CC BY
17УДК 678.762
Н.П. Петрова, В.С. Абруков, Н.А. Тарасов, Н.И. Кольцов
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ РЕЗИНЫ НА ОСНОВЕ БУТАДИЕН-НИТРИЛЬНОГО КАУЧУКА С ПОМОЩЬЮ ИСКУССТВЕННЫХ
НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ
(Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова) e-mail: koltsovni@mail. ru
С помощью искусственных нейронных сетей исследовано влияние температуры и комбинаций антипиренов на процесс горения резины на основе каучука БНКС-40АМН.
Ключевые слова: резина, бутадиен-нитрильный каучук, горение, комбинации антипиренов, искусственные нейронные сети
В работе [1] изучены кинетические закономерности процесса горения резины на основе бутадиен-нитрильного каучука БНКС-40АМН в зависимости от вводимых в нее различных комбинаций антипиренов. В настоящей статье приведены результаты исследования влияния температуры и комбинаций различных антипиренов на процесс горения данной резины с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС) [2,3].
Процесс горения изучался путем измерения во времени высоты несгоревшей части стандартных образцов резины, облучаемых лучом газового молекулярного лазера ЛГ-25 при трех температурах лучеиспускания (340, 635, 785 °С) с фиксацией температуры горения [1]. Согласно [4],
как правило, в качестве антипиренов берутся вещества, которые разлагаются с высоким теплопо-глощением и температурой разложения, близкой к температуре горения соответствующего полимера. Поэтому, по справочникам [5-7] нами были определены температуры и тепловые эффекты разложения антипиренов (табл. 1), на основе которых рассчитывались суммарные теплоты разложения комбинаций антипиренов (табл. 2), которые использовались при построении ИНС-модели для аппроксимации экспериментальных данных и исследования влияния различных комбинаций анти-пиренов, а также суммарной теплоты разложения этих комбинаций на процесс горения резины.
Таблица 1
Температуры и тепловые эффекты разложения антипиренов Table 1. Temperatures and thermal effects of retardants decomposition
Антипирен Реакция термического разложения Температура начала разложения Тр, °С Тепловой эффект разложения, кДж/моль
Гидроксид алюми-ния, А1(ОН)з Al(OH)3 = Al2O3-H2O (бемит)+2Н20 230 -152,0
Al2O3-H2O (бемит)+2Н20 = =Y- AI2O3+H2O 500 -147,8
Борат бария, ВаО-3В2О3-4Н2О Ba0-3B203-4H20 ^ BaO + 3B2O3 + 4H2O 205 -2825,3
Хлорпарафин ХП-1100, СпН2п+2-хС1х CnH2n+2-xClx ^ CnH2n+2-2x + xHOf 290 -49,5
Триоксид сурьмы, 8Ъ2Оэ Sb2O3 (тв.) ^ Sb2O3 (ж.) 655 -110,0
Sb2O3 (ж.) ^ Sb2O3 (п.) 1550 -74,5
Взаимодействие триоксида сурьмы с хлористым водородом Sb2O3 + 2HCl ^ 2 SbOCl + H2O 300 +103,74 +207,5
Оксихлорид сурьмы, 8ЪОС1 3SbOCl ^ Sb2O3 + SbCl3Î 300 -115,54
Трихлорэтил-фосфат, ТХЭФ n(ClCH2CH2O)3PO ^ 3nHCl + (-Q-(O)P(OH)-O-)n + C6nH8n 320 -52,8
Таблица 2
Теплоты разложения комбинаций антипиренов Table 2. The heat of décomposition of retardants combinations_
Комбинация антипиренов Реакции разложения Содержание антипирена в резине Тепловой эффект разложения, кДж/моль Теплота разложения, кДж Суммарная теплота разложения Q, кДж
мас.ч. моль
ХП-1100 + Sb2Û3 ХП-1100: CnH2n+2-xClx ^ CnH2n+2-2x + +xHClî 20 0,018 -49,5 -0,891 -7,465
Sb2O3: Sb2Û3 + 2HCl ^ 2 SbOCl + +H2O 10 0,034 +103,74 +3,527
Sb2O3: 3SbOCl ^ Sb2O3 + SbCl3Î 10 0,034 -115,54 -3,928
Sb2O3: Sb2O3 (тв.) ^ Sb2O3 (ж.) 10 0,034 -110,0 -3,740
Sb2O3: Sb2O3 (ж.) ^ Sb2O3 (п.) 10 0,034 -74,5 -2,533
ХП-1100 + Al(OH)3 ХП-1100: CnH2n+2-xClx ^ CnH2n+2-2x + +xHClÎ 20 0,018 -49,5 -0,891 -77,64
A1(OH)3: Al(OH)3 = AbO3-H2O (бе-мит)+2H2O 20 20/78=0 ,256 -152,0 -38,912
A1(OH)3: Al2O3-H2O ^mot^^O = Y- Al2O3+H2O 20 0,256 -147,8 -37,837
А1(ОН)з + борат бария + ТХЭФ A1(OH)3: Al(OH)3 = A^-^O (бе-мит)+2H2O 30 0,385 -152,0 -58,520 -182,321
A1(OH)3: Al2O3-H2O (бемит)+2H2O = =Y- Al2O3+H2O 30 0,385 -147,8 -56,903
