CC BY
25
УДК 6.20.22:547.775
С. В. Илюшина, Р. Н. Фазуллина, А. Н. Минязова, И. Р. Замалиева
МЕТОД ТРЕХФАКТОРНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ СОСТАВА ВСПУЧИВАЮЩЕГОСЯ АНТИПИРЕНА
Ключевые слова: текстильный материал, антипирен, оптимизация, планирование.
Проведена оптимизация состава вспучивающегося антипирена методом трехфакторного планирования эксперимента при изучении смесевых систем. В качестве функций отклика выбраны значения привеса текстильных материалов и время остаточного горения. На основании проведенных экспериментов было выбрано оптимальное соотношение компонентов антипирена.
Keywords: textile material, a flame retardant, optimization, planning.
The optimization of the composition of the intumescent flame retardant by a three-factor design of experiments in the study of composite systems. As a response functions selected value gain of textile materials and residual combustion time. Based on the experiments it was chose optimal ratio of components a flame retardant.
Введение
Ежедневно пожары наносят ущерб в сотни миллионов рублей по всей стране. При сгорании текстильных материалов (ТМ) выделяется огромное количество токсичных газов, которые негативно сказываются на человеке и окружающей среде. Гибель людей при пожаре в большинстве случаев происходит именно из-за отравления токсичными газами, которые выделяются при горении полимеров.
Поэтому придается большое значение получению огнестойких и пожаростойких материалов, которые смогут предотвратить возгорание или замедлить процесс горения материала.
Одним из основных способов получения огнестойкого материала является пропитка его составом антипирена. Но антипирен имеет ряд недостатков. Он изменяет физические свойства ТМ, плохо закрепляется на ткани и является дорогостоящим веществом [1, 2].
Таким образом, поиск оптимального состава антипирена, отвечающего критериям
экологичности, безопасности, пожаростойкости является актуальной задачей.
Данная работа направлена на получение оптимального состава вспучивающегося
антипирена, благодаря которому текстильные материалы приобретают огнестойкие свойства с сохранением исходных свойств.
Целью данной работы являлся поиск оптимального соотношения компонентов вспучивающегося антипирена методом
математического планирования для придания огнестойкости текстильным материалам.
Объектом исследования являлась
хлопкополиэфирная ткань «Карелия-2» (80% х/б, 20% полиэфир), а также компоненты антипирена -пентаэритрит (ПЭ), диаммоний фосфат (ДАФ), карбамид (КА).
С целью минимизации затрат на получение необходимых данных об изучаемом объекте и на его оптимизацию использован метод трехфакторного эксперимента при изучении смесевых систем. План эксперимента предусматривает учет всех влияющих
факторов с тем, чтобы обеспечить максимум точности и уменьшения количества опытов [3].
Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением методов статистической обработки экспериментальных данных с помощью программы «^аЙБЙса 7.0».
В качестве выходных переменных были выбраны значения привеса и время остаточного горения ТМ.
Экспериментальная часть
На первом этапе данной работы проводилось планирование эксперимента для нахождения оптимального состава антипирена, где независимыми переменными были выбраны ПЭ, ДАФ и КА. В качестве выходной переменной выбраны значения привеса антипирена. План эксперимента представлен в таблице 1.
Таблица 1 - План эксперимента по значениям привеса в зависимости от состава антипирена
Номер опыта Состав смеси, доля единицы Привес, %
ПЭ ДАФ КА
1 1,00 0 0 3,5
2 0 1,00 0 2,4
3 0 0 1,00 4,3
4 0,50 0,50 0 6,1
5 0,50 0 0,50 2,7
6 0 0,50 0,50 3,4
7 0,40 0,40 0,20 50,1
8 0,40 0,20 0,40 29,7
9 0,20 0,40 0,40 28,5
10 0,33 0,33 0,33 44,7
На основании экспериментальных данных получено уравнение второго порядка, которое описывает соотношение между привесом и исследуемыми факторами (ПЭ, ДАФ, КА) и имеет вид (1):
Дт=-0,11 хПЭ-1,24хДАФ-0,01хКА+117,555хПЭх хДАФ+76,02хПЭхКА+74,23хДАФхКА (1)
Для проверки адекватности модели изучается разность между экспериментальным значением и
значением отклика, предсказанным по уравнению в некоторых точках факторного пространства. В данной работе проверка адекватности уравнения проводилась по критерию Фишера. Полученное расчетное значение критерия Фишера (Р=2,16) меньше табличного (Ртабл=3,97), следовательно, уравнение адекватно описывает процесс.
Поверхности отклика и контуры поверхности отклика зависимости привеса от состава вспучивающегося антипирена представлены на рисунках 1 и 2 соответственно.
