CC BY
26
УДК 621. 762:678.546
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НАТРИЙ-КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ С ПОРОШКОМ АЛЮМИНИЯ
© 2010 г. Н.М. Антонова*, Н.А. Меркулова**, И.А. Неелова*
*Каменский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университеат (Новочеркасского политехнического института)
**Комбинат «Каменский», г. Каменск-Шахтинский
*Kamensk Institute branch South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)
**Combinat «Kamensky», Kamensk-Shakhtinsky
Разработано программное обеспечение в среде Microsoft Visual 2008 для расчета оптимальных соотношений компонентов антикоррозионного покрытия с металлическим порошком. Найдены оптимальные соотношения компонентов антикоррозионного покрытия на основе натрий-карбоксиметил-целлюлозы с порошком алюминия, обеспечивающие механическую прочность 5,0+13,5 МПа, относительную деформацию 7,8+15,0 % при режимах отверждения 77+80 °С.
Ключевые слова: композиционное покрытие; механическая прочность; натрий-карбоксиметилцеллюлоза; порошок алюминия.
The software product has been carried out on the basis of Microsoft Visual 2008 to calculate the optimum proportion of components for anticorrosion coating containing metal powder. Optimal ratio of anticorrosion coating components on the basis of natrium - carboxymethylcellulose with aluminium powder have been found, the components provide mechanical firmness of 5,0+13,5 Mpa, relative deformation of 7,8+15,0 % under the hardening rate of 77+80 C.
Keywords: coating composition; substrate; mechanical firmness; natrium-carboxymethylcellulos; aluminium powder.
Введение
В промышленной переработке полимеров значительное место занимают изделия, полученные из полимерных материалов, содержащих твердые дисперсные наполнители. В последние годы прослеживается тенденция к увеличению исследований простых эфи-ров целлюлозы с целью получения комплексов на их основе [1-3]. Анализ литературных и патентных данных показывает, что применение наполненных полимерных комплексов, в частности натрий-карбокси-метилцеллюлозы (№ - КМЦ), является сравнительно новым направлением формирования композиционных материалов и устойчивых к агрессивным средам покрытий на ее основе [4-6]. В настоящий момент свойства наполненных металлическими порошками композитов на основе № - КМЦ изучены недостаточно, что делает актуальным проведение исследования свойств и оптимального состава композиции, обусловливающего необходимый спектр свойств таких материалов.
Цель работы - разработать алгоритм расчета соотношений компонентов антикоррозионного композиционного покрытия (КП) на основе № - КМЦ с порошком алюминия для получения заданных механических характеристик, реализовать его в виде программы с удобным графическим интерфейсом и определить оптимальный состав КП.
Материалы и методика исследований
Объектами исследований служили покрытия толщиной 50 ^ 80 мкм. Композиция для КП получена смешиванием гелеобразного водного раствора очищенной № - КМЦ с пластификатором глицерином и частицами порошка алюминия АСД-1 различного диаметра. Нанесенный на фторопластовую подложку состав высушивали при соответствующей температуре [7]. Поскольку прочность исследуемого антикоррозионного состава значительно ниже прочности защищаемой поверхности, изучали механические свойства КП без подложки. Подготовка пленочных образцов КП и определение механических характеристик проводились по методике, описанной в работе [8]. Механические испытания проводили при температуре (23 + 2) °С на разрывной машине РМ-4, обеспечивающей скорость движения подвижного захвата относительно неподвижного 2,5 мм/мин. С помощью диаграммы растяжения определяли относительную деформацию (е) и предел прочности (стВ) при осевом растяжении образца. Исследовали прочность сцепления покрытия с подложкой из стали 08 кп. Подготовку образцов, определение величины адгезионной прочности (АП) осуществляли методом решетчатых надрезов в соответствии с [9] по пятибалльной шкале, где балл 1 - наилучшая, а 5 - неудовлетворительная прочность. Статистический анализ результатов производи-
ли с помощью регрессионного анализа. Эксперимент проводили по ортогональному плану второго порядка [10, 11], в качестве факторов варьирования были выбраны: концентрация № - КМЦ (1,5+3,5 %); содержание порошка А1 (0+10,0 г) и пластификатора - глицерина (0+8,0 г); размер частиц А1 (10+40 мкм); температура формирования КП (35,0+80,0 °С). Диапазон изменения изучаемых факторов выбран на основании данных, полученных в результате предварительных исследований. Функциями отклика (У) в эксперименте служили следующие величины: УаВ - механическая прочность при разрушении и Уе - относительная деформация при растяжении образца.
