氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法及检测凝胶制备方法与流程

本发明属于高分子，具体涉及了一种氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法、系统及设备。

背景技术：

1、随着国家远景战略规划及碳中和、碳达峰目标的提出，开发和利用新能源已经成为今后发展的重要方向，氢能作为可再生能源，其相关研究越来越多。在大量的科学研究和实践过程中，氢能的制备、储存和运输均收到广泛的关注，但是由于氢的高能流密度、高爆炸极限(4％-75％)导致的高危特性，氢能源在很长一段时间内都没有得到大规模的推广和应用。

2、为了高效推进氢能源的大规模应用，需要着重解决其带来的安全隐患问题。尤其在氢气的储存和运输过程，因为氢原子非常小，在钢制容器中极易透过铁原子，并进入材质内部与碳元素发生反应，从而导致容器失效。同样地，在站场以及管段间存在的法兰和管道焊缝等，也是易出现微渗漏、泄露，甚至管段破裂的风险。因此，尽早预知及检测到微渗漏/泄露源是提升氢能源利用安全性的关键。

3、现有的研究主要集中于使用氢敏变色活性材料，包含以稀有金属(pt铂、pd钯、rh铑、la镧)为活性物质、显色氧化剂(wo3、sio2、tio2、sno2等等)为组合物的接触氢气或液氢实现变色的胶带检测装置。

4、但是，胶带检测还存在两个重要的问题：第一，检测的范围受限于胶带的带宽。如果罐体较大，采用胶带检测会严重影响其操作，而胶带的粘结层与罐壁表面的接触特性也会影响检测的有效性。此外，对于液氢低温罐体表层，即便有保冷措施，但是管外壁结露仍旧是普遍现象，为此，水对胶带检测胶粘层、氢敏材料是否存在影响仍是一大问题。第二，胶带检测的可靠性取决于胶带的厚度。泄露孔径决定氢气穿透深度，而氢敏胶带中所包含的有效检测成分体现在胶带厚度，同样取决于胶层的粘连特性。如果微泄漏发生，氢气很有可能从粘连缝隙窜出，导致漏检。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，即现有的胶带检测的检测范围小、可靠性受限于胶带厚度和粘连性，易出现漏检，而现有技术中缺乏指导特异功能水凝胶材料合成孔隙率控制和计算方法，继而造成在没有制备特定孔隙率区间的水凝胶技术描述下，凝胶合成不受控、合成效果不佳的问题，本发明提供了一种氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，该检测凝胶孔隙率计算方法包括：

2、步骤s10，基于气体在多孔介质中的传递规律，通过darcy-brinkman模型表征氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组；

3、步骤s20，基于水凝胶中对流和扩散项的平衡性，将所述热质传递方程组表示为无纲量形式；

4、步骤s30，结合水凝胶固体材料在边界的运动约束条件，获得水凝胶中氢气流动和扩散迁移方程；

5、步骤s40，基于所述氢气流动和扩散迁移方程，获取表征孔隙尺度与氢气自由程关系的克努森数，并获取水凝胶制备材料满足的物理特性；

6、步骤s50，获取氢气在水凝胶交联体中扩散的渗透率方程，结合所述渗透率方程、所述克努森数和所述水凝胶制备材料满足的物理特性，获得水凝胶孔隙率。

7、进一步地，所述氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组，其表示为：

8、

9、

10、

11、

12、

13、其中，u代表无量纲的x方向速度，v代表无量纲的y方向速度，x代表x坐标，y代表y坐标，p代表无量纲压力，t代表气体无量纲温度，s代表扩散流体的质量浓度，τ代表无量纲时间，re＝urefhφ-1代表无量纲控制参数雷诺数，da＝k/h2代表达西数，代表格拉晓夫数，pr＝vφ/α代表普朗特数，sc＝vφ/d代表施密特数，h、uref、δt、δs分别代表长度尺度、作为速度尺度的顶部实际流动速度、温度尺度和浓度尺度，v＝μ/ρ代表流体运动粘度，α代表热扩散系数，d代表质扩散系数，g代表重力加速度，k代表多孔介质渗透率，φ代表水凝胶孔隙率，βt代表体积膨胀系数，μ代表运动粘度，ρ代表流体温度为t0时的流体密度。

14、进一步地，步骤s20中将所述热质传递方程组表示为无纲量形式，其方法为：

15、(x，y)＝(x，y)/h

16、(u，v)＝(u，v)/uref

17、τ＝τ*/(h/uref)

18、

19、t＝(t-t0)/δt

20、s＝(s-s0)/δs

21、δt＝(t1-t0)

22、δs＝(s1-s0)

23、其中，(x，y)代表流体运动的真实坐标，(u，v)代表流体流动速度，τ*代表流动时间，ρ和ρ0分别代表流体温度为t0时的流体密度和热源温度为t0时的流体密度，g代表公里加速度，t、t0、t1代表流体温度参数、初始温度、终态温度，s、s0、s1代表浓度参数、初始浓度、终态浓度，h/uref代表时间尺度。

