CC BY
6
»ДК еи.7+в 14.3):8781-074:519.24
А. М. Большаков, В. В. Тарарин, В. Б. Эсгпров
МЕТОД ГЛАВНЫХ КОМПОНЕНТ В ГИГИЕНИЧЕСКИ ИССЛЕДОВАНИЯХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
I МММ им. И. М. Сеченова
В условиях постоянно обновляющегося и расширяющегося ассортимента искусственных материалов, разнообразия объектов, где они используются, многообразия сочетаний воздействующих на изделие химических и физических факторов разработка эффективных оздоровительных мероприятий при получении и применении полимеров, обеспечение безопасных условий эксплуатации изделий из них, ускоренная гигиеническая оценка невозможны без использования современных математических методов, средств вычислительной техники и кибернетики.
Например, при изучении миграции химических веществ из полимеров и оценке их биологической активности приходится учитывать множество (30 и более) переменных факторов (рецептура, физико-механические показатели, физические свойства окружающей среды и др.). При таком числе признаков характеристика выявленных связей становится сложной задачей (Т. Андерсон; П. Ф. Андрукович). Классический регрессионный анализ, примененный для установления связи уровня миграции вредных веществ с этими переменными, не позволяет оценить влияние каждой переменной, осуществить анализ, интерпретацию и определение коэффициентов корреляционной модели, поскольку большое число исходных данных, характеризующих полимерный материал, часто коррелируются между собой.
Таблица 1
Анализ главных компонент параметров искусственных обувных картонов
№ образца Искусственны!) материал № параметра Свойство материала
1 СЦМ на основе Л-18 1 Толщина
2 СЦМ на основе 2 Масса
ЛНТ-1
3 СЦМ на основе неоп- 3 Объемная масса
рена-400
4 СЦМ-2 на основе 4 Гигроскопичность
ЛНТ-1 и ДВХБ
5 СЦМ-3 5 Объемное водопогло-
щение
6 Кожевенный картон 6 Весовое водопоглоще-
ние
7 Обувной картон 1 7 Поверхностное водо-
поглощение
8 Обувной картон 3—1 8 Пористость
9 СЦМ на основе 9 Коэффициент паропро-
ЛНТ-1/с (дегазацией) ницаемости
10 СЦМ-4 10 Содержание латексов
11 СЦМ на основе латек- 11 Содержание наполни-
са Л-14 телей
12 Обувной картон 2
В связи с этим для изучения закономерностей процесса миграции химических веществ из искусственных материалов в окружающую среду и кратного описания их меньшим числом обобщенных показателей возникает задача замены исходных взаимосвязанных признаков некоторой совокупностью некоррелированных параметров, сохраняющих без искажения всю информацию об изменчивости изучаемого процесса. Наиболее перспективным в этом плане является анализ с применением метода главных компонент (А. М. Дубров; Г. Харман).
В настоящей работе при анализе физико-химических свойств и рецептуры обувных искусственных материалов и влияния их на уровень миграции вредных веществ мы применили метод главных компонент, который позволяет выявить и обосновать систему признаков, наиболее существенно влияющих на исследуемый процесс.
Для исследования были отобраны 12 образцов обувного картона и 11 переменных параметров, характеризующих свойства этих материалов (табл. 1).
В состав искусственных обувных картонов входили целлюлоза (70—100,0 массовых частей), латекс хлоропреновый (15—30 массовых частей), латекс ДХВБ-7 (15 массовых частей) красители, окись цинка, квасцы, канифоль и др. (от 1,0 до 35,0 массовых частей).
Блок-схема вычислительного алгоритма, на основе которого проведено исследование, представлена на схеме.
Программа реализована на языке ФОРТРАН IV ДОС/ВС ЭВМ с использованием модулей из библиотеки научных подпрограмм (БЗР).
Проведен анализ главных компонент, в результате которого выделены 4 главные компоненты, объясняющие 85,75% общей дисперсии. Характер вклада главных компонент в общую дисперсию представлен на рис. 1, а их весовые коэффициенты для переменных — в табл. 2. Как видно из рис. 1, наиболее существенный вклад дают первая (34,5%) и вторая (23,59%) главные компоненты.
