用于聚苯乙烯微球制備的水浴鍋恒控系統設計

姚 堯，田郁郁，常子棟，王志鵬，程 鵬

（天津市計量監督檢測科學研究院，天津 300192）

0 引言

近年來，聚苯乙烯微球標準物質市場需求量大，而市售產品粒徑尺寸規格有限，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）作為穩定劑、偶氮二異丁腈（AIBN）作為引發劑、無水乙醇作為分散介質，經過水浴加熱進行分散聚合反應來制備聚苯乙烯微球標準物質。圖1 所示為實驗中各部件示意圖，將原料、穩定劑、引發劑、分散介質全部置于三口瓶中，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

分散聚合反應開始時，在一定溫度條件下由引發劑形成自由基，并與單體苯乙烯反應生成齊聚物。當聚合反應中的穩定劑用量增加時，粒子周圍穩定劑增多，對粒子穩定作用增大，從而對粒子的凝聚產生阻礙作用；穩定劑用量升高，成核數目增多，使每個成核粒子得到的單體量減少，最終導致粒徑變小。采用分散聚合法進行反應的過程中，溫度控制對于反應效率、反應產物粒徑影響重大，可根據實驗結果調整溫度，得到預定粒徑大小的聚苯乙烯微球。傳統的水浴鍋只能單純控制水浴鍋中液體溫度，而沒有監測實際參加反應的混合液溫度，本文設計的水浴鍋恒控系統，利用Pt 電阻實時監控反應混合液溫度，采用單片機讀取模擬數據，再與目標溫度比對，控制水浴鍋加熱器電壓調節溫度，為合成反應提供了溫度可控的水浴環境，解決了現有技術缺陷。

1 恒控水浴鍋控制系統設計

1.1 溫度檢測模塊

傳統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，在實驗中產生的讀數誤差較大，更沒有防水功能，不能用于監測空間體積受限制的液體反應物溫度中[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插公式得到。在Pt100 鉑熱電阻外串聯一個分壓電阻，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，傳感器至單片機芯片間采用雙層金屬屏蔽技術，既可滿足液體監測環境使用需求，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及MCU 芯片，具有32 個數字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、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 轉換器，內置一個1.2V、15ppm/℃的電壓基準。通過軟件編程，可以設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 轉換結果與用戶編程所設置的極限值進行比較，越限則立即通知控制器。

圖2 程序設計流程圖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的電壓，高電平加熱，低電平停止加熱。當水浴鍋加熱器加熱時，三口瓶內混合液溫度緩慢升高，當溫度檢測模塊監控到的溫度高于程序設定溫度時，單片機輸出低電平，加熱器停止加熱，此時溫度會緩緩下降；當溫度檢測模塊監控到的溫度低于程序設定溫度時，單片機輸出高電平，加熱器開始加熱，此時溫度會緩緩上升；當溫度檢測模塊監控到的溫度高于程序設定溫度時，單片機再次輸出低電平，加熱器停止加熱，如此往復，實現單片機對加熱器的控制，使三口瓶內混合液溫度始終處于所需溫度范圍內[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，實現水浴鍋加熱器的控制。

2 單片機程序設計

圖2 所示單片機程序設計流程圖。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，隨后進入Pt 電阻溫度傳感器檢測循環。當被測溫度值高于設定溫度時，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，水浴鍋繼續加熱。如此往復循環，實時判定Pt 溫度傳感器溫度值，保持溫度穩定在設定溫度附近[5]。

表1 穩定性測量數據Table 1 Data of stability

表2 溫度誤差實驗測量數據Table 2 Data of temperature error

3 實驗數據

3.1 溫度均勻性實驗

將水浴鍋中沖入純凈水，將溫度設置在聚苯乙烯微球的常用溫度70℃下，恒溫保持30min。使用經過校準的數字溫度計測量水浴鍋工作區溫度關鍵點，所需測量的關鍵點分別為水浴鍋幾何中心、水浴鍋四角附近距水浴鍋內壁距離為邊長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準偏差：

3.2 溫度穩定性實驗

由于聚苯乙烯的合成反應要求溫度保持在設定值不變，因而需要測量水浴鍋溫度穩定性。將溫度設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，使用經過校準的數字溫度計測量反應混合液溫度，每隔5min 記錄一次數據，數據記錄于表1 中，經計算最大偏差為±0.2°

3.3 溫度誤差實驗

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

4 結語

聚苯乙烯微球合成過程對水浴溫度要求嚴格，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控制功能，沒有針對反應池設計的閉環檢測回路，本文設計的水浴鍋恒控系統滿足了現有產品缺陷，為聚苯乙烯微球的合成過程提供技術保障。