BaO3B2O34H2O: BaO-3B2O34H2O ^ BaO + +3B2O3 + 4H2O 10 10/434= 0,023 -2825,3 -65,0
ТХЭФ: n(ClCH2CH2O)3PO ^ ^3nHCl + +(-Û-(O)P(OH)-O-)n + +C6nH8n 15 15/285, 5 = 0,042 -52,8 -2,218
ХП-1100 + борат бария + А1(ОН)з ХП-1100: CnH2n+2-xClx ^ CnH2n+2-2x + +xHClÎ 20 0,018 -49,5 -0,891 -44,265
BaO3B2O34H2O: BaO-3B2O34H2O ^ BaO + +3B2O3 + 4H2O 10 0,023 -2825,3 -65,0
A1(OH)3: Al(OH)3 = A^-^O^-мит)+2H2O 10 0,128 -152,0 -19,456
A1(OH)3: Al2O3-H2O (бемит)+2H2O = =Y- Al2O3+H2O 10 0,128 -147,8 -18,918
Основными факторами, влияющими на процесс горения резины, были выбраны: температуры лучеиспускания (Тл) лазера и горения (Тг) резины, общее содержание антипиренов (т) в об-
разце и суммарная теплота разложения комбинаций антипиренов. Целевой функцией являлась относительная высота несгоревшей части образцов резины (Ь/Ь0). Причем, чем меньше значе-
ние h./ho, тем меньше эффективность действия антипиренов На основе экспериментальных данных [1] с использованием эмулятора ИНС, встроенного в аналитическую платформу Deductor (разработчик - QQQ «Аналитические технологии» - Base Group Lab, г. Рязань), была создана многофакторная ИНС-модель (методика создания ИНС-моделей описана в руководстве к аналитической платформе, размещенном на сайте www.basegroup.ru). Полученная ИНС-модель описывает исходные экспериментальные данные со средне-квадратичной ошибкой 0,04%, не превышающей ошибки эксперимента [1], что свидетельствует об адекватности и возможности ее использования для исследования влияния различных факторов на закономерности процесса горения резины.
На рис. 1,2 приведены полученные на основе ИНС-модели зависимости относительной высоты несгоревшей части образца резины фрасч./^) от различных факторов.
0,95'
-100
а
-20 Q, кДж
ЬраечЛЦ)'1
0,57 0,56 0,55 0,54 0,53 0,52
0,51
•180
•140
•100
б
•60
•20 Q, кДж
Рис. 1. Зависимости hpac4/h0(Q) на второй (а) и пятнадцатой (б) секундах процесса горения образцов резины при m=30 мас.ч., Тл =785 °С, Тг =1098 °С Fig. 1. Dependences hcalc./ho(Q) at the second (a) and fifteenth (б) seconds process of burning rubber samples at m = 30 wt. part., Tr = 785 °С, Tb = 1098 °С
860
а
1080 Tr."С
hp.c-ч Л)0
0,7 0.6
0.5
640
750
S60
б
970
1080 T,.°C
Рис. 2. Зависимости hpac4/ho(Tr) на второй (а) и пятнадцатой (б) секундах процесса горения образцов резины при m=30 мас.ч., Q = -7,5 кДж, Тл =785 °С Fig. 2. Dependences hcalc./ho(Tb) at the second (a) and fifteenth (b) seconds process of burning rubber samples at m = 30 wt. part., Q = -7,5 kJ, Tr = 785 °С
Из рис. 1 видно, что зависимости h^./h.XQ) существенно нелинейны и проходят через минимум, который смещается в сторону уменьшения (по абсолютной величине) эндотермической теплоты разложения Q комбинаций антипиренов при увеличении времени с начала горения образца. Анализ этих зависимостей показывает, что на начальном этапе горения (рис. 1а) менее эффективны комбинации антипиренов с Q<-100 кДж, т.е. те комбинации, разложение которых сопровождается наибольшим поглощением тепла. На конечном этапе процесса горения (рис. 1б) менее эффективны комбинации антипиренов с Q>-100 кДж. На промежуточном же этапе (t=8 с) наименее эффективны комбинации антипиренов с -120 кдж^<-70 кДж. Такой же различный характер в разные моменты времени наблюдается при горении образцов резины для зависимостей Ц^Д^Т) (рис. 2). На начальном этапе горения увеличение Тг не приводит к возрастанию скорости процесса горения (рис. 2а). На конечном этапе горения наблюдается увеличение скорости процесса горения с ростом Тг (рис. 2б). Следовательно, эффективность действия комбинаций антипиренов различна на разных этапах процесса горения. Что касается зависимостей
hpac4./ho(t) и ЬрасчД0(Тл), то они имеют убывающую форму, а зависимости hpac4./h0(m) - возрастающую форму, что согласуется с общепринятыми представлениями о процессах горения [4] и влиянием на них содержания антипиренов в резине.
