Влияние концентрации неорганических примесей на механизм окисления по сечению полиакрилонитрильного волокна | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Мурина А. С., Зернышкина А. А., Бирюков В. П. Влияние концентрации неорганических примесей на механизм окисления по сечению полиакрилонитрильного волокна // Молодой ученый. — 2015. — №24.1. — С. 79-82. — URL https://moluch.ru/archive/104/24066/ (дата обращения: 19.09.2018).

 

На рис. 1 приведены экспериментальные графики изменения плотности полиакрилонитрильного (ПАН) волокна по зонам печи термостабилизации в производстве углеродных волокон для пяти партий волокна. Графики показывают, что изменение плотности в процессе термостабилизации может идти как по экспоненциальной кинетической кривой (1-3), так и по сигмоидальной (4,5). Сигмоидальные кинетические кривые обычно имеют место, когда процесс идет в диффузионной зоне по гетерогенному механизму [1].

Большое влияние на прохождение химических процессов в ПАН волокне оказывают примеси. В [2] показано, что одни неорганические примеси приводят к снижению температуры максимума экзоэффекта до 7 - 10 градусов, а другие приводят к возрастанию температуры максимума экзоэффекта и интенсивности экзотермического пика. При этом в зависимости от содержания примесей изменяется уровень температуры, при которой начинаются интенсивные химические процессы окисления ПАН волокна.

В данной работе методом математического моделирования произведено исследование влияния наличия примесей на механизм процесса термостабилизации по плотности.

 

Для этого сечение волокна разбито на n элементарных частей (рис.2). Скорость химических процессов в каждой элементарной части волокна зависят от температуры и уровня примесей.

Содержание примесей в элементарных частях волокна описано нормальным законом распределения [3,4]

                                                   ,                                                                 (1)

где - среднее значение концентрации неоднородностей,

      - дисперсия концентрации неоднородностей.

Кроме концентрации примесей на механизм химических процессов влияют другие неоднородности по содержанию и структуре исходного ПАН волокна (например, количество и состояние пор), поэтому влияние неоднородностей выражено непосредственно зависимостью температуры начала химического процесса от их концентрации. Относительную массу полимера,  в которой  проходит химический процесс при температуре , описано  нормальной функцией распределения:

                                                    ,                                                              (2)

где     - средняя температура начала процесса по сечению волокна;

  - дисперсия температуры начала процесса.

При разбивке сечения на n частей введенная функция позволяет проследить начало и развитие химического процесса в каждой i-й элементарной части полимера при любом законе изменения температуры. Если температура ниже уровня прохождения химического процесса при данном уровне примесей, то химический процесс в данной части не происходит. При достижении соответствующей температуры начинается химический процесс, который при дальнейшем повышении температуры проходит согласно кинетическим закономерностям. Таким образом, введенная функция распределения описывает процесс образования и роста зародышей. Для описания химического процесса использовано уравнение кинетики 1-го порядка, которое записывается для каждой элементарной части полимера [5,6]:

                                       ,                                             (3)

где    - константа кинетики; ,                                                                       (4)

        - установившееся значение плотности для данной температуры. Может быть определено по математической модели, полученной в [7]:

                                              .                                                                      (5)

Средняя плотность ПАН волокна определяется как средневзвешенная плотность всех долей полимера:

                                                 .                                                                            (6)

Функция распределения определяет часть полимера, в которой происходит химический процесс при данной температуре, а уравнение кинетики описывает скорость и глубину прохождения химического процесса в данной доле полимера. Уравнения (2) - (10) представляют собой математическую модель кинетики гетерогенного процесса, учитывающую уровень и распределение неоднородностей в полимере.

На основании данной модели разработана программа в Excel, позволяющая промоделировать различные варианты термической обработки и анализировать механизм

Рис. 3.

