CC BY
26
УДК 678.762
Н. П. Петрова, В. С. Абруков, Н. А. Тарасов, Н. Ф. Ушмарин, Н. И. Кольцов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ РЕЗИНЫ
НА ОСНОВЕ КАУЧУКОВ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
Ключевые слова: резина, горение, антипирены, моделирование, искусственные нейронные сети.
С помощью искусственных нейронных сетей проведено моделирование процесса горения резины на основе каучуков общего назначения СКИ-3 и СКД. Исследовано влияние комбинаций различных антипиренов на процесс горения резины.
Keywords: rubber, combustion, flame retardants, modelling, artificial neural networks.
With help of artificial neural networks was conducted simulated of combustion process rubber on the base of rubbers general purpose SKI-3 and SKD. Investigated of influence combinations of different flame retardants on the combustion process.
Введение
Понижение горючести полимерных материалов и резин является актуальной проблемой [1-3]. В работах [4, 5] проведены исследования по разработке огнестойких резин на основе различных марок бутадиен-нитрильных каучуков с использованием комбинаций трихлорэтилфосфата с хлорпарафинами, триоксидом сурьмы, гидроксидом алюминия, оксидами магния и кальция, боратом бария. В работе [6] изучалась возможность повышения огнестойкости резины на основе каучуков общего назначения СКИ-3 и СКД с серной вулканизующей системой и кинетика процесса ее горения при частичной замене токсичного триоксида сурьмы на его комбинации с менее токсичными антипиренами. В настоящей работе с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС) [7, 8] проведено исследование влияния температуры и комбинаций различных антипиренов на процесс горения данной резины.
Результаты и их обсуждение
Базовый вариант исследуемой резины на основе каучуков СКИ-3 и СКД в качестве антипиренов содержал комбинацию триоксида сурьмы с хлорпарафинами ХП-470 и ХП-70 в количестве 10, 6 и 30 мас. ч. на 100 мас. ч. каучуков В работе [6] в резину вводились новые комбинации антипиренов, состоящие из уменьшенного количества триоксида сурьмы (5 мас. ч.), органобентонитов СЫБЙе 10А, СЫБЙе 15А и СЫБЙе 30В, а также смесей А1(ОН)3 + борат бария и А1(ОН)3 + Мд(ОН)2 + Са(ОН)2 в количестве 10 мас. ч. с сохранением содержания хлорпарафинов. Процесс горения исследовали путем измерения во времени относительной высоты (Ь./Ьо) несгоревшей части образцов резины в виде столбиков размером 10х2х2 мм, облучаемых лучом инфракрасного (длина волны 10,6 мкм) лазера ЛГ-25, при трех температурах лучеиспускания (Тл = 480, 700, 800°С).
В качестве основных факторов, влияющих на процесс горения резины, были выбраны температура лучеиспускания лазера, под действием
которой происходило вынужденное горение, природа и содержание антипиренов в резине. Целевой функцией являлась относительная высота несгоревшей части образцов резины. Причем считалось, чем больше значение Ь./Ьо (при одинаковом времени с начала горения), тем большей эффективностью обладают антипирены. На основе экспериментальных данных [6] с использованием эмулятора ИНС, встроенного в аналитическую платформу Бе^йог [9], была создана многофакторная вычислительная модель (ИНС-модель), аппроксимирующая
экспериментальные данные с ошибкой, не превышающей ошибки эксперимента (не более 5%).
Полученная ИНС-модель позволила изучить влияние отмеченных факторов на процесс горения резины. Экспериментальные исследования [6] показали, что из использованных органобентонитов наибольшим ингибирующим эффектом обладает СЫБЙе 15А. Для образцов резины, содержащих триоксид сурьмы, а также уменьшенное количество триоксида сурьмы в комбинациях с СЫБЙе 15А, смесями А1(ОН)3 + Mg(OH)2 + Са(ОН)2 и А1(ОН)3 + борат бария, на рис. 1 приведены зависимости Ьрасч./Ьо(1), полученные при Тл = 800, 700, 480°С.
Как видно, при частичной замене триоксида сурьмы на перечисленные добавки происходит замедление процесса горения. Причем, наибольшее замедление наблюдается для образцов, содержащих триоксид сурьмы с органобентонитом С1о18Йе 15А. В табл. 1 приведены результаты моделирования, показывающие, как замедляется процесс горения в различные моменты времени при использовании разных комбинаций антипиренов и температуре лучеиспускания лазера 800°С. Как видно из табл. 1, в начальный период (до 5 сек) большую эффективность проявляет комбинация
БЬ2О3+А!(ОН)3+борат бария. В период с 10 по 20 сек наиболее эффективна комбинация
ЗЬ2О3+С1о18Ие 15А. Аналогичные результаты получены при значениях Тл= 700 и 480°С.
0,9
о 0,8
т 0,7
CJ 0.6 ft i
0,4
0.1
Z4
12 16 20 24 2$ 32 36 40 44 48 52 t, сек
а
12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 t, сек
б
12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 t, сек в
Рис. 1 - Зависимости ЬрасчД0ф при Тл =800°С (а), 700°С (б), 480°С (в) для образцов резины, содержащих (мас. ч.): 1 - Sb2O3 (10); 2 - Cloisite 15A (10) + Sb2O3 (5); 3 - А1(ОН)з (4,55) + Mg(OH)2 (4,55) + Ca(OH)2 (0,9) + Sb2O3 (5); 4 - А1(ОН)з (5) + борат бария (5) + Sb2O3 (5)
Таблица 1 - Относительная высота несгоревшей части образцов резины, содержащих разные антипирены, в различные моменты времени при Тл= 800°С
горения резины. Из данных рис. 1 следует, что стационарное горение резины наблюдается на 20 сек с начала процесса горения. В табл. 2 приведены определенные с помощью ИНС-модели результаты аппроксимации эффективности действия различных комбинаций антипиренов как при исследованных значениях Тл (800, 700 и 480°), так и величинах Тл, находящихся вне исследованного температурного интервала. Как видно, при всех значениях Тл наибольшие величины относительной высоты несгоревшей части образцов резины наблюдаются при использовании комбинации органобентонита Cloisite 15A с триоксидом сурьмы.