Привес, %
3®" ПЭ
Ш >50 ш <40 Ш < 30 □ 2:0 Н <10
Рис. 1 - Поверхность отклика зависимости привеса от состава вспучивающегося антипирена
0,00 .1,00
0,25
П
О 00
0.50 ПЭ
I а 60 | 40 | 30 ] • 20 | <10
Рис. 2 - Контуры поверхности отклика зависимости привеса от состава вспучивающегося антипирена
Из рисунков 1 и 2 следует, что экстремум лежит в области эксперимента. Точке экстремума соответствует наибольшее значение привеса, что наблюдается при следующей концентрации компонентов: ПЭ - 33,3%, ДАФ -16,7%, КА - 50%. Однако, по данным литературных источников [1, 2] значение привеса ТМ после пропитки должно составлять не более 30-45% в зависимости от состава и назначения ТМ. В связи с этим было выбрано следующее соотношение компонентов: ПЭ - 33,3%, ДАФ - 33,3%, КА - 33,3%.
Далее проводилось планирование эксперимента для нахождения оптимального состава антипирена, где в качестве выходной переменной было выбрано
время остаточного горения ТМ. Исследование изменения огнестойких свойств ТМ после пропитки различными составами антипирена определяли по ГОСТ 12.4.200-99 [4]. План эксперимента представлен в таблице 2.
Таблица 2 - План эксперимента по времени остаточного горения в зависимости от состава антипирена
Номер опыта Состав смеси, доля единицы сек
ПЭ ДАФ КА
1 1,00 0 0 15
2 0 1,00 0 17
3 0 0 1,00 14
4 0,50 0,50 0 14
5 0,50 0 0,50 17
6 0 0,50 0,50 15
7 0,40 0,40 0,20 3
8 0,40 0,20 0,40 3
9 0,20 0,40 0,40 2
10 0,33 0,33 0,33 1
На основании экспериментальных данных из таблицы 2 получено уравнение второго порядка, которое описывает соотношение между временем остаточного горения и исследуемыми факторами (ПЭ, ДАФ, КА) и имеет вид (2): 1=16,50хПЭ+18,43хДАФ+15,42хКА-39,97хПЭх хДАФ-30,40хПЭхКА-29,13хДАФхКА (2)
Полученное расчетное значение критерия Фишера (Р=2,99) меньше табличного (Ртабл=3,97), следовательно, уравнение адекватно описывает процесс.
На рисунках 3 и 4 представлены поверхность отклика и контуры поверхности отклика зависимости времени остаточного горения ТМ от состава вспучивающегося антипирена.
Рис. 3 - Поверхность отклика зависимости времени остаточного горения от состава вспучивающегося антипирена
Как видно из рисунков 3 и 4, экстремум лежит в области эксперимента. Точке экстремума соответствует минимальное значение времени остаточного горения. С удалением от точки
экстремума в обе стороны увеличивается значение исследуемого свойства.
пэ
Рис. 4 - Контуры поверхности отклика зависимости времени остаточного горения от состава вспучивающегося антипирена
Исходя из полученных данных, следует, что наименьшее время остаточного горения (1-2 сек) наблюдается при следующем соотношении компонентов: ПЭ - 25-33,3%, ДАФ - 16,7-33,3%, КА - 33,3-58,3%.
Таким образом, на основании проведенных экспериментов можно сделать вывод, что оптимальным составом вспучивающегося
антипирена по значениям привеса и времени остаточного горения является соотношение компонентов: ПЭ - 33,3%, ДАФ - 33,3%, КА -33,3%.
Литература
1 Сабирзянова Р.Н. [и др.] Исследование влияния вспучивающих антипиренов на повышение огнестойкости текстильных материалов / Р.Н. Сабирзянова, И.В. Красина, О.А. Тучкова, Р.Ш. Еналеев // Вестник Казанского технологического университета. т.17., №3, 2014, С. 53-54 2. Илюшина С.В Исследование влияния плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на закрепление антипирена в поверхностном слое текстильных материалов / С.В. Илюшина, Р.Н. Сабирзянова, А.С. Парсанов, А.Т. Миндиярова // Вестник Казанского технологического университета. т.18., №12, 2015, С. 7880
3 Илюшина С.В Методы оптимизации технологических процессов / С.В. Илюшина // Вестник Казанского технологического университета. Т.17, №8, Федер. агентство по образованию, Казан. гос. технол. ун-т. -Казань. Изд-во КНИТУ, 2014. С. 323-327
4 ГОСТ 12.4.200-99 Система стандартов безопасности труда. - Введ: 01.01.2001. - М: Национальные стандарты, 2001. - 11 с.
© С. В. Илюшина - к.т.н., доц. каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КНИТУ, strelfy@mail.ru; Р. Н. Фазуллина - асс. той же кафедры; А. Н. Минязова - асс. той же кафедры; И. Р. Замалиева - студ. той же кафедры.
© S. V. Ilyushina - candidate of engineering sciences, associate professor of department of Technology chemical, natural fibers and products, KNRTU, strelfy@mail.ru; R. N. Fazullina - assistant of department of Technology chemical, natural fibers and products, KNRTU; A. N. Minyazova - assistant of department of Technology chemical, natural fibers and products, KNRTU; I. R. Zamalieva - student of KNRTU.
