Регулирование параметров синтеза полиуретанов, используемых в легкой промышленности, с помощью математических моделей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.19.01, кандидат технических наук Федулов, Андрей Николаевич

• Федулов, Андрей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Федулов, Андрей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ 5-

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Полиуретановые эластомеры

1.1.1. Основные реакции образования полиуретанов 9

1.1.2. Связь структуры исходных компонентов с физико-механическими свойствами полиуретанов 15

1.1.3. Полиуретанизоцианураты 23

1.1.4. Использование полиуретанов для изделий легкой промышленности 30

1.2. Методы прикладного регрессионного анализа в статистическом моделировании сложных процессов

1.2.1. Математическое моделирование 38

1.2.2. Регрессионный анализ 40

1.2.3. Потребность в статистическом анализе 42

1.2.4. Регрессионный анализ как средство описания процессов повышенной сложности 43

1.2.5. Множественная регрессия 46

1.2.6. Методы регрессионного анализа в химии и химической технологии 47

1.2.7. Выбор «оптимального» уравнения регрессии 49

1.3. Задачи диссертации

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Характеристика исходных компонентов

2.2. Синтез литьевых ПУ

2.3. Синтез эластичных ПУ покрытий 58

2.4. Методы исследования исходных компонентов

2.5. Методы исследования ПУ и покрытий 60

2.6. Построение математической модели

2.6.1. Полиномы Чебышева

2.6.2. Обрезание уравнения регрессии (критерий достоверности Фишера)

2.6.3. Приведение результата к окончательному виду 69-70 Обсуждение результатов

Глава 3. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ПУ ПО МЕТОДУ П.Л. ЧЕБЫШЕВА.

3.1. Изучение влияния состава на свойства ПУ типа СКУ-ОМ 71

3.2. Изучение влияния состава на свойства ПУ типа СКУ-ПФЛ 83

3.3. Принцип работы программного комплекса 85-

Глава 4. АПРОБИРОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИ.

4.1. Апробирование разработанной модели для отработки технологии получения каучука СКУ-ОМ и СКУ-ПФЛ 95

4.2. Изучение влияния рецептурных и ряда технологических параметров на свойства ПУ покрытий с использованием разработанной модели.

4.2.1. Технология получения ПУ пленкообразующего и нанесения покрытия на его основе.

4.2.2. Математическое описание влияния рецептурных и ряда технологических параметров на свойства ПУ покрытий.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Регулирование параметров синтеза полиуретанов, используемых в легкой промышленности, с помощью математических моделей»

Актуальность проблемы. Развитие прогресса в области материаловедения обусловлено применением новых полимерных и композиционных материалов, технология получения которых связана с энергетическими, материальными и трудовыми затратами. Существенно снизить их расход, призвано использование математических моделей. Однако, несмотря на большое количество работ в этой области не существует единого подхода к решению задач оптимизация рецептуростроения, технологических параметров и их взаимосвязи с конечными показателями материала. В этой связи цель настоящего исследования по разработке математических моделей для решения ряда рецептурно-технологических задач синтеза полиуретанов (ПУ), используемых в текстильной и легкой промышленности, является своевременной и актуальной.

Диссертационная работа выполнена по заданию Министерства образования РФ по проведению в 2001- 2005гг. научных исследований по тематическому плану НИР КГТУ п. 1.5.01.

Целью диссертационной работы является разработка метода регулирования рецептурно-технологическими параметрами процесса синтеза, оценки показателей качества и переработки различных ПУ, используемых в производствах текстильной и кожевенно-обувной областях промышленности, с помощью математического моделирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1 .Дать научное обоснование необходимости регулирования и оптимизации рецептурно-технологических параметров синтеза ПУ.

2.Получить зависимости влияния рецептурно-технологических параметров на структуру и физико-механические показатели ПУ.

3.Создать математическую модель описания влияния параметров синтеза ПУ на основной комплекс физико-механических показателей с учетом экономических затрат и экологической эффективности процесса.

