徐靜安 楊 晴 韋洪寶

《新型苯乙烯-馬來酸酐分子量調(diào)節(jié)劑的設(shè)計(jì)、合成與應(yīng)用》是上?；ぱ芯吭呵嗄瓿刹彭?xiàng)目扶持計(jì)劃2015年第一批支持的項(xiàng)目之一，2017年1月進(jìn)行了驗(yàn)收。我先后參與了項(xiàng)目的立項(xiàng)篩選評審、實(shí)驗(yàn)方案討論、技術(shù)總結(jié)修改驗(yàn)收等。楊晴負(fù)責(zé)的該項(xiàng)目取得了很好的成效，該項(xiàng)目執(zhí)行過程符合我對青年成才項(xiàng)目扶持計(jì)劃的理解：除了開辟專門渠道由青年科技人員主持項(xiàng)目研究外，項(xiàng)目要有探索創(chuàng)新點(diǎn)；項(xiàng)目應(yīng)有新的學(xué)習(xí)、應(yīng)用知識點(diǎn)。為此和楊晴、韋洪寶碩士合作，對調(diào)節(jié)劑中間體1,4-丁二醇（BDO）二縮水甘油醚的合成部分，在實(shí)驗(yàn)方法上作進(jìn)一步的討論。

一 實(shí)驗(yàn)研究的一般概念

實(shí)驗(yàn)研究是科學(xué)研究四大范式中最基本的范式。通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)對輸入變量x、輸出變量y建立相互依賴的定量關(guān)系，對研究對象的過程進(jìn)行描述及優(yōu)化。見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)研究概念示意圖

圖1 中U是實(shí)驗(yàn)時(shí)可以記錄但難以控制的“非可控因子”，如環(huán)境溫度、濕度、電壓波動、原材料的均勻性……，這些“噪聲”歸入誤差處理。如果專業(yè)知識分析表明，U中某個(gè)因子對y的影響較大，就應(yīng)采取技術(shù)措施加以控制和檢測，如鋼瓶氨氣中含水率對反應(yīng)的影響等。

實(shí)驗(yàn)研究不直接對過程本身進(jìn)行層層剖析及輸入x對輸出y的因果機(jī)理進(jìn)行研究。一般來說，對過程“一無所知”——黑體，清晰透徹——白體，而大多數(shù)的研究對象是模糊——灰體。實(shí)驗(yàn)研究對淺灰到深灰的研究對象，特別是工程技術(shù)開發(fā)是個(gè)有效的方法。

結(jié)合本案例，通過專業(yè)知識及文獻(xiàn)的查閱可知，關(guān)于調(diào)節(jié)劑的中間體1,4-丁二醇二縮水甘油醚的合成，可供選擇的技術(shù)路線有兩步法和相轉(zhuǎn)移法。

（1）兩步合成法

（2）相轉(zhuǎn)移催化法

文獻(xiàn)兩步法分離前的綜合收率為85%，相轉(zhuǎn)移催化劑有四丁基硫酸銨（TBSB）、四丁基氯化銨（TBAC）、四丁基溴化銨（TBAB）、四乙基溴化銨（TEAB）、十二烷基三甲基氯化銨（DTAC）、十六烷基三甲基溴化銨（HTAB）等。隨著相關(guān)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)、積累，灰體的灰度將降低，研發(fā)將更有針對性，提高效率。

研究對象為灰體，要在有限目標(biāo)、有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)行工程性技術(shù)開發(fā)，可采用的小試研發(fā)流程為：探索性實(shí)驗(yàn)-單因素考察-綜合優(yōu)化-驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。由于楊晴碩士在綜合優(yōu)化環(huán)節(jié)中初次學(xué)習(xí)、應(yīng)用均勻設(shè)計(jì)，為降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)加強(qiáng)了單因素考察尋優(yōu)工作。根據(jù)技術(shù)了解的深淺，本案例中安排探索實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)，對于技術(shù)路線的探索是十分必要的。

二 1,4-丁二醇二縮水甘油醚的合成案例

1 單因素探索實(shí)驗(yàn)

技術(shù)路線探索：

（1）兩步法

a.原料配比對反應(yīng)收率的影響（見表1）

表1 原料配比對兩步法反應(yīng)收率的影響

結(jié)果分析：

本次反應(yīng)的理論投料比為 n(ECH)∶n(BDO)=2∶1，隨著環(huán)氧氯丙烷用量的增大，收率也呈增大趨勢；當(dāng)n(ECH)∶n(BDO)=2.50∶1 時(shí)，收率最大為 54.0%；繼續(xù)增大其用量，收率反而開始降低，這是由于過量的環(huán)氧氯丙烷發(fā)生自聚合，產(chǎn)生了大量的低聚物，從而降低了收率。

b.催化劑用量對反應(yīng)收率的影響（見表2）

表2 催化劑用量對兩步法反應(yīng)收率的影響

結(jié)果分析：

兩步法合成1,4-丁二醇二縮水甘油醚中由于催化劑使環(huán)氧基團(tuán)開環(huán)，導(dǎo)致反應(yīng)中產(chǎn)生大量的多聚體，造成收率下降。對原料配比和催化劑用量進(jìn)行優(yōu)化后，最高產(chǎn)率只有54.18%（文獻(xiàn)中85%為粗產(chǎn)物，未經(jīng)提純），不能滿足該項(xiàng)目指標(biāo)要求，需要重新探索新的合成路線。

