基本信息
- 项目名称：
- 高分子合成——二元共聚预测系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- “高分子合成——二元共聚预测系统”是本科生研发团队独立完成的一项原创性科技发明。作品基于物理化学理论对高分子合成工业中半经验公式进行了修正，并得到大量试验数据验证。研究成果对化学工业中高分子合成产业具有显著的理论指导意义，应用前景广阔（李鹤林院士）。 共聚物性能优越，在其研究和生产中共聚物的组成是关键，而竞聚率的计算测量是难点。共聚物研发生产中存在竞聚率测算手段繁琐、工作量大、费用高和共聚行为预测难等诸多问题，为此作者开发了“高分子合成——二元共聚预测系统”。 “高分子合成——二元共聚预测系统”研发团队通过对与共聚相关的数据的搜集、翻译、整理，建立了完善的共聚数据库，并编写了《高分子合成——二元共聚数据手册》（已与西安交通大学出版社签订了图书约稿合同）。建立了国内外第一个共聚数据库，编写了国内第一本共聚反应数据手册，解决了共聚研究生产领域数据查询困难的问题。数据库涵盖近300种单体的共轭效应Q值、极性e值、溶解性、结构式等物性，有2000多组竞聚率科技文献实验值，可对近4万组单体组合的共聚行为进行预测和分析。 “高分子合成——二元共聚预测系统”研发团队通过对共聚理论的研究和实验数据的拟合，引入修正因子C对Q-e关联式进行修正，建立新的竞聚率估算模型—C模型，并从聚合机理上对修正因子C进行了解释。C模型首次提出了二元共聚竞聚率估算的全面修正，提高了竞聚率估算的可靠性，开创了竞聚率估算领域的空白。 “高分子合成——二元共聚预测系统”研发团队在C模型的基础上，对共聚体系进行研究，开发了具有全面分析预测功能的二元共聚预测软件，完成与共聚体系的预测。软件可给出科技文献已有实验值、传统Q-e式估算值、新估算模型—C模型修正值三种竞聚率，绘制共聚组成曲线，计算投料比，预测共聚反应类型，推荐溶剂、引发剂、聚合方法和工业化产品，生成分析报告，可进行一对单体共聚行为分析和两对单体共聚的比较。软件功能全面，实用价值大。软件已提出著作权申请，并与中海炼化惠州炼油分公司和山东朝阳塑业有限公司签订了使用意向书。 “高分子合成——二元共聚预测系统”无论是在共聚理论研究领域还是在实际生产研发领域都将发挥重要的作用。
- 详细介绍：
- 一、“高分子合成——二元共聚预测系统”开发原因及意义 1.1共聚物的优越性 材料是21世纪的三大支柱产业之一，由于金属矿产资源匮乏，高分子合成材料的应用越来越广泛，地位也越来越重要。高分子材料不仅具有重量轻、耐腐蚀和电绝缘等许多优良性能，而且具有可塑性好、易加工成型、原料丰富、价格低廉等特点，可以制成各种工业和生活用品。 然而高分子材料中均聚物的种类有限，品种不多，各种性能远远不能满足日益增长的现实需求。通过共聚不仅可以扩展聚合物品种，将一些难以均聚的单体用于共聚，还可以改进聚合物的各种性能。 1.2竞聚率估算及建立新估算模型的必要性 共聚反应中共聚物的组成是首要问题，而竞聚率的计算测量是难点。竞聚率是共聚体系的决定性指标，有了竞聚率才能得出共聚物的组成，进而推测其性能。然而竞聚率的全面测定是一项巨大的工程。如果有100种单体就有4950组竞聚率，何况单体数目远多于100种。全面实验测定竞聚率的数值，将不胜其烦。通常进行高分子合成试验之前，需要先对共聚体系进行估算和预测，以进行适当选择，减轻实验工作量，提高实验准确性。借助于目前发达的计算机技术和计算机强大的计算功能，对共聚体系进行评估，将是很有前途的发展方向和趋势。 目前，竞聚率估算通用的是Alfrey-Price的Q-e关联式。由于当时数据处理技术条件的限制，Q-e关联式仅仅考虑了单体的共轭效应和极性效应，而忽略了单体的位阻效应，在很大范围内存在误差，可靠性差。所以，亟需研究建立一种新的竞聚率估算模型，解决竞聚率估算中存在的问题。 1.3相关领域发展现状 由于全面研究单体的共聚行为存在数据量大且不完整、数据修正困难等问题，目前绝大多数研究都只针对一组或几组单体进行，建立其竞聚率和单体的性质之间的联系，并采取模拟对数据进行修正。目前，还没有人从事所有单体共聚竞聚率估算的研究。 目前，国内外都没有共聚预测方面的应用软件，国内甚至没有一个比较完善的数据库。