Введение к работе
Актуальность работы
Сверхпрочные и высокотермостойкие волокнообразующие системы на основе ароматических полиамидов имеют широкое применение в авиа- и ракетостроении, атомной промышленности, при изготовлении средств индивидуальной защиты. В процессах производства данных материалов важной задачей является контроль количественного состава компонентов, составляющих волоконную систему.
Для определения структурных параметров в полупродуктах и готовых материалах используются инструментальные методы анализа: рентгенография, термография, хроматография, ИК-, КР-, УФ-спектроскопия. Применение этих методов позволяет производить вычисления и расчёты важных параметров структуры материалов и прогнозирование их эксплуатационных свойств на основе этих расчётов. Однако, каждый из этих методов анализа в той или иной степени подвержен влиянию погрешностей измерений, имеющих природу не только случайных, но и систематических ошибок, зависящих от ряда факторов процессов измерений и анализа.
Учитывая уникальные свойства волокон этой группы на всех этапах получения готовых изделий, требуется тщательный контроль качества исходных материалов, технологических сред и готовой продукции с достаточной степенью надёжности.
Существующие методы анализа в химии и технологии получения полимерной продукции нуждаются в дополнении с целью автоматизации контроля технологических процессов и повышения достоверности его результатов с помощью разработки соответствующих алгоритмических методов анализа и их использования средствами вычислительных технологий.
Для максимально возможного снижения влияния систематических погрешностей измерений необходим комплексный подход к его устранению. Необходим учёт правильности, прецезионности, повторяемости и приемлемости результатов измерений. Для этого требуется выявление природы возникновения систематических погрешностей измерений, их количественный анализ и построение приёмов снижения влияния данного вида погрешностей. Такой подход позволяет включать данные инструментального контроля в технологические регламенты уже существующих и новых процессов производства.
Актуальной задачей по реализации данного подхода является разработка программного комплекса, автоматизирующего определение количественного состава арамидных полимерных систем и областей структурных изменений на основе данных спектрального анализа, а именно - спектров пропускания.
Цели и задачи исследования
Целями настоящей диссертационной работы являются: исследование математических методов анализа спектральных данных многокомпонентных систем, инвариантных по отношению к
возникающим систематическим и случайным погрешностям спектральных измерений;
создание вычислительного инструментария, автоматизирующего вышеуказанные методы;
апробирование возможностей автоматизированного метода анализа в практике получения арамидных материалов.
Для достижения поставленных целей в работе решены следующие научно-технические задачи:
-
Проведён анализ спектральных методов определения состава и свойств многокомпонентных систем (ИК, КР, УФ, рентгенография, термография) и возникающих инструментальных погрешностей спектральных измерений волокнистых материалов.
-
Разработана математическая модель учёта систематических и случайных погрешностей измерений - метод «внутренней стандартизации».
-
Разработан алгоритм интерактивного определения состава исследуемых многокомпонентных систем и областей структурных изменений при минимизации влияния погрешностей измерений.
-
Создан программный комплекс по решению задач определения состава многокомпонентных систем и выявления отклонений, происходящих в результате структурно-химических изменений в них.
-
Проведено экспериментальное апробирование проведения интерактивного исследования многокомпонентных систем с применением разработанного программного комплекса, показавшее высокую достоверность полученных результатов (погрешность меньше 1%).
Методы и объекты исследования
В работе использованы методы спектрального анализа, математического и компьютерного моделирования, методы проектирования и разработки программных систем. Разработанный алгоритм опирается на классические методы линейной алгебры, операционного исчисления, численные методы, корреляционный анализ.
Объектом исследования явилась технологическая схема получения арамидных систем и изделий в виде нитей, волокон, тканей и композитов на основе арамидных систем.
Спектральные исследования проводились с использованием ИК Фурье-спектрометра «Инфралюм ФТ-02». Данные по термическому анализу произведены на приборе DSC-1 Mettler Toledo. Рентгенографические характеристики получены на диффрактометре «Дрон-3».
Модели учёта систематических и случайных погрешностей измерений проработаны с использованием средств пакета Mathematica 5.1. Для графического представления автоматизируемых процессов использовалась методология функционального моделирования IDEF0. Программный комплекс
реализован на языке программирования C++ в среде разработки MS Visual Studio 6.
Научная новизна работы
В результате выполнения диссертационной работы разработан, алгоритмически описан и апробирован метод внутренней стандартизации при использовании инструментальных методов спектроскопии для системы ряда компонентов, позволяющий производить анализ состава многокомпонентных систем при значительном уменьшении влияния систематических и случайных погрешностей измерений.
Впервые на практике осуществлены приёмы введения поправок к данным спектрального анализа нитей, волокон, плёнок, как следствие учёта влияния рассеяния электромагнитного излучения объектами, геометрии поперечного сечения, эффекта прохождения света через образец без его поглощения.
Проведена оптимизация аналитических приёмов для оценки точности измерений физических величин, полученных спектральными методами исследования.
Впервые разработан и реализован подход к автоматизированному решению задач определения количественного состава и выявления областей структурных изменений в многокомпонентных системах в интерактивном режиме.
На защиту выносятся:
-
Метод учёта и снижения влияния систематических ошибок измерений спектральных параметров образцов нитей с непрямоугольным сечением слоев или имеющих спектральный эффект прохождения световой энергии мимо поглощающих центров;
-
Программный комплекс, реализующий в интерактивном режиме:
алгоритм метода «внутренней стандартизации»;
решение задачи определения количественного состава многокомпонентных системы «арамидная нить - активная среда»;
выявление областей отклонений от расчётных показателей аддитивной картины в спектральных характеристиках исследуемых многокомпонентных систем.
3. Результаты практических исследований арамидных материалов,
проведённых при помощи разработанного программного комплекса.
Практическая значимость работы заключается в использовании моделей минимизации влияния погрешностей и разработанного с их учётом программного комплекса для автоматизированной обработки аналитического материала, полученного спектральными методами измерений характеристик полимерных волоконных и плёночных материалов на основе арамидов.
Областями применения данного подхода, в частности, являются:
анализ известных отечественных арамидных сверхпрочных термостойких нитей СВМ, Армос, Русар, Руслан и создание автоматической системы анализа инструментальными методами новых полимерных систем из отличающихся по природе и ассортименту волокон, плёнок, тканей;
идентификация и характеристика готовых материалов на основе индивидуальных компонентов в виде нитей и плёнок текстильных полотен;
нахождение отклонений от аддитивной картины в структуре многокомпонентных систем, возникающих за счёт изменений в ходе их физико-механических преобразований и структурно-химических превращений.
Разработанный программный комплекс предусматривает широкую сферу применения для научных исследований, направленных на создание новых волокон и материалов на их основе и на автоматизацию контроля процессов производства полимерных волокон, а также в учебных целях по программам материаловедения.
Апробация работы
Материалы, положенные в основу диссертационной работы, докладывались и обсуждались на:
VI международном научно-практическом семинаре «Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоёмкие технологии и материалы (SMARTEX-2003)» (г. Иваново, ИГТА);
Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в текстильной промышленности (ИНФОТЕКСТИЛЬ-2004)» (г. Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина);
VII международном научно-практическом семинаре «Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоёмкие технологии и материалы (SMARTEX-2004)» (г. Иваново, ИГТА).
Разработанный программный комплекс апробирован в процессах производства арамидных материалов на предприятии ОАО «Каменскволокно».
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах, включённых в перечень рецензируемых ВАК.
Объём и структура работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав и выводов на 82 страницах и содержит 29 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 80 наименований.
