[发明专利]一种微波固化反应系统及其微波固化和定量评价微波固化反应非热效应的方法

说明书

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种微波固化反应的系统、及其微波固化反应的方法，和定量评价微波固化反应非热效应的方法。本发明通过将温控循环单元、红外原位检测单元以及等温反应器单元进行巧妙结合，排除微波辐照过程当中热效应对反应的影响，通过实时红外追踪树脂反应程度，进而计算出该条件下的反应活化能变化情况，由此定量评价微波固化的非热效应，该发明解决了复合材料微波辐照加速固化研究当中的关键性瓶颈问题；而且，由上述微波固化反应系统得到的固化树脂具有更好的力学性能。

技术领域

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种微波固化反应系统、及其微波固化反应的方法，和定量评价微波固化反应非热效应的方法。

背景技术

微波辐照是复合材料加工领域当中加速基体树脂固化的重要实现手段之一。通过微波作用使液态树脂变成固态，也就是微波诱导树脂形成三维不溶不熔的网络结构。微波场能够定点激发极性分子震动，进而产生热量，提升反应体系温度，相较于传导加热方式，微波辐照能够避免局部热点所带来的固化不均匀现象；微波辐照瞬时加热的特点能够进一步缩短加工时间；微波穿透能力强，在复杂结构件的加工方面具有卓绝的优势；与此同时，随着技术的发展，微波发生设备体积不断减小，成本不断降低，在工业化生产方面优势愈发明显。另外，微波辐照能够在真空、低温等极端环境下保持对树脂固化的加速作用，使其成为航天飞行器在轨快速修复的手段之一。

然而，对树脂固化加速机理的研究以及评价目前依然存在基础方法上的瓶颈，主要集中在如何评价以及定量计算微波辐照的“非热效应”。微波除了能够通过共振极性基团而致使反应温度升高，进而加速固化以外，还可以通过增加极性基团相互碰撞的概率等方式加快反应速度。而这部分加速效应并不来源于反应体系温度的升高，因此被称为“非热效应”。虽然学术界对微波非热效应的原理众说纷纭，然而在大量数据的支撑下，非热效应的存在得到了广泛的认可，然而对于非热效应的定量评价方法却莫衷一是，其中瓶颈便是缺少将微波热效应与非热效应分离研究的方法。

目前该领域内没有统一并且获得广泛认可的方法。其中的难点在于，微波辐照必定引起极性分子共振，进而导致体系温度升高，然而反应温度对于微波的非热效应有影响。通过对微波辐照下的反应物温度进行精确检测与升温模拟，可以对比在同样的升温条件下，传导加热与微波辐照样品之间的反应速率差，可以定量计算出微波辐照在变温条件下的非热效应。Boey¹，Navabpour²([1]F.Y.C.Boey,B.H.Yap,Microwave curing ofan epoxy-amine system:effect ofcuring agent on the glass-transitiontemperature.Polym.Test.20(2001)837-845；[2]P.Navabpour,A.Nesbitt,T.Mann,R.J.Day,Comparison ofthe Curing Kinetics ofa DGEBA/Acid Anhydride Epoxy ResinSystem Using Differential Scanning Calorimetry and a Microwave-Heated Calorimeter.J.Appl.Polym.Sci.104(2007)2054-2063.)等研究者所使用的研究方法基于上述手段，能够证明微波辐照非热效应的存在，并且针对特定树脂的特定反应温度区间，得到活化能的总体变化趋势。然而上述方法只能针对某一温度段的非热效应进行研究，而且根据升温速率的不同，非热效应的数值也会发生变化，导致上述结果不具有通用性。在实际的复合材料微波辐照固化加工过程当中，树脂的整体温度将经历大幅度变化，最终趋于稳定。通过模拟升温测算而来的，只针对于特定升温速率与温度范围的非热效应动力学数据，无法用于实际应用场景。如何精确定量评价微波辐照固化的非热效应，是复合材料应用与科研领域共同关注的热点瓶颈性问题之一。

发明内容