PMMA、MMA热解反应动力学实验与模型研究

作     者：马明城 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡江淮

授予年度：2020年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：甲基丙烯酸甲酯 聚甲基丙烯酸甲酯 质谱仪 燃烧反应动力学模型 流动管热解 

摘      要：PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯,poly(methylmethacrylate))俗称有机玻璃,是质地优异的合成透明材料,已经被广泛的应用于日常生活和工业生产中。由于其价格低、透明等优点,近年来被作为固体推进剂应用于各种新型发动机实验中。对固体燃料的热解反应机理以及热解气的燃烧机理的准确描述是燃烧数值计算中准确预估固体燃料退移速率、发动机点火性能和维持火焰稳定的关键因素。本文采用热重/光电离质谱实验平台对PMMA热解重要中间产物与最终产物进行实时探测,实现了主要产物的定量测量。在测定热失重曲线的同时,利用光电离飞行时间质谱实时在线地检测逸出产物的组分,同步地获得与时间、温度对应的质谱图,实现对PMMA热解过程的定量动态检测。实验结果表明其热解产物的90%以上都是单体MMA。在PMMA固体热解模拟方面,本文基于蒙特卡洛方法,开发了一套适用于固体聚合物详细化学反应计算的软件。同时发展了 PMMA的热解反应机理,并利用PMMA的热重/光电离质谱实验数据对反应模型进行了验证。结果表明本项目建立的PMMA热解模型可以正确地预测PMMA热重曲线,并能定量地预测其热解产物的生成。PMMA的主要热解产物为MMA,本文利用同步辐射真空紫外光电离质谱(SVUV-PIMS)技术,研究了 MMA 在 600-1300K 温度下 30Torr 和 760Torr 压力环境中的流动管热解。通过光电离质谱分析,鉴别出了 MMA热解的十多种产物,其中包括了甲醛、CO、CO2等稳定氧化产物、以及乙烯、丙烯、异丁烯等碳氢化合物,经过后处理,得到不同热解产物摩尔分数随温度变化曲线。模型方面,本文建立了包含200个物种、776个反应的MMA燃烧反应动力学模型,并利用实验结果对模型进行了系统性的验证和优化。结果表明本文发展的燃烧模型可以很好的预测MMA热解和氧化过程中各种反应物的生成与消耗。通过生成速率分析发现MMA在各个压力条件下的热解主要通过单分子解离反应进行。30Torr条件下MMA的单分子解离反应发挥着非常重要的作用,占到了MMA消耗量的50%以上,而随着压力的提高MMA也会更趋向于通过H提取反应和由H、CH3等小分子自由基引发的C-C断键反应进行分解。综上所述,本文所发展的固体热解程序,能对PMMA的热解行为进行有效的模拟,模拟结果与实验吻合的很好,其主要产物为MMA单体。MMA热解模型可以在600-1300K、30Torr和760Torr及60Torr有氧气的热解环境中,很好地对MMA的热解进行了全面的模拟。结果表明,该模型能很好的对MMA热解及氧化行为进行预测。这表明本文初步模型的准确性和适用性将为下一步MMA热解及其工程燃烧研究和应用提供理论指导。