Результаты и их обсуждение
В результате статистической обработки экспериментальных значений механической прочности и деформации при осевом растяжении, получены уравнения регрессии (1), (2), адекватно описывающие влияние исследуемых факторов в безразмерном масштабе (Хь Х2, Х3, Х4, Х5 - соответственно концентрации № - КМЦ, содержания порошка А1, глицерина, размера частиц А1 и температуры формирования покрытия) на величины стВ и е при растяжении композиционного покрытия:
УаВ = 3,2 + 0,7Х1 - 1,1Х3 + 0,4Х1Х2 + 0,4Х1Х3 --1,2ХХ + 0,6Х1 Х5 - 0,4X2Х4 -1,2Х3Х4 -
-0,4Х4Х5 + 0,5Х32 - 0,3X4; (1)
(^расч =6,9; ^,абл=8,7; Sy2= 0,5), Уе = 34,2 - 5,8Х1 - 3,2X2 +11,0Х3 - 6,2Х4 + 0,9Х5 -
-11,5XjX2 - 6,9XjX3 + 6,2XXа " 2,6XjX5 +
+6,2 X2 X3 +1,2 X 2X4 +1,2 X 2 X5 + 7,9 X3X4 +
+5,4X3X5 + X4X5 -1,1Xj2 -1,6X22 + 0,9X32 +
+2,5X4 - 0,6X52;
(^расч = 2,5; Fтабл = 8,8; Sy2 = 83,0).
(2)
ции полученных уравнений регрессии представляет определенные трудности. Сложности возникают, если в полученных уравнениях незначимыми являются квадратичные коэффициенты. Известно, что необходимым условием существования экстремума функции многих переменных является равенство нулю производных, т.е. выполнение системы равенств [11]:
df ( хгхп ) dx,
= 0, ( г = 1,2,..., п ).
Влияние факторов на механические характеристики КП исследовано в работах [1 - 2]. Величина АП достигает 1-2 балла, за исключением составов композиций (3-5 баллов), в которых содержание глицерина и алюминия близко к максимальному или минимальному, а размер частиц достигает 40 мкм [13].
Задача оптимизации сводилась к определению соотношений исходных факторов, обеспечивающих максимальную механическую прочность покрытия при относительной деформации, удовлетворяющей эксплуатационным требованиям. Выявление оптимальных соотношений компонентов в исследуемых композициях с помощью аналитической интерпрета-
Решение системы, состоящей из таких уравнений, определяет условие необходимое, но еще недостаточное, так как полученная точка в n-мерном пространстве может оказаться «седловой». Использование, например, функции «Minnerr» в составе блока «Given» системы MathCad приводит к выявлению точек, для которых значения целевой функции в факторном пространстве больше или меньше, чем в точке определяемого оптимума, что требует проверки всех областей для обнаружения глобального максимума [11]. Кроме того, получение промежуточных решений, представляющих практический интерес, алгоритмом указанной системы не предусмотрено.
Предложенный алгоритм расчета максимальной механической прочности КП и расчета уровней прочности для произвольных значений s реализован в виде программного обеспечения, разработанного в среде Microsoft Visual 2008. Этот программный продукт позволяет создавать широкий спектр приложений для среды Microsoft Windows и значительно повышает эффективность программирования [14]. Вид интерфейса приведен на рисунке.