4.Апробирование разработанной методики регулирования рецептурно-технологических параметров процесса получения изделий из ПУ расчетным и экспериментальным путем (синтезом).

Научная новизна работы состоит в том, что научно обоснован и разработан метод регулирования рецептурно-технологическими параметрами процессов получения ПУ покрытий и литьевых композиций с помощью их математического описания, позволяющий экономить материально-трудовые затраты и оперативно реагировать на конкретные потребности при создании полимерных композиционных материалов (ГЖМ).

Впервые использованы полиномы П.Л.Чебышева при решении задач математического описания зависимости рецептура-свойство для исходных гидроксилсодержащих и диизоцианатных (ДИ) составляющих литьевых ПУ, а также технологических параметров (вязкость, время отверждения и т.п.) полиуретановых покрытий.

Особенностью настоящей работы является оптимизация уравнения регрессии, при котором криволинейная регрессия рассматривается как множественная, где степень выступает как собственный фактор.

В связи с этим основная задача, которая была решена в настоящей работе, - построение математической модели множественной регрессии, основанной на аппарате дискретных полиномов П.Л.Чебышева, и создание на этой основе программного обеспечения, позволяющего восстанавливать уравнение регрессии достаточно широкого класса химико-технологических объектов, материалов и систем.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования разработанного программного обеспечения для создания математических моделей, которые используются как для прогнозирования свойств новых полимеров, в том числе ПУ, так и при корректировке имеющихся.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на науч. конф.: научно-метод. конфер., посвященная 100-летию химикотехнол. образования (Казань-2001), «4-ая конфер. молодых ученых РТ» (Казань-2001). VI международная конф. по интенсификации нефтехим. процессов «Нефтехимия-2002» (Нижнекамск-2002), научн. конфер. "Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии" (Уфа-2002), «Производство и применение эластомерных материалов в строительстве» (Казань-2002), «III Кирпичниковские чтения» (Казань-2003), семинарах и научных сессиях КГТУ.

Публикации. Основные результаты исследований и практической реализации опубликованы в 2 статьях и 6 материалах докладов.

Объем работы. Диссертация изложена на 133 страницах и состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы, состоящего из 73 наименований, приложения. Работа иллюстрирована 9 рисунками и содержит 32 таблице.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности», Федулов, Андрей Николаевич

выводы

1. Выявлены и обобщены зависимости: основной комплекс физико-механических показателей литьевых полиуретанов используюемых в обувной промышленности в качестве материала низа обуви, типа СКУ-ОМ, СКУ-ПФЛ — мольное соотношение диизоцианат: полиэфир, природа диизоцианата, полиэфира и его ММ, состав и количество отвердителя, наполнителя.

2. Разработана программа, использующая полиномы П.Л. Чебышева для получения моделей, зависимости свойств от рецептурных и технологических параметров полиуретанов. Программа универсальна и может описывать как прямую, так и обратную задачи зависимости У=:Р(Х), а также оценить экономическую эффективность технологии в процессе рецептурирования на любом этапе исследования.

3. Апробация программы показала совпадение экспериментальных данных, полученных в результате синтеза полиуретанов, с расчетным коэффициентом корреляции не менее 0,9.

4. Использование программы для описания литературных данных свойств полиуретанизоциануратов в зависимости от рецептурных факторов показало универсальность разработанной программы.

5. Применение полученной модели для систем полиуретановых покрытий типа УР-ОМ в плане выбора технологических факторов (вязкость и время отверждения) с целью достижения оптимальных параметров прочности, твердости, толщины покрытия показала высокую корреляцию с коэффициентом равным от 0,90 до 0,99.

6. Практическое применение программы осуществлено в практике составления рецептур конструкционных изделий из литьевого ПУ на ОАО «Казанский завод СК», а также на ОАО «НИИнефтепромхим» для моделирования эксплуатационных характеристик алкилфенолформальдегидных смол.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Федулов, Андрей Николаевич, 2004 год

1. Bayer О., Angew.Chem., А59, 275,1947

2. Райт П. Полиуретановые эластомеры./ Райт П., Камминг А., Д.: Химия., 1973.