Для удобства интерпретации матрицу факторов подвергали вращению (варнмаксному вращению), в результате которого получили повернутую матрицу главных компонент. Как показал анализ, первая главная из них в большей мере связана с признаками, определяющими удельное содержание латексов и целлюлозы в рецептуре (10), с объемной массой (3), с весовым водопоглощением (5), а также с паропроницЗемостью (9), пористостью (8) и толщиной (1), но с отрицательными коэффициентами их весов. Таким образом, первая главная компонента характеризует совокупность физико-химиче-
Укрепленная блок-схема алгоритма регрессии на главных компонентах
ЗО-
Рнс. 1. Вклад 4 главных компонент в обобщенную дисперсию.
Но оси абсцисс — номер главной компоненты: но оси ординат — обобщенная дисперсия (в %).
Таблица 2 Весовые коэффициенты главных компонент (а/)
№ переменной «к а/. <4, о/«
1 -0,7457 0,5212 —0,2261 0,2617
2 0,1143 0,8798 —0,2931 0,1450
3 0,6705 0,4756 —0,4396 0,2325
4 0,1423 0,6031 0,5303 —0,1516
5 —0,2163 —0,7134 —0,3100 0,2945
6 0,6763 0,1248 0,3050 0,2577
7 0,3988 0,3087 0,4754 0,6796
8 —0,7949 0,3156 0,0975 —0,4189
9 —0,8718 0,0229 0,2872 0,3670
10 0.8398 —0,3033 —0,0647 —0,3519
11 0,0187 0,3773 —0,6228 —0,1616
Собственные значения 3,7988 2,5899 1,5592 1,4855
ских свойств образцов, в большей мере обусловленных свойствами содержащихся в рецептуре латексов и целлюлозы.
Со второй главной компонентой наибольшими положительными коэффициентами веса связаны со свойствами материала: гигроскопичностью (4), пористостью (8), массой (2) и с отрицательным значением коэффициента массы объемного водопоглоще-ния (5). Поскольку с этой главной компонентой больше всего связаны признаки, определяющие физические сорбционные и гидрофильные свойства, она и была названа «сорбционные свойства». Третья глава компонента составляет 14,17% вклада в общую дисперсию и с нею связаны наибольшими положительными весами параметры 4 и 7 (гигроскопичность, поверхностное водопоглощение) и с наибольшим, по абсолютной величине отрицатель-
40-
ным весом — параметр 11 (содержание гидрофильных наполнителей). Эта главная компонента в большей мере характеризует адгезионные свойства материала. Несколько меньший (13,5%) удельный вес в общей дисперсии имеет четвертая главная компонента, которая связана положительными наибольшими коэффициентами признаков 3,6 и 7 (объемная масса, весовое и объемное водопоглощение) и отрицательным коэффициентом веса признака 8 (пористость). Учитывая такую связь анализируемой компоненты с указанными признаками, ее можно назвать способностью материала к водопоглощению.
Таким образом, проведенный анализ позволяет изучить закономерности миграции химических веществ из полимеров по 4 главным компонентам (вместо 11 взятых признаков), в которых предыдущие признаки приведены к соизмеримому основанию. С помощью 2 первых главных компонент можно объяснить 58% общей дисперсии.
Следующим этапом являлось получение для каждого образца обувного материала индивидуальных значений главной компоненты ф и осуществление по ним классификации.
Л-
-20 -10 рис. г
ш
10 20 г,
_
Ф
<&0 -од О -ср
-20 -10 О
/ /
Рис 3
10 2.0 Рг
-и>
Рис. Ч
10 Ь«5
®
10 20 г,
® @
Рис. 2. Проекция значений компонент на направление первой главной компоненты
Рис. 3. Проекция значений главных компонент на направление второй главной компоненты (Рг).
Рис. 4. Проекция значений главных компонент образцов на плоскость первой и второй главных компонент (F1 и 5',).
Разделение изучаемых объектов (образцов) на классы позволяет прогнозировать миграцию химических веществ для новых искусственных обувных картонов. С этой целью для стандартизованных исходных данных были вычислены значения главных компонент и рассмотрены проекции этих значений на направления первой и второй главных компонент (рис. 2 и 3), а также на их плоскость (рис. 4).
Из рис. 2 видно, что по значениям первой главной компоненты, с которой связаны такие показатели, как объемная масса, паропроницаемость, пористость, весовое водопоглощение, удельное содержание в рецептуре латексов и целлюлозы, обувные искусственные картоны делятся на 2 группы: в одну входят образцы № 1, 2, 9, 10 и 11, в другую № 3, 4, 5, 7, 8 и 12. Образец № 6 (кожевенный картон) имеет наибольшее значение первой главной компоненты и не принадлежит к указанным группам.