В программе задавали значения Х1, Х2, Х3, Х4, Х5 в исследуемом диапазоне в безразмерном масштабе. Численные значения коэффициентов уравнений регрессий вводили в окнах «для уравнения механической прочности» и «уравнения относительной деформации». Величине деформации s присваивали значение, приемлемое для промышленного использования исследуемого покрытия. Для заданного si, рассчитывали массив значений безразмерных переменных Х1, Х2, Х3, Х4, Х5 в пределах интервалов варьирования с шагом h = 0,1, обеспечивающих требуемую относительную деформацию. Полученные решения подставляли в уравнение для механической прочности и определяли ряд соответствующих значений а,. В окне программы отображаются шесть наибольших полученных расчетных значений механической прочности в порядке убывания и соответствующие этим значениям комбинации переменных. Для более полного анализа предусмотрена возможность просмотра всех полученных решений.
На рисунке приведены результаты оптимизации состава КП для значения s = 18 %, h = 0,1 и диапазонов варьирования: -2,3 + 2,3 для переменных Х1, Х2, Х3, Х4, Х5.
Разработанная программа позволяет исследовать подобласти интервала варьирования одного фактора в сочетании с исследуемыми областями остальных факторов.
Вид интерфейса для расчета максимальных значений прочности КП
Таким образом, можно оценить вклад каждого фактора в механические характеристики на отдельных уровнях.
Это представляет интерес, так как при общепринятом подходе [10, 15] исследуются зависимости «отклик - параметр» при фиксации остальных параметров в центре исследуемых диапазонов, или на их границах. В процессе расчета комплекс реализует возможные комбинации многомерного массива, при шаге h = 0,1 время получения результатов т» 3 с. Изменяя коэффициенты регрессии в окне ввода, можно определить оптимальный состав для любого композиционного материала с произвольным наполнителем.
Расчет произведен для удовлетворяющих эксплуатационным требованиям значений относительной деформации от 10,0 до 18,0 %. На основе рассчитанных рецептур по описанной выше методике были изготовлены образцы и определены значения стВ, е и АП. В табл. 1 представлены оптимальные соотношения исследуемых факторов в натуральном масштабе, обеспечивающие экспериментальные значения механических характеристик 7,8^15,0 %, 5,0^13,5 МПа и Н2 балла для е, стВ и АП соответственно, в факторном пространстве. Расчетные и экспериментальные значения механических испытаний приведены в табл. 2. Более высокими механическими характеристиками обладало КП, сформированное в расчетном диапазоне температур 36^39 °С (оптимум № 1). Однако отверждение образцов в таком диапазоне температур привело к значительному увеличению времени высыхания покрытия, что экономически невыгодно. Поэтому расчет был повторен для t = 60^80 °С, и размеров частиц: d < 20 мкм, 20 < d<30 мкм, 30 < d<40 мкм.
Полученные соотношения факторов в натуральном масштабе, расчетные и экспериментальные значения результатов механических испытаний приведены в табл. 1, 2.
Таблица 1
Оптимальные соотношения факторов, обеспечивающих аВ =5,0^13,5 МПа
№ оптимума Независимые переменные в натуральном масштабе
С№-КМЦ % Са1, г Сгл, г d, мкм t, °C
1 2,3+2,6 2,2+2,8 0,9+0,2 30+40 36,0+39,0
2 2,6+2,7 3,3+0,4 2,3+0,9 30+40 60,0+68,0
3 3,1+3,3 3,0+3,4 0,5+1,0 20+30 68,0+80,0
4 3,3 +3,5 5,7+5,2 2,6+0,69 < 20 60,0+80,0
Таблица 2
Расчетные и экспериментальные значения механических характеристик композиций
№ оптимума стВ, МПа 8, % АП, баллы
расчет эксперимент расчет эксперимент
1 14,0+13,3 13,5+12,0 11,0+18,0 14,3+15,0 1-2
2 6,0+9,3 5,1+10,0 16,0 20,0+13,3 1-2
3 8,0+9,8 5,0+7,4 11,0+14,0 7,8+10,0 1-2
4 8,9+10,6 8,5+6,8 10,0+11,0 13,9+13,7 1
Выводы
1. Разработан алгоритм расчета оптимальных соотношений компонентов антикоррозионного КП на основе Na - КМЦ с порошком алюминия для получения заданных механических характеристик. Алгоритм реализован в виде программного обеспечения в среде Microsoft Visual 2008.