3. Омельченко С.И. Сложные олигоэфиры и полимеры на их основе. -Киев: Наукова Думка, 1976.

4. Spitz Р.Н. Hwahak Konghak (j.KIChE), 1973. 11,25

5. Дж.Ч.Саундерс Химия полиуретанов./ Дж.Ч.Саундерс, К.К.Фриш, М: Химия, 1968

6. Camberlin Y.ea.-Eur.Polkym.J., 1980, v.16,11,1031-1036.

7. Marathon Oil Company, US Patent 3,458,448.

8. BonartR. J.Macromol.Sci.,Phys., 1968, 2,115

9. Clough S.B., Schneider N.S., King A.O. J.Macromol.Sci.,Phys., 1968, 2, 64

10. OguraK., Sobue M. J.Polym Sci., 1972, 3, 153.

11. Andreas R.D., Hammack T.J., J.Polym.Sci., 1965, B.3.665.

12. Tobolsky A.V., Shen M.C., J.Phys.Chem., 1963, 67,1886.

13. Otoska E.P., Eirich F.R., J.Polym.Sci., 1968, A-2,6,895.

14. Fitzerald W.E., Neilsen L.E., Proc.Roy.Soc., 1964, А282Д37.

15. Olesyr W.-In "0rganika-1980", Warszawa, 1980, 113-119.

16. Seymour R.W., Estes G.M., Cooper S.L., Macromol., 1970, 3,579.

17. Kimura I., Ishi Нага H., Ono H., Yoshihara N., Nomura S., Kawai H. Macromol., 1974 7,355.

18. D.C., Mohajer A.A., In:Block Copolymers, D.C. Allport and W.NH. Janes, eds, Applied Ecience Publichers Ltd. London, 1973, Chapter 8C.

19. Illinger J.L., Schneider N.S., Polym.Eng. and Sci., 1972, 12,25.

20. Aitken R.R., Jeffs G.M.F., Polymer, 1977, 18,197.21.3енитова Л.А., Синтез, свойства и применение уретановых эластомеров с изоциануратными кольцами в цепи; дисс.д.х.н-Казань-КХТИ-1991.

21. Allport D.C., Mohajer A.A., In:Block Copolymers, D.C. Allport and W.HJanes, eds, Applied Ecience Publishers Ltd, London, 1973, Charter 8C.

22. BonartR., J.Macromol.Sci., 1968, 2, 115.

23. Gianatasio P.A., Ferrari R.J., Rubber Age, 1966, 98, 83.

24. Jeffs G.M.F., Redman R.P., Imperial Chemical Industries Ltd, unpublished work.

25. Uion Carbide Corp., British patent 1,388,748 (2.8.71).

26. Bridgestone Tire Co. Ltd, German Patent 2,432 (3.7.73).

27. Schollenberger G.S., Dinbergs K., Adv. Urethane Sci. a. Tecnol., 1974, 36.

28. Mobay Chem. Co., US Patent 3,310,533 (2.1.62).

29. Farbenfabriken Bayer, British Patent 2, 418, (13.4.74).

30. Тигер Р.П. Полимеризация изоцианатов. / Тигер Р.П., Сарынина Л.И., Энгельс С.Г., Успехи химии. Т. 41.-Вып.9-С.1672-1695.

31. Sosuki Т., Yokogama, T.Tanaka / J.Polym. Sci. Part A-I., 1973. v.II. - P. 1765-1769.

32. Buist J.M. Advances in polyurethane Technology. / Buist J.M., Gurgen H., Trappl. G. Eds. Interscience. New York., 1968., P.63.

33. Раппопорт Л.Я. Синтез и свойства полиуретанизоциануратов. / Раппопорт Л.Я., Петров Г.И., Летуновский М.И. и др., Синтез и физико-химия полимеров., 1977, Вып.21, С.55-61.

