近红外漫反射光谱技术在预浸布质量指标在线测定中的应用
固体火箭技术 第29卷第1期 Journal of Solid Rocket Technology V01.29 No.1 2OO6 近红外漫反射光谱技术在预浸布质量指标 在线测定中的应用① 李伟 ,黄玉东 ,张翔 ,杨晓军 ,刘 丽 ,姜波 (1.哈尔滨工业大学应用化学系,哈尔滨150001;2.中国航天科技集团公司四院四十三所,西安710025) 摘要:采用近红外漫反射光谱技术对高硅蕈/酚醛预浸布的树脂含量、挥发分含量和预固化度等质量指标进行了在线 测定。利用偏最小二乘法所建立的树脂含量、挥发分含量和预固化度模型的决定系数 分别为99.20、99.14和99.11,交 叉验证均方差RMSECV分别为0.298、0.144和0.124。利用外部验证集,对模型进行t一检验,在给定显著性水平0.05的情 况下,近红外的测定结果和标准方法的测定结果对比,两者不存在显著性差异。该方法在预浸布生产线的应用,为其生产 过程中的质量控制提供了一种有效的分析手段。 关键词:近红外光谱;在线监测;预浸材料;树脂含量;挥发分含量;预固化度 中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1006-2793(2006)014)075-04 Application of near infrared difuse reflection spectrum in on・line determination of prepreg cloth quality index LI Wei ,HUANG Yu.dong ,ZHANG Xiang ,YANG Xiao ̄un ,LIU Li ,JIANG Bo (1.Department of Applied Chemistry,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China; 2.The 43rd Institute of the Fouah Academy of CASC,Xiim 710025,China) Abstract:The resin content,the volatile content and the pre-curing degree of the silica/phenolic resin prepreg cloth were on— line determined by near infrared difluse efrlection spectrum.The detemirnative coefficients(R )of calibration models of the resin content,the volatile content and the pre-curing degree derived by the partil leasta square method are 99.2O,99,14 and 99.1l re- spectively;root mean square errors of CeSSr,一veriifcation(RMSECV)are 0.298,0.144 and 0.124 respectively.Based on external veriifcaion samples。the model was analyzed by means of t-verification.Under the given signiifcance level(at 0.05)condition,de- termination results of near infrared difluse reflection spectrum method Was compared with that of stndard metahod。and there exists no signiifcance diference.The application of near difuse reflection spectrum method in production line of prepreg cloth can provide an effective method for quality control in the course of production. Key words:near infrared spectrum;on—line monitoring;prepreg materil,resin content;volaatile content;pre・curing degree 1 引言 定预浸料的质量指标,但是这些方法费时费力,分析结 预浸料是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍纤 果严重滞后,无法满足连续生产的需要。国内外对预 维或织物通过一定的处理过程所形成的一种储存备用 浸料制造过程中其质量指标的连续在线监测非常重 的半成品,是制造复合材料制品重要的中间材料。由 视,并进行了较多研究,主要包括射线透射、光学线性 于预浸料的一些性能基本上可原封不动地带到复合材 扫描、超声和重量监测¨ 等技术。这些监测技术灵敏 料及其构件中,因此复合材料的工艺性能和力学性能 度高,安装方便,有些已得到了实际应用,对预浸料的 在很大程度上取决于预浸料的质量。 生产具有重大的实际意义。然而它们均无法实现各项 预浸料的主要质量指标一般包括树脂含量、挥发 分含量和预固化度等。目前,工业上多采用问断检测 质量指标同时定量分析,从而无法全面表征预浸料的 技术(如溶剂萃取法、空气灼烧法和酸分解法等)来确 质量状况。① 收稿日期:2005-08-28;修回日期:2005-11-07。 作者简介:李伟(1970一),男,博士,从事树脂基复合材料方面的研究。 一75— 维普资讯 http://www.cqvip.com
