計流程圖Fig.2 flow chart of program design

1.2 溫度控制模塊

利用單片機實現(xiàn)的溫度控制，即通過單片機的輸出電平控制水浴鍋加熱系統(tǒng)的電壓，高電平加熱，低電平停止加熱。當(dāng)水浴鍋加熱器加熱時，三口瓶內(nèi)混合液溫度緩慢升高，當(dāng)溫度檢測模塊監(jiān)控到的溫度高于程序設(shè)定溫度時，單片機輸出低電平，加熱器停止加熱，此時溫度會緩緩下降；當(dāng)溫度檢測模塊監(jiān)控到的溫度低于程序設(shè)定溫度時，單片機輸出高電平，加熱器開始加熱，此時溫度會緩緩上升；當(dāng)溫度檢測模塊監(jiān)控到的溫度高于程序設(shè)定溫度時，單片機再次輸出低電平，加熱器停止加熱，如此往復(fù)，實現(xiàn)單片機對加熱器的控制，使三口瓶內(nèi)混合液溫度始終處于所需溫度范圍內(nèi)[4]。

C8051F021 具有4 個8 位的I/O 端口，每個端口的引腳都可以由程序配置為推挽或漏極開路輸出。單片機的I/O端口輸出0 或1 電平控制水浴鍋加熱板撥片的通斷，實現(xiàn)水浴鍋加熱器的控制。

2 單片機程序設(shè)計

圖2 所示單片機程序設(shè)計流程圖。啟動程序后，首先初始化，檢查各管腳功能是否正確運行，判定ACK 標(biāo)志位，若初始化成功，ACK 置1，I/O 輸出高電平，水浴鍋加熱板撥片接通，水浴鍋開始加熱，隨后進(jìn)入Pt 電阻溫度傳感器檢測循環(huán)。當(dāng)被測溫度值高于設(shè)定溫度時，I/O 輸出低電平，水浴鍋加熱板撥片斷開，水浴鍋停止加熱；被測溫度值低于設(shè)定溫度時，I/O 輸出高電平，水浴鍋加熱板撥片接通，水浴鍋繼續(xù)加熱。如此往復(fù)循環(huán)，實時判定Pt 溫度傳感器溫度值，保持溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度附近[5]。

表1 穩(wěn)定性測量數(shù)據(jù)Table 1 Data of stability

表2 溫度誤差實驗測量數(shù)據(jù)Table 2 Data of temperature error

3 實驗數(shù)據(jù)

3.1 溫度均勻性實驗

將水浴鍋中沖入純凈水，將溫度設(shè)置在聚苯乙烯微球的常用溫度70℃下，恒溫保持30min。使用經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字溫度計測量水浴鍋工作區(qū)溫度關(guān)鍵點，所需測量的關(guān)鍵點分別為水浴鍋幾何中心、水浴鍋四角附近距水浴鍋內(nèi)壁距離為邊長1/10 的四點。測量5 個點的溫度值，并按照貝塞爾公式計算標(biāo)準(zhǔn)偏差：

3.2 溫度穩(wěn)定性實驗

由于聚苯乙烯的合成反應(yīng)要求溫度保持在設(shè)定值不變，因而需要測量水浴鍋溫度穩(wěn)定性。將溫度設(shè)置在聚苯乙烯微球的常用溫度70℃下，恒溫保持30min，測定溫度初始值。在此后的1h 內(nèi)，使用經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字溫度計測量反應(yīng)混合液溫度，每隔5min 記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄于表1 中，經(jīng)計算最大偏差為±0.2°

3.3 溫度誤差實驗

將溫度設(shè)置在聚苯乙烯微球的溫度50℃下，恒溫保持30min。使用經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字溫度計測量反應(yīng)混合液溫度，此后將水浴鍋溫度分別設(shè)定至55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃，測定每個溫度設(shè)定值下三口瓶中反應(yīng)混合液的溫度，每個溫度點測量3 次取平均值，實驗數(shù)據(jù)見表2。

4 結(jié)語

聚苯乙烯微球合成過程對水浴溫度要求嚴(yán)格，合成過程中的溫度控制直接影響到合成效率。市售水浴鍋只有開環(huán)控制功能，沒有針對反應(yīng)池設(shè)計的閉環(huán)檢測回路，本文設(shè)計的水浴鍋恒控系統(tǒng)滿足了現(xiàn)有產(chǎn)品缺陷，為聚苯乙烯微球的合成過程提供技術(shù)保障。