（2）相轉(zhuǎn)移催化合成法

初步判斷兩步法難以達(dá)到項(xiàng)目開發(fā)要求，改為探索相轉(zhuǎn)移法，為提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，采用平行重復(fù)樣本n=3。相轉(zhuǎn)移催化劑種類對反應(yīng)收率的影響如表3所示。

表3 相轉(zhuǎn)移催化劑種類對一步法反應(yīng)收率的影響

結(jié)果分析：

相轉(zhuǎn)移催化劑種類對1,4-丁二醇二縮水甘油醚收率的影響較大，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比，選出較高收率的相轉(zhuǎn)移催化劑為四丁基溴化銨（TBAB），進(jìn)行單因素考察尋優(yōu)。

2 單因素考察尋優(yōu)-輪換因子法

考察變量因子及其范圍：

單因素考察:x1原料配比［n（ECH）/n（BDO）］，x2反應(yīng)溫度 （℃），x3氫氧化鈉用量 ［n（NaOH）/n（BDO）］，x4催化劑用量［n（TBAB）/n（BDO）］，x5反應(yīng)時(shí)間（h），單因素考察的樣本水平數(shù)N=6，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)平行樣本n=3，提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

（1）原料配比對反應(yīng)收率的影響（見表4）

表4 原料配比對反應(yīng)收率的影響

結(jié)果分析：

原料配比對1,4-丁二醇二縮水甘油醚收率的影響較大。由表4數(shù)據(jù)可看出，環(huán)氧氯丙烷用量的增加有利于反應(yīng)收率的提高，n(ECH)∶n(BDO)=5∶1 時(shí)，收率最大為87.0%，環(huán)氧氯丙烷用量繼續(xù)增加收率反而呈現(xiàn)下降趨勢。選出的較高收率的原料配比為n(ECH)∶n(BDO)=5∶1。

（2）反應(yīng)溫度對反應(yīng)收率的影響（見表5）

表5 反應(yīng)溫度對一步法反應(yīng)收率的影響

結(jié)果分析：

反應(yīng)溫度對1,4-丁二醇二縮水甘油醚收率的影響較大，由表5數(shù)據(jù)可看出，反應(yīng)溫度的升高有利于反應(yīng)收率的提高，反應(yīng)溫度為40℃時(shí)，收率最大為87.5%，溫度繼續(xù)升高收率呈下降趨勢。選出較高收率的反應(yīng)溫度為40℃。

（3）NaOH用量對反應(yīng)收率的影響（見表6）

表6 NaOH用量對反應(yīng)收率的影響

（4）相轉(zhuǎn)移催化劑用量對反應(yīng)收率的影響（由表7所示）

表7 相轉(zhuǎn)移催化劑用量對反應(yīng)收率的影響

結(jié)果分析：

相轉(zhuǎn)移催化用量對1,4-丁二醇二縮水甘油醚收率的影響較大，由表7數(shù)據(jù)可看出，相轉(zhuǎn)移催化用量的增大有利于反應(yīng)收率的提高，相轉(zhuǎn)移催化用量1,4-丁二醇質(zhì)量的3%時(shí)，收率為89.0%，相轉(zhuǎn)移催化劑用量量繼續(xù)增加反應(yīng)收率沒有明顯變化。選出較高收率的相轉(zhuǎn)移催化用量為3%。

（5）反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)收率的影響（見表8）

表8 反應(yīng)溫度對一步法反應(yīng)收率的影響

結(jié)果分析：

隨著時(shí)間的延長,1,4-丁二醇二縮水甘油醚收率明顯增大，但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)3 h或者更長時(shí)，收率出現(xiàn)下降趨勢。這是由于反應(yīng)時(shí)間太長，生成的產(chǎn)物發(fā)生自聚形成低相對分子質(zhì)量的環(huán)氧樹脂，造成產(chǎn)率降低。選取最佳反應(yīng)時(shí)間為2 h，收率達(dá)88.8%。

本案例采用輪換因子法，固定單因素考察的“好點(diǎn)”工藝條件，從“好點(diǎn)”出發(fā)，輪換因子考察尋優(yōu)，沒有產(chǎn)生混雜，比較規(guī)范。單因素考察，輪換因子匯總見表9。

表9 輪換因子匯總

本案例單因素優(yōu)化收率y=88.8%已達(dá)到和超過文獻(xiàn)值。由于單因素考察沒有考察因子之間交互作用對收率y的影響，以及落入局部優(yōu)化的陷阱，為確在考察范圍內(nèi)是否存在更好的優(yōu)化空間，所以進(jìn)行綜合優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