Таблица 2 - Зависимости Ьрасч./Ь0(Тл) в режиме стационарного горении резины при t=20 сек
Антипирены (мас. ч.) Т °С
900 800 700 480 300
Sb2O3 (10) Ьрасч/^о
0,29 0,35 0,45 0,73 0,90
Cloisite 15A (10) + Sb2O3 (5) Ьрасч/^о
0,31 0,51 0,61 0,86 0,92
Al(OH)3 (4,55) + Mg(OH)2 (4,55) + Ca(OH)2 (0,9) + Sb2O3 (5) Ьрасч/^о
0,28 0,40 0,53 0,79 0,89
Al(OH)3 (5) + борат бария (5) + Sb2O3 (5) Ьрасч/^о
0,29 0,43 0,54 0,81 0,86
Таким образом, содержание триоксида сурьмы может быть существенно уменьшено за счет частичной его замены на исследованные антипирены, наиболее эффективным из которых является СЫ8Йе 15А.
Антипирены (мас. ч.) t, сек
5 10 15 20
Sb2O3 (10) Ьрасч./^о
0,84 0,66 0,50 0,35
Cloisite 15A (10) + Sb2O3 (5) Ьрасч./^о
0,87 0,74 0,64 0,51
Al(OH)3 (4,55) + Mg(OH)2 (4,55) + Ca(OH)2 (0,9) + Sb2O3 (5) Ьрасч./^о
0,86 0,71 0,57 0,40
Al(OH)3 (5) + борат бария (5) + Sb2O3 (5) Ь-расч./^о
0,89 0,72 0,60 0,43
В дальнейшем исследовалась
эффективность действия антипиренов при повышенных и пониженных температурах лучеиспускания лазера в режиме стационарного
Литература
1. Ю.А. Михайлин, Тепло-, термо- и огнестойкость полимерных материалов, С-Петерб., Научные основы и технологии, 2011. 416 с.
2. Дж.С. Дик, Технология резины: рецептуростроение и испытания, С.-Петерб., Научные основы и технологии, 2010. 617 с.
3. С.Н. Ломакин, Г.Е. Заиков, А.К. Микитаев, А.М. Кочнев, О.В. Стоянов, В.Ф. Шкодич, С.В. Наумов, Вестник Казан. технол. ун-та, 15, 7, 71-86 (2012).
4. Н.П. Петрова, Ушмарин, Н.И. Кольцов, Вестник Казан. технол. ун-та, 15, 19, 94-97 (2012).
5. Н.П. Петрова, Н.А. Тарасов, Н.Ф. Ушмарин, М.С. Резников, Н.И. Кольцов, Изв. вузов. Химия и хим. технол., 57, 4, 52-55 (2014).
6. Н.П. Петрова, Н.А. Тарасов, Н.Ф. Ушмарин, М.С. Резников, Н.И. Кольцов, Влияние антипиренов на кинетику горения резины на основе каучуков СКИ-3 и СКД, Вестник Казан. технол. ун-та (в печати).
7. V.S. Abrukov, E.V. Karlovich, V.N. Afanasyev, Yu.V. Semenov, S.V. Abrukov, Intern. Journ. of Energetic Materials and Chemical Propulsion, 9, 5, 385-396 (2010).
8. В.С. Абруков, С.В. Абруков, Е.В. Карлович, Ю.В. Семенов, Вестник Чуваш. ун-та, 3, 46-52 (2013).
9. www.basegroup.ru.
© Н. П. Петрова - асп. каф. физической химии и ВМС ЧувГУ, nadi4.ru@mail.ru; В. С. Абруков - д-р физ.-мат. наук, проф. каф. прикладной физики и нанотехнологий ЧувГУ, abrukov@yandex.ru; Н. А. Тарасов - доц. кафедры прикладной физики и нанотехнологий; Н.Ф. Ушмарин - канд. техн. наук, нач. ТО по РТИ АО «ЧПО им. В.И. Чапаева»; Н. И. Кольцов - д-р хим. наук, проф. каф. физической химии и ВМС ЧувГУ, koltsovni@mail.ru.
© N. P. Petrova - post-graduate of physical chemistry and macromolecular compounds department, Chuvash State University, nadi4.ru@mail.ru; V.S. Abrukov - doctor of physical and mathematical sciences, professor, managing chair of applied physics and nanotechnology, Chuvash State University, abrukov@yandex.ru; N. A. Tarasov - associate professor of department of applied physics and nanotechnology, Chuvash State University; N. F. Ushmarin - Ph.D., head of the technical department of JSC «Cheboksary production association named after V.I. Chapaev»; M.S. Reznikov - Ph.D., general director of JSC «Cheboksary production association named after V.I. Chapaev»; N. I. Koltsov - doctor of chemistry, professor, managing chair of physical chemistry and macromolecular compounds department, Chuvash State University, koltsovni@mail.ru.