Проведенная классификация искусственных материалов с учетом признаков, характеризующих вторую главную компоненту (гигроскопичность, пористость, масса и другие связанные с ней признаки), позволила выделить группу образцов искусственных картонов с высокими показателями, но с низкими показателями гидрофильных свойств. В другую группу вошли образцы с низкими сорб-ционнымн свойствами, но с более выраженным объемным водопоглощением (см. рис. 3). С учетом совокупности всех физико-химических свойств, связанных с первой и второй главной компонентами, исследуемые образцы подразделили на 2 класса. В первый вошли образцы, обладающие малой объемной массой, низкими сорбционными свойствами, незначительным удельным весом в рецептуре латексов и целлюлозы (№ 1 2, 9, 10 и 11), во второй— образцы искусственных картонов, имеющие высокие сорбционные свойства и в наибольшем количестве содержащиеся в рецептуре латексов (№ 3, 5, 7 и 12). Обувной картон марки 3—1 и кожевенный картон не включены ни в одну из этих групп, первый характеризуется высоким значением второй — (см. рис. 4).
Используя результаты приведенной классификации, можно прогнозировать гигиенические свойства новых, ранее неизученных полимерных картонов. С этой целью по величине весов главных компонент и собственным значениям корреляционной матрицы вычисляют значения главных компонент для нового образца (обратная факторная задача — А. М. Дубров). Точка расположения на плоскости первых 2 компонент визуально покажет, к какой группе (классу) ближе эта точка. Новый образец будет характеризоваться свойствами, схожими с аналогичными показателями данной группы. Кроме того, вычисленное значение главной компоненты для нового образца можно подставить в уравнение регрессии и определить уровень миграции тех или иных токсичных веществ в окружающую среду, что позволяет без проведения дорогостоящих и
продолжительных экспериментов осуществить ускоренную гигиеническую оценку искусственного материала.
На последнем этапе мы провели регрессионный анализ на полученных главных компонентах. Изучили миграцию из обувных картонов окисляющихся (К,) и бромирующихся (К2) веществ в воду, определили величину сухого остатка водных вытяжек (К3) и выделение хлоропрена (К4). По полученным результатам построили уравнения регрессии.
Так, уровень миграции окисляющихся веществ (органических соединений) из обувных искусственных картонов с учетом значимости главных компонент может быть описан уравнением: К1== =6,22917—2,45139Рг, где —.значение второй компоненты. Вычисленный коэффициент Стьюдента равен 2,712, что превышает критический 10 6Ш =2,23.
Следовательно, гипотезу о равенстве коэффициента регрессии нулю следует отвергнуть. Отрицательный коэффициент свидетельствует о гидрофобных свойствах материала. С увеличением в технологической рецептуре содержания химических веществ, обладающих гидрофобными свойствами, уменьшается миграция органических веществ.
Уравнение регрессии, описывающее процесс миграции бромирующихся веществ, имеет следующий вид: К2 = 1,60833+ 0,34806+0,32025^4+0,29957/=',. Соответствующие значения критериев: ^=2,49, = =2,29, /=2,14. Стандартная ошибка 0,464. Таким образом, уровень миграции бромирующихся веществ в большей степени-зависит от гидрофильных свойств образца. Величина сухого остатка, как видно из уравнения регрессии У3=17,14249+ +4,74197 зависит от адгезионных свойств полимерного материала.
Количество мигрирующего из искусственных картонов хлоропрена может быть выражено математической моделью У4 =6,41249+0,64648 /=",, ¿=Л,86. Из уравнения видно, что выделение хлоропрена зависит от удельного содержания в рецептуре латекса и величины водопоглощения. Миграция хлоропрена уменьшается с увеличением пористости и паропроницаемости материала. Видимо, эти свойства картонов способствуют быстрому улетучиванию хлоропрена еще в процессе их получения и сразу после изготовления.
Выводы. 1. Анализ гигиенических свойств многомерных систем (полимеров) с помощью метода главных компонент дает возможность выявить скрытые, но объективно существующие закономерности, определяемые воздействием внутренних и внешних свойств.
2. Главные компоненты полимерных материалов адекватно отражают исходные свойства образца в более компактной форме и содержат больше информации, чем непосредственно замеряемые признаки.