因此，在这方面的研究的空白是亟待填补的，相关领域的研究成果将会对推动共聚理论的发展发挥重要作用。 因此，二元共聚数据手册和数据库的建立和预测软件的开发具有理论研究和实际应用的双重意义。 二、“高分子合成——二元共聚预测系统”介绍 2.1 完善的数据体系 鉴于共聚数据查询困难的问题“高分子合成——二元共聚预测系统”研发团队进行了长期的相关数据的搜集、翻译、整理和分析工作，建立了国内外第一个共聚数据库（数据库涵盖近300种单体的共轭效应Q值、极性e值、溶解性、结构式等物性，有2000多组竞聚率科技文献实验值，可对近4万组单体组合的共聚行为进行预测和分析）。以数据库为基础的《高分子合成——二元共聚数据手册》将成为国内第一本共聚反应数据手册。“高分子合成——二元共聚预测系统”彻底解决了共聚研究生产领域数据查询困难的问题。 2.2 C模型的建立 “高分子合成——二元共聚预测系统”研发团队通过对共聚理论的研究和实验数据的拟合，引入修正因子C对Q-e关联式进行修正，建立新的竞聚率估算模型—C模型，并从聚合机理上对修正因子C进行了解释。C模型首次提出了二元共聚竞聚率估算的全面修正，提高了竞聚率估算的可靠性，开创了竞聚率估算领域的空白。 C为考虑取代基结构后对竞聚率的修正因子。我们运用全新的数据处理方法，进行共聚组成曲线的误差积分，确定修正因子C值，解决了长期存在的竞聚率估算中数据拟合困难的问题。通过计算机程序比较加入修正因子C后的修正值与原Q-e关联式计算值，得出以下结论：（1）用修正公式计算出来的竞聚率51.94%比Q-e关联式计算出来的竞聚率更接近实验值；（2）修正公式的竞聚率计算值中83.31%比Q-e计算值更接近实验值或者与原来的Q-e计算值相差不多。 通过研究，可以得出：(1)修正因子C能够在一定程度上表征取代基对单体活性的影响，引入修正因子C具有理论和实际修正意义；（2）由于通过C模型修正公式计算出来的竞聚率更能符合实验事实，修正公式比原Q-e关联式更加精确，更能在各个方面表征基团对竞聚率的贡献；（3）C模型在理论上和实践中具有比Q-e关联式更大的意义。 2.3预测软件应用范围广、功能完善 “高分子合成——二元共聚预测系统”研发团队在C模型的基础上，对整个共聚体系进行研究，开发了具有全面分析预测功能的二元共聚预测软件。软件具有以下功能。 （1）查询单体物性； （2）查询科技文献已有竞聚率实验值、得出传统Q-e式估算值、计算出C模型修正的竞聚率； （3）绘制共聚组成曲线，并进行投料比计算； （4）预测共聚反应类型，推荐溶剂、引发剂、聚合方法和工业化产品； （5）生成完整分析报告，对预测结果进行保存； （6）可进行一对单体共聚行为分析，也可进行两对单体共聚行为的比较。 预测软件功能全面，实用价值大。已经申请著作权，并与中海炼化惠州炼油分公司和山东朝阳塑业有限公司签订了使用意向书。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的和思路： 1.估算竞聚率，减轻竞聚率实验测定的工作量，降低共聚物产品研发生产的成本。 2.引入修正因子C对Q-e关联式进行修正，建立更可靠的竞聚率估算模型。完成共聚反应核心问题竞聚率的分析预测，绘制共聚组成曲线并进行投料比计算。 3.建立全面的单体物性数据库，开发预测软件，将C模型与实际应用的其他方面相结合，实现二元共聚体系的预测，指导共聚物的研发和实际生产。 4.通过软件查询和《高分子合成——二元共聚数据手册》，解决数据查询困难的问题。 创新点： 1.引入修正因子C，对半经验Q-e关联式进行修正，建立了二元共聚竞聚率估算模型—C模型，解决了竞聚率估算可靠性差的问题。 2.运用全新的数据处理方法，对共聚组成曲线进行误差积分，确定修正因子C值，解决了竞聚率估算中长期存在的数据拟合困难的问题。 3.预测软件在国内外都是独一无二的，填补了二元共聚预测领域的空白。 4. 《高分子合成——二元共聚数据手册》出版后将成为国内第一本共聚数据手册。 5.软件功能完善，解决了目前其他产品和模型只能分析单一物质或功能单一的弊端。适用于目前报道的所有二元共聚体系，可对近4万对单体的共聚行为进行预测和分析。 技术关键和主要技术指标：引入每种单体的修正因子C，建立竞聚率估算的新模型—C模型。
科学性、先进性