34. Петров Г.Н. Исследование механизма структурообразования в изоциануратсодежащих полимерах методом релаксационной спектрометрии. / Петров Г.Н., Бартенев Г.М., Лямина Н.Я. и др., Высокомолек. Соед. Сер.А., 1975, Т.17, №2, С.431-435.

35. Jokojamo Hirro. Chemical properties and apply polyurethanisocyanurates / Kovyacu. Koko, Polyra. Appl., 1985, v.30, №10, P. 502-507.

36. Коган С.Ф. Получение структурированных полиуретанов тримеризацией изоцианатов. / Коган С.Ф., Раппопорт Л.Я., Петров Г.Н., Каучук и резина., 1977. №4, С.3-5.

37. A.c. 287295 СССР. Способ получения полиуретанов с изоциануратными циклами в цепи. / Хануков JI.A., Раппопорт Л.Я., Апухтина И.П. и др. Обубл. Бюл.из., 1970. №35.

38. Веселовский P.A. Отверждение макродиизоцианатов за счет образования изопиануратных и уретановых циклов. / Веселовский P.A., Коваленко O.A., Синтез и физико-химия полимеров., 1972. Вып. 10, С.139-141.

39. Летуновский М.П. Исследование структуры свойств сетчатых полиуретанов триизоциануратной схемы отверждения. / Летуновский М.П., Зеленев Ю.В., Раппопорт Л.Я. и др., Высокомолек.соед. Сер.А.,1975. Т. 17, №2, С.352-359.

40. Пат.США 3892705. Rapid setting polyurethanes from diols and polyfunctional isocyanates. / Alstowski Franciszek Опубл. В РЖХим.1976.

41. Панова Л.П. Влияние некоторых рецептурных и технологических приемов на свойства литьевых полиуретанизоциануратов. / Панова Л.П., Михайлова Л.И, Раппопорт Л.Я. и др., Каучук и резина, 1974. №7, С. 15-17.

42. Behrend T.G. Zur Katalyse von Urethanisozyanurat Polymeren. / Behrend T.G., Joel D., Plast. Und Kautsch., 1976. v. 23, №3, P.l 17-180.

43. Раппопорт Л.Я. Особенности получения эластичных полиуретанизоциануратов. / Раппопорт Л.Я., Андреев В.И., Петров Г.Н., Композ. полим. мат., 1985. Вып.26, С.75-79.

44. Susaki I.T., Yokoyaiaa I., Tan-oka Т. Properties of isocy-anurate Type Crossliked Polyurethanes // J. of-Polym. Science. - 1974. V. II. - P.1765-1779.

45. Антипова В.Ф. Каталитическая деструкция полиуретанов. / Антипова В.Ф., Петров Г.Н., Раппопорт Л.Я., Журнал органической химии, 1973. Вып.1.-С.211-213.

46. Dong Thi., Camberlin Y., Lam T.M. et. al. J.P.Pacault. Synthese et Propriétés de Polyurethanes Reticules pur des Cycles isocyanurates // Die Angewandte Makronuole kulure chemie. 1973. p.III. - P.29-51.

47. Сафиуллина Т.Р. Твердые отходы нефтехимических производств, содержащие оксиды Si, Fe и Al, как альтернативные наполнители литьевых полиуретанов: Дис.к.х.н. 020006. Каз. хим.-техн. ин-т. Казань 2001г. С.121.

48. Сафиуллина Ф.Ф. Использование метода обращенной газовой хроматографии для оптимизации рецептур синтеза полиуретанов. / Сафиуллина Ф.Ф., Зенитова JI.A., Кирпичников П.А. ВМС, Серия А, 2000. т.42, №10, С.1-3.

49. Любартович С. А. Реакционнное формование полиуретанов. / Любартович С.А., Морозов Ю.Л., Третьяков О.Б. М.: Химия, 1990. С.288.

50. Дубинский М.З. Покрывное крашение кож. / Дубинский М.З. М: Легпромбытиздат, 1985. С.120.

51. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений. М.: ГИФМЛ, 1963. С.288.

52. Браверманн Э.М. Структурные методы обработки эмпирических данных. / Браверманн Э.М., Мучник И.Б., М.: Наука, 1983. С.464.

53. Четыркин Е.М. Статистические методы прогнозирования. 2-е изд. -М.: Статистика, 1977. С.200.

54. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. М.: Мир, 1970. С.239.

55. Ахназарова С.Л. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. / Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. М.: Высшая школа, 1985. С.38.

56. Фестер Э. Методы корреляционного и регрессионного анализа / Фестер Э., Ренц Б., Пер. с нем. М.: Финансы и статистика, 1983. С.302.

57. Мостеллер Ф. Анализ данных и регрессия / Мостеллер Ф., Тьюки Дж., Пер. с англ. Под ред. Ю.П.Адлера. М.: Финансы и статистика, 1982, вып. 1. С.317; вып.2.2. С.239.

58. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и в химической технологии. М.: Химия, 1985. С.126.

59. Дунин-Барковский И.В. Теория вероятностей и математическая статистика в технике (общая часть) / Дунин-Барковский И.В., Смирнов Н.В., М.: ГИТТЛ, 1955.

60. BrownleeKA. Statistical Theory and Methodology in Science and Englineering (second edition).- New York, Wiley, 1965, P.545.

61. Woods H. Effect of Composition of Porland on Heat Evolved during Hardening. / Woods H., Steinour H.H., Starke H.R., Industrial and Engineering Chemistry, 24, 1932, P.1207, Table 1.

62. Дрейпер H. Прикладной регрессионный анализ. / Дрейпер Н., Смит Г. М.: Финансы и статистика, 1986. С. 184.

63. Хальд А. Математическая статистика с техническими приложениями. -М.: ИЛИ, 1985. С.156.

64. Фишер P.A. Статистические методы для исследователей. М.: ГСИ, 1958. С.123.

65. Анализ продуктов производства синтетических каучуков/ под ред. Гармонова И.В. M.-JT.r Химия, 1964. - 316с.

66. Композиционные материалы на основе полиуретанов / Под ред. Дж. М. Бьюиста. -М.: Химия, 1982. 240с.

67. Саундерс Дж. X. Химия полиуретанов. Саундерс Дж. X., Фриш К.К., Пер. с англ./ Под ред. С.Г. Энтелиса. М.: Химия, 1968. 470 с.

68. УТВЕРЖДАЮ» Заместитель генерального директора -:енерй завод СК»1. Т.Т.Гатауллин 2004г.1. АКТ

69. Заместитель главного инженера по науке и технологиям ОАО « Казанский завод СК»1. Ю .Н.Хакимуллин1. НИИНЕФТЕПРОМХИМ

70. АЧЫК АКЦИОНЕР ЛЫК ЖЭМГЫЯТЕ

71. ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО1. НИИНЕФТЕПРОМ-ХИМ

72. Тел. [phone] Факс [phone]

73. E-mail: [e-mail] Телекс 224864 PTB SU Телетайп 224331 НЕФТЬ420045 Республика Татарстан г. Казань, ул. Н. Ершова, 29

74. Зам. генерального директора.1. Шаяхметов Д.К.1. АКТ1. Мы, комиссия в составе:

75. Зам. генерального директора по производству ОАО «НИИнефтепром-хим», кандидат химических наук, доцент Шаяхметов Дамир Котлыйах-метович

76. Заведующий отделом промысловой подготовки нефти и защиты оборудования от коррозии ОАО «НИИнефтепромхим», кандидат химических наук Варнавская Ольга Анатольевна

77. Начальник производственного отдела ОАО «НИИнефтепромхим» Воробьёв Владимир Михайлович

78. Составили настоящий Акт в том, что программа, разработанная Федуло-вым Андреем Николаевичем прошла апробацию и может быть использована для моделирования процессов получения алкилфенолформальдегидных смол.1. Подписи:1. Воробьёв В.М.1. Варнавская О.А.