3. Выявление и изучение стохастической связи признаков с главными компонентами позволяет научно обосновать гигиеническую регламентацию
безопасного уровня миграции химических веществ из полимеров в условиях воздействия на этот процесс большого числа факторов.
Литература. Андрукович П. Ф. Применение метода главных компонент в практических исследованиях. М., 1973.
Дубров А. М. Обработка статистических данных методом
главных компонент. М., 1978. Андерсон Т. Введение в многомерный статистический анализ. М., 1963. Харман Г. Современный факторный анализ. М.. 1972.
Поступил» а5 02.81
УДК «12.221.3-087.« + в 16.24-008.7-074
Б. Г. Лыткин, И. И. Деденко МЕТОД ОТБОРА ПРОБ АЛЬВЕОЛЯРНОГО ВОЗДУХА
Московский НИИ гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана
Существует множество различных приборов и устройств, позволяющих отбирать пробы альвеолярного воздуха для газоанализа (В. С. Маят; Р. П. Ольнянская и Л. А. Исаакян). Однако они имеют большую массу и размеры или требуют участия испытуемого в управлении, что ограничивает их применение при проведении натурных физиолого-гигиенических исследований.
В то же время определение содержания кислорода и углекислого газа в альвеолярном воздухе имеет большое значение для оценки функционального состояния системы внешнего дыхания у человека в условиях производства. В связи с этим для отбора проб альвеолярного воздуха у человека, выполняющего физическую работу, необходим малогабаритный прибор, имеющий небольшую массу, не требующий участия испытуемого в управлении им и не мешающий осуществлению производственных операций.
Наиболее полно данным требованиям отвечает устройство для взятия альвеолярного воздуха, предложенное А. М. Гениным и соавт. Однако оно применяется в комплекте с кислородной маской, что может искажать получаемые данные из-за того, что любая кислородная маска имеет подмасочное «мертвое» пространство, в котором при выдохе остается последняя порция выдыхаемого, т. е. альвеолярного воздуха.
С учетом изложенного нами разработано и из- . готовлено устройство (см. рисунок). Оно состоит из следующих основных частей: камеры переменного давления У, камеры-ловушки 2, камеры отбора альвеолярного воздуха 3, загубника 4, лепестковых клапанов 5—9, резинового мешочка 11 и емкости для сбора альвеолярного воздуха 12. Камера переменного давления сообщается с камерой отбора альвеолярного воздуха через проходное отверстие 10. Клапаны 5 и 6 подпружинены и обладают сопротивлением дыханию 50 мм вод. ст. Размер устройства 100 x80 x25 мм, масса 150 г. Для крепления на головке испытуемого устройство снабжено системой лямок.
Действие устройства основано на изменении давления в камерах по фазам дыхания: отрицательное — на вдохе, положительное — на выдохе. При
вдохе в камере переменного давления и камере отбора альвеолярного воздуха создается отрицательное давление, под действием которого расправляется резиновый мешочек 11. Возникающее в нем разрежение закрывает клапан 9 и открывает клапан 8, через который поступает воздух, находящийся в камере-ловушке. После того как в камере переменного давления и камере отбора альвеолярного воздуха создается разрежение 50 мм вод. ст. открывается клапан 5 и в респираторный тракт поступает атмосферный воздух. При выдохе в камере переменного давления и камере отбора альвеолярного воздуха создается положительное давление, под действием которого резиновый мешочек сжимается и находящийся в нем воздух через открывшийся клапан 9 (клапан 8 при этом закрывается) выходит в емкость для сбора отобранного воздуха. После того как в указанных 2 камерах давление достигнет 50 мм вод. ст., открываются клапаны б и 7 и выдыхаемый воздух выходит в атмосферу. После выдоха в камере-ловушке остается последняя порция выдыхаемого воздуха, т. е. альвеолярный воздух. При последующем вдохе он попадает из камеры-ловушки в резиновый мешочек, при последующем выдохе — в емкость для сбора воздуха. Таким образом, в емкости 12 накапливается альвеолярный воздух. Для исключения подсоса атмосферного воздуха в камеру-ловушку она имеет несколько больший объем, чем резиновый мешочек.
Перед началом исследования испытуемый делает несколько вдохов и выдохов для удаления из камер и резинового мешочка воздуха, оставшегося
Схема устройства для отбора проб альвеолярного воздуха. Объяснения я тексте.
