Введение к работе
Актуальность темы
В процессах получения и эксплуатации новых полимерных материалов на основе химических нитей, волокон, текстильных полотен и пластиков в них происходят значительные перестройки в цепях макромолекул.
Для характеристики структурных параметров и химических изменений в полупродуктах и готовых материалах , которые происходят в процессе получения изделий, используются инструментальные методы анализа: рентгенография, термография, хроматография, ИК-, КР-, УФ-спектроскопия и прочие. 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 многих факторов процессов измерений и анализа.
Разработка алгоритмов и реализация их в структурной и полимерной химии позволяет выдвигать реальные требования к исходному сырью, анализу технологических переходов синтеза полимерной системы, её переработки в нитеобразное состояние для создания материалов в виде тканей, намоточных изделий и композитов.
Для исследований в данной работе были выбраны волокнообразующие системы на основе ароматических полиамидов. Такие изделия уже нашли широкое распространение в авиа- и ракетостроении, атомной промышленности,
при изготовлении средств индивидуальной защиты.
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 системы анализа в химии и технологии получения полимерной продукции потребовали новых подходов с целью автоматизации контроля технологических процессов и повышения достоверности его результатов с помощью средств вычислительных технологий.
Для максимально возможного снижения влияния систематических погрешностей измерений необходим комплексный подход к его устранению. Необходим учёт правильности, прецизионности, повторяемости и приемлемости результатов измерений. Для этого необходимо выявление систематических погрешностей измерений, их учёт, а также нахождение приёмов снижения погрешностей. Только общий подход к роли показателей прецизионности в оценке качества измерений обеспечивает получение надлежащих количественных характеристик измеряемых величин состава и свойств многокомпонентных систем – от исходного сырья до готовых изделий. 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 компьютерной системы, автоматизирующей определение характеристик и количественного состава арамидных полимерных систем на основе анализа структурно-химических изменений в цепях макромолекул. химических волокон и издеклий на их основе, получивших широкое распространение для создания сверхпрочных высокотермостойких изделий.
Цели и задачи работы
Целями настоящей диссертационной работы являются:
исследование математических методов анализа фрагментов полимерных многокомпонентных систем, инвариантных по отношению к возникающим систематическим и случайным погрешностям спектральных измерений;
создание вычислительного инструментария, автоматизирующего вышеуказанные методы;
апробирование возможностей автоматизированного метода исследований на практике получения арамидных материалов.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научно-технические задачи:
-
Проведен анализ спектральных методов определения состава и свойств многокомпонентных систем (ИК, УФ, КР, рентгенография, термография) и возникающих инструментальных погрешностей спектральных измерений волокнистых материалов.
-
Разработаны модели учёта систематических и случайных погрешностей измерений.
-
Разработаны алгоритмы интерактивного определения характеристических параметров в исследуемых многокомпонентных системах с целью 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.
-
Проведен эксперимент по интерактивному исследованию многокомпонентных систем с применением разработанного программного комплекса.
-
Проведено апробирование спектральных методов анализа в процессах получения арамидных нитей и тканей для изготовления композитов на их основе.
Методы и объекты исследования
В работе использованы методы спектрального анализа, математического и компьютерного моделирования, методы проектирования и разработки программных систем. Разработанные алгоритмы опираются 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 проводили с использованием ИК Фурье-спектрометра «Инфралюм ФТ-02». Данные по термическому анализу произведены на приборе DSC-1 Mettler Toledo. Рентгенографические характеристики получены на дифрактометре «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 С++ в среде разработки MS Visual Studio 6.
Научная новизна
В результате выполнения диссертационной работы
- впервые разработан, алгоритмически описан и апробирован метод «внутренней стандартизации» при использовании инструментальных методов спектроскопии, рентгенографии, дифференциальной сканирующей калориметрии для системы ряда компонентов, позволяющий производить анализ свойств многокомпонентных систем при значительном уменьшении влияния систематических и случайных погрешностей измерений.
Впервые осуществлены приемы введения поправок к спектральному анализу нитей, волокон, пленок, как следствие учета влияния рассеянного электромагнитного излучения объектами, их формами поперечного сечения, "проскока" света 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 структурно-химических изменений в многокомпонентных системах в интерактивном режиме.
На защиту выносится:
-
Метод учёта и снижения влияния систематических ошибок измерений физических параметров для образцов нитей с непрямоугольным сечением слоёв 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 арамидая нить гомо- или сополимерной природы- активная среда;
-
выявление отклонений в спектральных характеристиках исследуемых многокомпонентных систем от расчётных показателей аддитивной картины.
-
-
Результаты практических исследований полимерных систем, проведённых при помощи разработанного программного комплекса.
Практическая значимость
Практическая значимость работы заключается в использовании моделей минимизации влияния погрешностей и разработанного с их учётом программного комплекса для автоматизированной обработки аналитического материала, полученного различными физическими методами измерений характеристик полимерных волоконных и пленочных материалов на основе арамидов.
Областями применения данного подхода, в частности, являются:
анализ известных 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, пленок, тканей ;
идентификация и характеристика готовых материалов на основе индивидуальных компонентов;
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 при автоматизации контроля процессов производства полимерных волокон, а также в учебных целях по программам материаловедения.
Апробация работы
Материалы 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).
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.