- “高分子合成——二元共聚预测系统”是本科生研发团队独立完成的一项原创性科技发明。“作品基于物理化学理论对高分子合成工业中半经验公式进行了修正，并得到大量试验数据验证。研究成果对化学工业中高分子合成产业具有显著的理论指导意义，应用前景广阔。”（李鹤林院士） 作品基于阿累尼乌斯方程 ，引入修正因子C，对传统的半经验Q-e关联式进行修正，建立了新的二元共聚竞聚率估算模型—C模型，解决了竞聚率估算可靠性差的问题。与公认的经验Q-e关联式相比，用新的竞聚率修正值绘制的共聚组成曲线与实验值吻合得更好。其中83.31%的修正数据与实验值吻合较好；相较于Q-e关联式，51.94%的修正数据与实验值的吻合程度更高。 二元共聚竞聚率估算模型—C模型、“高分子合成——二元共聚预测系统”软件和《高分子合成——二元共聚数据手册》的科学性和先进性受到了相关领域的院士、教授、研究所、教研室和生产厂家的高度评价。
获奖情况及鉴定结果
- 1.荣获本校“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。 2.中海炼化惠州炼油分公司和山东朝阳塑业有限公司充分肯定了作品的实际应用价值，签订了使用意向书。 3.与西安交通大学出版社签订了《高分子合成——二元共聚数据手册》约稿合同。 4.“高分子合成——二元共聚预测系统”提出著作权申请。
作品所处阶段
- 公司试用软件，数据手册出版社约稿
技术转让方式
- 有偿转让
作品可展示的形式
- 实物、产品 现场演示 图片 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：绿色软件，解压后即可使用。 技术特点和优势： 1.预测软件核心采用自主研发的竞聚率估算模型-C模型,可靠性高. 2.数据库中单体物性全面（可对近4万组单体组合的共聚行为进行预测和分析），且数据科学可靠，全部来自权威科技文献。 3.《高分子合成——二元共聚手册》是国内第一本共聚数据手册。 4.软件功能全面，实用性强。可给出三种竞聚率，绘制共聚组成曲线，计算投料比，预测共聚反应类型，推荐溶剂、引发剂、聚合方法和工业化产品，生成分析报告，可进行一对单体共聚行为分析和两对单体共聚的比较。 适用范围、推广前景、市场分析和经济效益： 软件和数据手册可用于化学纤维、橡胶、塑料制品业中的产品研发、性能改进、开发系列化产品和生产指导等方面。也可用于自由基共聚理论的理论研究和教学。 目前，我们的作品填补了相关领域的空白，有多家公司有意向使用“高分子合成——二元共聚预测系统”。我们已经与中海炼化惠州炼油分公司和山东朝阳塑业有限公司签订了使用意向书。
同类课题研究水平概述
- 聚合物材料发展前景广阔，共聚物的研究是其中的热点问题。由于共聚反应存在实验数据量大且不完整、数据修正困难等问题，绝大多数研究只针对一组或几组单体的具体性质进行。目前，还没有适用于已有报道的所有二元共聚体系的预测模型，国内外也没有共聚预测方面的应用软件，国内甚至没有一个比较完善的数据库。因此，二元共聚数据手册的编写和数据库的建立、预测软件的开发填补了相关领域的空白。 1.估算竞聚率的定性关联式的研究 全面测定竞聚率实验工作量巨大，为了估算竞聚率，Alfrey-Price建立了最通用Q-e关联式。然而该公式只考虑了共轭效应和极性效应，忽略了位阻效应等对竞聚率的影响，造成一定范围内的很大误差。长期以来，由于数据修正困难等原因，未有人在公式修正方面深入研究。因此，亟需在公式中引入与位阻效应及物质结构有关的因子进行修正。作品的理论模型很好的解决了这一问题。 2.共聚领域的其他应用软件 谷亚新等于2007年发表了《用VC++制作二元共聚物组成曲线的研究》, 但其功能局限在曲线的绘制上，没有对竞聚率进行估算，物质种类局限，缺少共聚体系其他方面的分析预测，适用范围较窄。“高分子合成——二元共聚预测系统”功能全面，适用于目前报道的所有二元共聚体系，在高分子合成中具有广阔的应用前景。 3.测算竞聚率的方法 目前，用于测定竞聚率的方法有很多，有曲线拟合法、直线交叉法、JJ法、线性化法和改进的曲线拟合法等方法。但这些方法很多都是以大量实验为前提，由绘制曲线来得到竞聚率，过于繁琐。运用基于C模型的“高分子合成——二元共聚预测系统”却能简捷可靠地估算出竞聚率，并提供详细的单体物性，分析快捷方便。运用预测系统大大降低了实验工作量和研发生产成本。