24、进一步地，所述水凝胶固体材料在边界的运动约束条件为：

25、开口边界处：u0＝1，v＝0，t＝0，

26、底部壁面：u＝0，v＝0，

27、侧壁面：u＝0，v＝0，

28、中间固块：λsolid＝λfluid，ρdsolid＝0；

29、其中，u0代表无量纲初始速度，λsolid和λfluid代表固体导热率、流体导热率，dsolid代表固体质扩散系数。

30、进一步地，所述水凝胶中氢气流动和扩散迁移方程，其表示为：

31、f＝re·da

32、其中，re＝urefhφ-1代表无量纲控制参数雷诺数，da＝k/h2代表达西数，uref代表作为速度尺度的顶部实际流动速度，h代表长度尺度，k代表多孔介质渗透率，φ代表多孔介质孔隙率。

33、进一步地，所述表征孔隙尺度与氢气自由程关系的克努森数，其表示为：

34、

35、其中，kn为克努森数，kb为波尔兹曼常数，t代表气体无量纲温度，p为压强，σ为氢气分子直径，为水凝胶空隙特征尺寸。

36、进一步地，所述氢气在水凝胶交联体中扩散的渗透率方程为：

37、

38、其中，κ代表氢气在水凝胶交联体中扩散的渗透率，α代表热扩散系数，a代表水凝胶交联体平均直径，λmax代表最大孔径的直径，df为表征分形系数和维数的参数。

39、进一步地，所述水凝胶孔隙率为：

40、

41、其中，φ代表水凝胶孔隙率，da＝k/h2代表达西数，k代表多孔介质渗透率，h代表长度尺度，β＝r/l代表链长与空隙直径的比值，r代表链长，l代表空隙直径。

42、本发明的另一方面，提出了一种检测凝胶制备方法，基于上述的氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，该制备方法包括：

43、步骤a10，以2m丙烯酰胺为单体，0.001mn，n’-二甲基双丙烯酰胺为交联剂，0.002m2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮为紫外引发剂，以含量为0.05g/cm3的tween20为表面活性剂，将油醇分散在水相中成小液滴状；

44、步骤a20，将溶液搅拌均匀后倒入模具中，在纯度99.99％的氮气的保护下，以功率密度为4mw/cm2、波长为365nm的紫外光照射8小时，得到paam水凝胶；

45、步骤a30，将所述paam水凝胶在去离子水中反复溶胀3次，并再70℃的烘箱中干燥不同时间，获得不同含水率的设定孔隙率的水凝胶材料；所述水凝胶材料的孔隙率通过调整所述表面活性剂的含量来调整；

46、步骤a40，将三氧化钨微粉和可溶性镧按照设定比例混合，并通过高能球磨细化活化，获得氢敏变色材料悬浮液；

47、步骤a50，将不同含水率的设定孔隙率的水凝胶材料浸泡于所述氢敏变色材料悬浮液中，通过机械震荡使水凝胶材料完全溶胀；

48、步骤a60，对完全溶胀的水凝胶材料进行真空干燥，获得氢敏显色检测水凝胶。

49、在一些优选的实施例中，步骤a40包括：

50、步骤a41，按照设定比例获取三氧化钨微粉和可溶性镧，将三氧化钨微粉溶解于设定温度和浓度的氢氧化钠中；

51、步骤a42，将设定重量的无水乙醇加入溶解了三氧化钨微粉的溶液中，并搅拌均匀；

52、步骤a43，在搅拌均匀的溶液中加入浓盐酸直至有黄色钨酸生成，再次进行搅拌并对溶液加热，获得凝集的钨酸；

53、步骤a44，在凝集的钨酸中加入可溶性镧，获得镧掺杂三氧化钨悬浮液作为氢敏变色材料悬浮液。

54、本发明的有益效果：

55、(1)本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，在分析氢气在水凝胶中的渗透扩散规律和交联体网格、氢敏材料分散相的分散特性的基础上，确定水凝胶中pt(铂)粉末、wo3(三氧化钨)的分散粒径以及交联材料种类和成分配比，最终检测水凝胶对氢气的敏感度高，检测结果的准确性和精度高，不易出现漏检。

56、(2)本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，当受检面附近空气湿度较大或壁面结露时，本发明检测水凝胶吸水并快速吸附至待检测表面，当受检面附近空气湿度较小时，水凝胶所含水分可以润湿壁面，有效提升了水凝胶与受检面的贴合牢固度，并实现精准定位检测。

57、(3)本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，在凝胶的水分蒸干后，凝胶可自行脱落，并可回收再利用，有效降低成本，减少资源消耗。

58、(4)本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，在维修检测过程中，可以直接刮除凝胶而不会造成壁面粘连损伤或掉漆，进一步提升了氢气的储存和运输过程的安全性。