2. Определены соотношения компонентов КП, обеспечивающие удовлетворяющие эксплуатационным требованиям значения механических характеристик: стВ = 5,0+13,5 МПа, е = 7,8+15,0 %, АП = 1+2 балла для фракций порошка АСД-1 с размерами частиц ( 20 мкм, 20+30 мкм и 30+40 мкм. Оптимальность рассчитанных рецептур подтверждена экспериментально.
Литература
1. Химические превращения целлюлозы в составе растительного сырья / Н.Г. Базарнова [и др.] // Химия растительного сырья. 2005. № 3. С. 81.
2. Получение гидратцеллюлозных пленок, содержащих наночастицы дисперсного серебра / Н.Е. Котельникова [и др.] // Эфиры целлюлозы и крахмала: синтез, свойства, применение: материалы Всерос. науч. техн. конф. (Суздаль, 7-10 окт. 2002 г). Владимир, 2003. С. 252-253.
3. Pat. 4980391(US). Denture adhesives and methods for preparing same / Kumar Lori D., Schobel Alexander M. 1990.
4. Труфакина Л.М. Влияние волокнистых и жестких наполнителей на реологические и поверхностные свойства полимерных композиций// Изв. Томск. политехн. ун-та. 2006. Т. 309. № 5. С. 100.
Поступила в редакцию
5. Pat. 5089307 (US). Edible film and method of making same / Ninomiya Hirofumi, Suzuki Shoji, Ishii Kazuhiro. 1992.
6. Pat. 6828028 (US). Medical materials and process for producing the same /Fukui Hiroki, Suzuki Ken, Shuto Kenshiro, Yamamoto Nobuyuki, Ishihara Kazuhiko, Na-kabayashi Nobuo. 2004.
7. Пат. 2266307 (РФ). Защитное покрытие для металлических поверхностей / Н.М. Антонова, О.В. Аксенова, В.И. Кулинич, И.А. Неелова. 2005.
8. ГОСТ 14236-81. Методы испытания на растяжение. М., 1981, С. 9.
9. Карякина М.И. Испытание лакокрасочных материалов и покрытий. М., 1988, 272 с.
10. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М., 1985, 318 с.
11. Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов: практическое руководство / В.А. Холоднов [и др.] // СПб., 2003, 480 с.
12. Антонова Н.М. Механические свойства композиционного покрытия с полимерной матрицей на основе натрий-карбоксиметилцеллюлозы и порошка алюминия // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2009. № 1. С. 40-44.
13. Антонова Н.М., Кулинич В.И., Дорофеев В.Ю. Адгезионная прочность композиционного покрытия с полимерной матрицей на основе натрий-карбоксиметилцел-люлозы с металлическим наполнителем из порошка алюминия // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2008. № 2. С. 12 - 16.
14. С# 2005 и платформа.ЖТ 3.0 для профессионалов / К. Нейгел [и др.]: пер. с англ. М., 2008. 1376 с.
15. Локтионова И.В., Радбиль А.Б., Золин Б.А. Оптимизация процесса получения ментадиенов и п-цимола изомеризацией скипидара в присутствии хлорной кислоты // Химия растительного сырья. 2006. № 3. С. 17 - 20.
19 января 2010 г.
Антонова Наталья Михайловна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Естественно-научные дисциплины», Каменский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университеат (Новочеркасского политехнического института). Тел. (86365) 40522. E-mail: melnik1@rambler.ru
Меркулова Наталия Александровна - инженер-программист, ФКП «Комбинат "Каменский"». Тел. (86365) 28651.
Неелова Ирина Александровна - начальник научно-исследовательской лаборатории (НИЛ), ФКП «Комбинат "Каменский"». Тел. 89185199830.
Antonova Natalya Michailovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Natural Scienses» Kamensk Institute branch of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86365) 40522. E-mail: melnik1@rambler.ru
Merkulova Natalia Alexandrovna - programmer-engineer Combinat «Kamensky». Ph. (86365) 28651.
Neelova Irina Alexandrovna - the head of scientific-rescarch laboratory (SRL), Combinat «Kamensky». Ph. 89185199830.
