基于MATLAB和C#语言对聚氯乙烯耐热性的研究与应用
时间：2021-02-05 04:01:43 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：本文采用微软.net中新的开发语言C#并结合MALAB开发了WindowsForm应用程序，开发环境是Microsoft Visual Studio 2010，将材料学与计算机科学得到了结合。同时利用该程序模拟了聚氯乙颗粒料（PVC）的玻璃化转变温度（Tg），其模拟温度为344.79K，实验测得温度为358.23K，文献参考值为360.15K，其误差在可信范围内。
关键词：C#语言；聚氯乙烯；计算机模拟；玻璃化转变温度；误差
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）46-0163-02
一、前言
计算机模拟式在第二次世界大战后出现，当初被当作开发计算机用的一种工具。在20世纪50年代初，计算机模拟才真正开始。计算机模拟的奇特之处在于人们对一些方程不用笔和纸，用计算机就可以得到准确的答案。本文构想：利用DSC分析测试设备中测定PVC的玻璃化转变温度（Tg），并利用关联指数法建立一个数学模型，利用数学模型编写一个小型的计算机程序。将测试结果与计算机程序模拟结果对比，分析其误差和模拟结果的可靠性。
二、计算机在高分子科学中的应用
计算机已应用于高分子材料的性能预测、聚合物反应的模拟及计算机辅助分子设计、成型加工的质量控制与条件优化等各个领域，其中应用最广泛的就是计算机模拟在高分子科学的应用。常用的模拟方法有分子动力学（简称MD）、蒙特卡罗方法（简称MC）和分子力学方法（简称MM）。
三、实验部分
聚氯乙烯颗粒料（PVC）的Tg测试。实验设备：示差扫描量热仪（Pyris Diamond DSC），千分位电子天平（AE200）及其他常用实验设备。测得的玻璃化转变温度为：Tg=85.08℃=358.23K，其DSC曲线如下：
四、理论模型的建立和计算机程序的编写及结果校验
1.关联指数法对PVC的Tg预测。关联指数法是美国高分子科学家Jozef Bicerano与上世纪90年代提出的，这是一种基于空间拓扑学及原子之间相互关系的半经验公式，对简单聚合物的性能预测结果较为准确。关联指数法是图论的具体化形式。近年来，关联指数法在聚合物的性能预测方面已拓展了许多，其目的是想获取一种既简单、有效又合理精确地预测聚合物的性能的方法。
2.聚氯乙烯的关联指数。下面介绍PVC关联指数法的求算方法与过程。聚氯乙烯关联指数法主要是计算器零级关联指数和一级关联指数，用于以后的参数校正。作出聚氯乙烯的分子结构，将氢原子从结构图中排出的到隐氢图。如图2和图3
一级原子指数（δ）和二级原子指数（δv）和价键指数 βij=δi*δj βijV=δVi*δVj，在前述基础上，产生零级关联指数（0x与0xv）和一级关联指数（1x与1xv）。零级（原子关联指数）0x与0xv，和一级（键）关联指数1x与1xv，其表达式分别是：0x=■（1/■） 0xV=■（1/■） 1x=■（1/■）
1xV=■（1/■）综上，PVC结构单元相应的诸关联指数分别为：0x=2.2845 0xv=2.4183 1x=1.3938 1xv=1.47115
3.关联指数法预测聚合物的Tg的温度方程和结构校正参数。①温度方程：对于普通的聚合物可以通过溶度参数δ、结构参数X13和Ntg/N，在参数普遍参数的条件下预测：Tg≈351.00+51.6*δ+31.68*NTg/N+23.94*X13 其中NTg为校正参数。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结构校正参数：X1到X13为结构校正参数。③结构校正参数总结：以上X1到X13结构参数中除了X5和X6，大多数的结构参数的为零。最终我们得到X5=1；X6=2，在程序中进行了PVC玻璃化温度的预测。
4.程序的编写与验证。本文采用了微软.net中的开发语言C#开发了这个WindowsForm应用程序并用到了MATLAB进行混合编程。开发环境是Microsoft Visual Studio 2010，将材料学与计算机科学得到了结合。①MATLAB编程：MALTAB是一种计算工程计算及模拟用的数学软件，其计算能力十分强大其为跨平台的编程提供了很好的利用方法，可实现与C++，Java，C#等语言的混合编程。具体方式如下，数学模式进行编程，编写好后将MATLAB程序编写成所需的DLL文件（可选择编译的语言，该过程自动完成）。②C# Windows Form程序开发：建立Windows Form开发项目，将编写好的DLL文件引入到该项目中来，进行程序的开发。并进行程序校验，开发的程序界面如下面的截图。
5.结果验证。通过我们最终的模拟得到的PVC Tg= 344.79K，实验室中得到的实验值为Tg=358.23K，查阅相关的文献值得到PVC的Tg=360.15K。误差分析：模拟值与文献值的误差：W1=（360.15-344.79）/360.15=4.26%，实验值与模拟值的误差：W2=（358.23-344.79）/358.23=3.75%。通过模拟值与实验值及文献标准值的比较，可以看到，预测值与文献值的误差并不大，W<15%。说明预测结果较为准确，该预测方式是比较科学的。
五、结论
本文利用差热扫描耐热性能分析方法（DSC）测试了聚氯乙烯颗粒料的Tg，同时采用微软net中新的开发语言C#开发了这个WindowsForm应用程序，利用该程序模拟了PVC的Tg值，两种方法的误差为3.75%，说明该种方法开发的程序是可信的，在误差范围内。
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基金项目：本文得到黑龙江省教育厅教改项目（JG2012010281）、哈尔滨理工大学大学生创新实验和综合试点改革项目——面向区域经济理工科院校创新创业人才培养模式综合改革与实践的项目支持
作者简介：陈宇飞（1963-），齐齐哈尔市人，主要从事高分子材料的教学与科研工作。