3 綜合優(yōu)化

多因子優(yōu)化：

有單因素考察“好點(diǎn)”的工藝條件作為綜合優(yōu)化考察范圍的基礎(chǔ)，又因?yàn)閱我蛩乜疾鞂?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性控制較好（n=3，CV=S/y＜1%），所以在綜合優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)選用樣本較小的N=8的U8*（85）均勻設(shè)計(jì)表。均勻設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表10，采用DPS軟件中二次多項(xiàng)式逐步回歸進(jìn)行數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)建模。

表10 均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

回歸方程：

相關(guān)系數(shù) R=1．0000

F=41771．2210

Df=(6,1)

p－=0．0037

剩余標(biāo)準(zhǔn)差 S=0．1061

調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)Ra=0．9999

Durbin－Watson 統(tǒng)計(jì)量 d=2．50000000

從統(tǒng)計(jì)模型回歸分析、方差分析、及殘差分析的統(tǒng)計(jì)量：模型各項(xiàng)偏相關(guān)系數(shù)的顯著性P－值、模型相關(guān)系數(shù)R和調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)Ra，方差檢驗(yàn)F值、模型整體P－值和擬合標(biāo)準(zhǔn)偏差S，殘差分析統(tǒng)計(jì)量d值均表明模型有統(tǒng)計(jì)的顯著性，具有統(tǒng)計(jì)意義。

進(jìn)一步檢查分析發(fā)現(xiàn)表10中第5個(gè)樣本y觀察值為“0．0”，模型擬合為－0．0375 。出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)研究中y為“0”值，一般應(yīng)做重復(fù)實(shí)驗(yàn)，或使實(shí)驗(yàn)工藝條件更為緩和，盡量使y＞0。而擬合收率為負(fù)值違背常識，僅是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中的一個(gè)擬合值。好在第5個(gè)樣本的實(shí)驗(yàn)值和擬合值相差不大，對統(tǒng)計(jì)模型雖有影響，但可能不大。影響大的話，模型要學(xué)習(xí)修整。此外，本項(xiàng)目綜合優(yōu)化的目的是尋求最優(yōu)工藝條件，更關(guān)注模型預(yù)報(bào)最優(yōu)工藝：

4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

最優(yōu)工藝驗(yàn)證結(jié)果見表11。

表11 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最優(yōu)工藝驗(yàn)證相對偏差小于1%，表明模型預(yù)報(bào)功能是好的。

三 實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總

本案例實(shí)驗(yàn)研究的小試流程相對灰體的研究對象是完整的，在探索實(shí)驗(yàn)－單因素考察－綜合優(yōu)化－驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)采用的方法也是合理的，所以項(xiàng)目取得相應(yīng)的成效。研究結(jié)果匯總見表12。

從表12研究結(jié)果匯總可以看出，小試流程的環(huán)節(jié)是逐步提升優(yōu)化目標(biāo)y值，方法是為目標(biāo)服務(wù)的。

表12 研究結(jié)果匯總

進(jìn)一步分析后，得到以下結(jié)論：

（1）如果探索性實(shí)驗(yàn)沒有備選的相轉(zhuǎn)移法技術(shù)路線，僅采用兩步法進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究，可能最多達(dá)到文獻(xiàn)值y=85%，即僅重復(fù)現(xiàn)有的技術(shù)路線。本案例開發(fā)了相轉(zhuǎn)移法的應(yīng)用優(yōu)化驗(yàn)證，y=95.65%，比文獻(xiàn)值增加了12.5%。

（2）相轉(zhuǎn)移法探索y=74.5%，比單因素優(yōu)化的y=88.8%增加了19.2%，可見單因素考察優(yōu)化有效果，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究流程重現(xiàn)的就是本環(huán)節(jié)，小試流程也僅到此環(huán)節(jié)。

（3）綜合優(yōu)化采用當(dāng)前比較認(rèn)可的均勻設(shè)計(jì)及二次多項(xiàng)式逐步回歸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模，優(yōu)化驗(yàn)證y=95.65%，相比單因素考察尋優(yōu)y=88.8%，增加率達(dá)到8.8%。盡管本案例綜合優(yōu)化增加率不是很高，但是實(shí)驗(yàn)研究過程的完整性是必要的，由此形成技術(shù)產(chǎn)品指標(biāo)新的競爭力。

珊瑚蟲很小很小，群居共用一條腸腔，共享食物，依附在礁石上可以長成巨大的珊瑚礁、島，如我國的南沙、西沙群島，馬爾代夫群島、斐濟(jì)諸島嶼及大堡礁等。上?；ぱ芯吭壕钟蚓W(wǎng)也是知識共享的聯(lián)系平臺，信息共享的交流網(wǎng)絡(luò)，本講義已上傳至局域網(wǎng)，與青年同仁共享。