ВЫВОДЫ
Путем исследования процесса горения резины на основе каучука БНКС-40АМН с помощью искусственных нейронных сетей установлены: экстремальная, проходящая через минимум, зависимость относительной высоты несгоревшей части образцов резины от суммарной теплоты разложения комбинаций антипиренов; возрастающий характер зависимости высоты несгоревшей части образцов резины от температуры горения на начальном этапе и убывающий на конечном этапе процесса горения, что объясняется интенсивным разложением антипиренов в начале и прекращением антигасящего их действия к концу процесса горения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петрова Н.П., Тарасов Н.А., Ушмарин Н.Ф., Резников М.С., Кольцов Н.И. // Изв. вузов. Химия и хим. технол. 2014. Т. 57. Вып. 4. С. 52-55;
Petrova N.P., Tarasov N.A., Ushmarin N.F., Reznikov M.S., Koltsov N.I // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2014. V. 57. N 4. P. 52-55 (in Russian).
2. Горбань А.Н., Россиев Д.А. Нейронные сети на персональном компьютере. Новосибирск: Наука. 1996. 276 с.; Gorban A.N., Rossiev D.A. Neuronal networks on personal computer. Novosibirsk: Nauka.1996. 276 p. (in Russian).
3. Абруков В.С., Абруков С.В., Карлович Е.В., Семенов Ю.В. // Вестн. Чувашск. ун-та. 2013. № 3. С. 46-52; Abrukov V.S., Abrukov S.V., Karlovich E.V., Semenov Yu.V. // Vest. Chuvash.Un-ta. 2013. N 3. P. 46-52 (in Russian).
4. Асеева Р.М., Заиков Г.Е. Горение полимерных материалов. М.: Наука. 1981. 280 с.;
Aseeva R.M., Zaikov G.E. Combustion of polymeric materials. M.: Nauka. 1981. 280 p. (in Russian).
5. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л.: Химия. 1991. 432 с.;
Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. Brief chemical handbook. L.: Khimiya. 1991. 432 p. (in Russian).
6. Ефимов А.И. Свойства неорганических соединений. Справочник. Л.: Химия. 1983. 392 с.;
Efimov A.I Properties of inorganic compounds. Handbook. L.: Khimiya. 1983. 392 p. (in Russian).
7. Гурвич Л.В. Энергия разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. М.: Наука. 1974. 351 с.;
Gurvich L.V. Energy of break of chemical bonds. Ionization potentials and electron affinities. M.: Nauka. 1974. 351 p. (in Russian).
Кафедра физической химии и высокомолекулярных соединений
УДК 66.047.7
О.С. Натареев, Н.Р. Кокина, С.В. Натареев
ТЕПЛОПЕРЕНОС В ПРОЦЕССЕ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ВЛАЖНОГО МАТЕРИАЛА
(Ивановский государственный химико-технологический университет)
e-mail: natoret@mail. ru
Приводится математическая модель теплопереноса в процессе сушки влажного материала. Адекватность модели проверена на примере сушки глины.
Ключевые слова: сушка, камерная сушилка, математическая модель
Для анализа сушки важно знать закономерности изменения влажности и температуры материала от времени процесса. Вид уравнений переноса влаги и теплоты определяется характером допущений, сделанных при постановке задачи. Например, для термолабильных материалов необходимое время сушки может определяться кинетикой прогрева материала. В этом случае для
описания распространения теплоты во влажном теле можно воспользоваться уравнением теплопроводности [1]. Математическое описание взаимосвязанного тепломассопереноса в капиллярно-пористых материалах включает обычно два дифференциальных уравнения: уравнение влагопро-водности с источником, учитывающим дополнительный поток влаги за счет термодиффузии, и