2006年2月 固体火箭技术 第29卷 近红外光谱技术是近年来快速发展的一种新型光 谱技术,具有快速、准确、可靠、无破坏性、吖在线实时 进行检测与监控等特点 J,已广泛应用于化学 4药以 及农副产品等的质量检测与监控。本课题组曾利用近 红外光谱技术对高硅氧/酚醛树脂预浸布的质量指标 在静态条件下进行了可行性分析研究,利用主成分回 , =(y 一 )。 (1一 —_)×100 ( 一y) RMsEC= 归算法取得了满意的结果 3 J。本文首次采用近红外 光谱漫反射技术结合偏最小二乘法对高硅氧/酚醛树 脂预浸布的3项质量指标进行同步在线监洲研究。结 RMsECV= 果表明,该法分析速度快,准确度高,适用于预浸布质 量指标的在线定量监测。 2实验部分 2.1标准样品的采集 如图l所示,将近红外光谱仪置于酚醛/高硅氧预 浸布生产线上,分辨率为16 cm~,扫描次数为4次。 利用漫反射方式采集样品的近红外光谱,预浸布下方 放置镀金反射背景以增加漫反射光的强度,将扫描过 的样品准确裁剪下来作为标准样品。根据( 6056— 1985和GB 7192--1987测定预浸布样品的挥发分含 量、树脂含量和预固化度。共采集标准样品85个,其 中70个作为校正集,l5个作为外部校验集。其质量 指标的分布范围为:树脂含量31.50%~37.55%;挥发 分含量3.76%~7.26%;预固化度1.89%~4.24%。 凿 厚 景 浸胶槽 图1近红外监测预漫布质量指标示意图 Fig.1 Schematic diagram of quality index of prepreg cloth monitored by near infrared spectrum 2.2校正模型的建立和优化 对7O个校正集样本进行偏最小二乘法(PLS)回 归,选择不同的光谱预处理方法,分别建立预浸布的树 脂含量、挥发分含量和预固化度3项质量指标的数学 模型。经内部交叉留一验证,用F值检验 剔除特殊 样品,逐步建立最佳的校正模型。模型的拟合质量用 决定系数月 、校正集标准偏差RMSEC和交叉验证均 方差RMSECV进行评价,按照大的决定系数和小的 RMSEC、RMSECV来选择最佳模型。 ~76一 式中Y 为样品 的标准值;多 为样品i的模型预澍 值;n为建模样品的数量; 为建模样品标准值的平均 值; 为交叉验证时样品i的预测值。 2.3预浸布质量指标的在线监测 在连续生产的条件下,实时采集预浸布样品的近 红外光谱,利用校正模型快速预测树脂含量、挥发分含 量和预固化度等质量指标,对预浸布的3项质量指标 进行同步监测。 3结果与讨论 3.1光谱数据的预处理 近红外光谱是由分子化学键的倍频和合频吸收引 起的,主要反映了c—H、O—H、N—H和S—H等含氢 基团的特征信息。实验所用的酚醛/高硅氧预浸布样 品,主要由酚醛树脂、高硅氧布和挥发分乙醇等组成, 而树脂又包括固化和未固化部分。显然,样品的树脂 含量、挥发分含量和预固化度的信息均可反映在其近 红外光谱中,不同样品的近红外光谱间存在一定的差 异,见图2。 图2 高硅每 酚醛预浸布的近红外漫反射光谱 Fig.2 NIR difuse reflection spectra of silica/ phenolic resin prepreg cloth 由于受到拉伸张力等因素的作用,光谱的基线发 生了明显漂移。因此,为了过滤噪音、提高信噪比以及 消除基线漂移的干扰,对采集到的原始光谱选择多元 散射校正、矢量归一、最小最大归一、直线扣除、一阶导 数和二阶导数等不同的数学方法进行预处理。从建模 维普资讯 http://www.cqvip.com
2006年2月 李伟,等:近红外漫反射光谱技术在预浸布质量指标在线测定中的应用 第1期 会引起过度拟合,模型的预测能力同样下降。通 结果看,对于树脂含量模型,采用矢量归一化方法处理 型中,原始光谱效果最好;对于挥发分含量和预固化度模型, 常认为预测偏差平方和PRESS值最小时,对应的PLS 最小最大归一化和一阶导数是各自理想的光谱预处理 因子数最佳,但也有可能最小PRESS值对应的PLS因 方法。 3.2模型的优化结果 子数并不是最佳,往往造成过度拟合,用F统计法确定 最佳PLS因子数是较为理想的选择 J。 应用交叉验证方法对模型逐步优化,目的是剔除 在模型中,交叉验证时模型预测值和实际值的相 奇异点和确定最优PLS因子数,直至获得最佳的校正 关关系如图3所示。从图3可看出,树脂含量、挥发分 模型。PLS因子数对模型的质量起着决定性的作用。 含量和预固化度在各自的浓度范围内,预测值和实际 如果建模时选择的因子数太小,拟合精度不够,预测效 值均保持了很高的相关程度。最佳的校正模型结果见 果差;因子数过大,则会将一些代表噪音的因子加到模 表l。、、 \ 夥 隧 孱 《.軎姐普塞 6 4 \ 如求 砉} 6 5 4 \ 4 2 7 实际值/(%) (a)树脂含量 (b)挥发分含量 图3树脂含量、挥发分含量及预固化度的预测值和实际值的相关图 (c)预固化度 Fig.3 Correlation between predicted values and actual Values for resin conten。volatile content and pre-curing degree 表1树脂含量、挥发分含量和预固化度等校正模型的结果 Tab.1 Calibration model results of resin content, volatile content and pre-curing degree 析1次,监测结果如图4所示。 _3.3校正模型的外部校验集验证 -' 对于复杂的多组分分析体系,采用独立的外部校 验集验证模型是一种比较灵活可靠的方法。用建好的 校正模型对预测集进行测定,预测结果和标准结果通 过成对t-检验 方法进行进一步确认。统计结果显 示,对于给定显著性水平0.05,2种测定方法不存在显 著性差异,说明2种方法之间不存在系统误差。表2 为2种分析方法测定结果的比较。从表2中可以看 出,树脂含量、挥发分含量和预固化度预测结果的平均 绝对误差分别为0.30%、0.20%和0.14%,说明近红 外分析方法在测定预浸布质量指标时具有较高的准确 度,能够满足在线监测的要求。 3.4预浸布质量指标的在线监测 O 2O 4O 6O 8O lO0 120 -: n,3fwJ/min 图4预浸布质量指标的在线监测结果 Fig.4 On-line mom ̄ng results of quality index in prepreg cloth 从图4可看出,在正常情况下预浸布的各项质量 指标是比较稳定的,在较小的范围内进行波动。由于 精度高,能够及时反映各项质 在预浸布生产线上,利用建立好的校正模型对采 近红外方法分析速度快、从而为预浸料生产过程中的质量 集到的样品光谱进行定量分析,同时预测样品的树脂 量指标的变化情况, 含量、挥发分含量和预固化度3项质量指标,每分钟分 控制提供了一种有效的分析手段。一77— 维普资讯 http://www.cqvip.com
2006年2月 固体火箭技术 第29卷 1 35.7l 36.44 一O.73 6.15 6.11 0.04 2.8l 2.72 0.09 2 33.90 33.51 0.39 5.61 5.57 0.04 2.82 2.90 —0.08 3 33.19 33.15 0.04 5.59 5.48 O.11 2.95 3.08 —0.13 4 35.03 34.15 0.88 5.38 5.67 —0.29 3.o9 3.06 0.03 5 34.62 34.14 () 48 5.58 5.20 0.38 3.05 3.17 —0.12 6 36.20 36.05 0.16 5.72 5.92 —0.20 3.o0 3.17 —0.17 7 34.39 34.44 一O.05 5.33 5.66 —0.33 3.27 2.93 0.34 8 33.71 33.15 0.56 5.80 5.6l 0.19 3.01 3.21 —0.20 9 33.81 33.69 0.12 6.21 5.97 (】.24 3.11 3.21 —0.10 10 35.45 35.67 一O.22 6.58 6.18 0.40 2.66 2.73 —0.07 11 33.62 33.57 0.05 4.70 4.61 0.o9 3.52 3.48 0.04 12 34.45 34.25 0.20 5.09 5.14 —0.05 3.44 3.42 0.02 l3 36.24 35.80 0.44 5.06 5.08 —0.02 3.21 3.57 —0.36 14 33.16 33.25 O.09 4.04 3.82 0.22 2.18 2.08 0.10 l5 32.20 32.11 0.09 4.68 5.13 —0.45 2.73 2.48 0.25 平均绝对误差/% 0.30 0.20 0.14 4结论 脂含量在线监测技术现状[J].高技术通讯,1998,8(4). (1)利用偏最小二乘法,并通过模型优化分别建 [2] Mroczyk W B,Michalski K M.Quantitative and qualitative 立了树脂含量、挥发分含量和预固化度的校正模型。 analyses in neai"infrared analysis ofbasic compounds in sug- 对未知样品的预测结果表明,树脂含量,挥发分含量及 al"beet leaf[J].Computers and Chemistry,1995,19(3). 预固化度3项质量指标的平均绝对误差分别为0. [3] 孙岩峰,黄玉东,土超,刘丽.用近红外光谱技术检测酚 醛树脂高硅氧预浸料质量指标[J].复合材料学报, 30%、0.20%和0.14%。 2003,20(4). (2)在建立各项质量指标的校正模型时,应根据 [4] 孙岩峰,黄玉东,手超.主成分分析用于近红外光谱定量 模型的精度情况分别选用合适的光谱预处理方法。 测定高硅氧/酚醛预浸料树脂含量及挥发分含量研究 (3)在连续生产的条件下,通过实时采集近红外 [J].航空材料学报,2003,23(1). 光谱,并配合定量分析模型,快速测定预浸布的各项质 [5] 倪永年.化学计量学在分析化学中的应用[M].北京:科 量指标,实现了预浸布3项质量指标的同步在线监测。 学出版社,2004 该方法能够保证生产过程中预浸布的质量,是替代传 [6] David M H,Edward V T.Partial least-squares methods for 统分析方法的一种有效分析手段。可以预见,近红外 spectral analyses I——relatjon to other quantitative calibra- 技术对其它树脂体系预浸料的质量监测同样有着广泛 tion methods and the extraction of qualitative information 的应用前景。 [J].Analytical Chemistry,1988,60(1 1). (编辑:吕耀辉) 参考文献: [1]黄玉东,刘丽,冯征,张志谦,孙文训.复合材料预近带树 一78一
因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容