 

и динамику изменения средней плотности и ее распределения по сечению. На рис. 3 показаны графики рассчитанных по данной модели изменений плотности в различных долях по сечению волокна при линейном повышении температуры полимера при параметрах распределения неоднородностей =2050С и =50С. Данные показывают неоднородность волокна по плотности. Утолщенной линией на графике показана средневзвешенная  плотность по сечению образца. Изменение средней плотности во времени имеет сигмоидальный вид. Это показывает, что сигмоидальность может иметь место при наличии кинетики первого порядка вследствие неоднородности прохождения химического процесса по сечению полимера по причине неоднородности состава полимера.

На рис. 4 приведены расчетные кривые изменения средней плотности ПАН сополимера при линейном увеличении температуры термообработки при различных начальных значениях температуры 180, 190,… , 220 0С, которые показывают, что при повышении начальной температуры обработки полимера имеет место постепенный переход от сигмоидального процесса к экспоненциальному. Это означает, во-первых, что равномерность процесса повышается при повышении начальной температуры обработки, т.к. при более высоких температурах процесс начинается в большей части сечения полимера, во-вторых, построенная модель может описывать и экспоненциальные и сигмоидальные процессы.

На рис. 5 приведены результаты моделирования процесса при увеличении начального содержания примесей, которые показывают, что при одной температуре режима обработки при увеличении в полимере содержания неоднородностей кинетическая кривая вначале от экспоненциальной переходит в сигмоидальную, затем сигмоидальность все более увеличивается.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что одной из причин гетерогенности химических процессов, проходящих при термостабилизации ПАН волокна в производстве углеродного волокна, может быть наличие примесей в исходном ПАН волокне. Изменение концентрации примесей в исходном ПАН волокне может быть причиной экспериментально выявленного изменения механизма химических процессов по плотности от экспоненциального (квазигомогенного) до сигмоидального (гетерогенного).

 

Литература:

  1. Дельмон Б. Кинетика гетерогенных реакций. -М.: Мир, 1972. -556 с.
  2. Рыскина И.И., Бирюков В.П. и др. Неоднородность структуры и свойств технического полиактилонитрильного жгута // Углеродные и другие жаростойкие, электропроводные волокна, композиционные материалы и их применение в народном хозяйстве: Материалы II Межотрасл. науч.-техн. конф. - Мытищи, 1991. - С. 259-264.
  3. Дерффель К. Статистика в аналитической химии. М.:Мир, 1994.-268с.
  4. Прикладной статистический анализ/ Алексахин С.В., Балдин А.В. и др. М.:Приор,2001.-224с.
  5. Варшавский В.Я. Кинетика и механизмы термических превращений ПАН волокон, М.:НИИТЭХИМ, 1989, -60 с.
  6. Бирюков В.П. Кинетика процесса окисления ПАН волокна // Химия и физика полимеров в начале ХХI века: Тезисы докл. Второго Всероссийского Каргинского симпозиума. - Черноголовка, 2000. – С. 54.
  7. Бирюков В.П. Оптимизация процесса термостабилизации при получении углеродного волокна на основе ПАН. Автореферат дисс.докт.техн. наук. ФГУП «НИИГрафит». М. 2002.44с.
Основные термины (генерируются автоматически): химический процесс, ПАН волокна, сечение волокна, процесс, элементарная часть волокна, элементарная часть полимера, средневзвешенная плотность, содержание примесей, уравнение кинетики, уровень примесей.


Похожие статьи

Исследование влияния замедлителей горения на...

Основные термины (генерируются автоматически): ПАН волокна, процесс окисления, волокно, интервал температур, ПАН волокон, полифосфат аммония

Влияние концентрации неорганических примесей на механизм окисления по сечению полиакрилонитрильного волокна.

Кинетика изменения прочности волокна при хранении...

Очилов Т. А. Кинетика изменения свойств волокна в процессах хранения и первичной переработки хлопка сырца. Т: «Фан», Академ наук республики Узбекистан 2002.

Ферментативная гидролизуемость и механическая прочность...

Основной составной частью хлопкового волокна является целлюлоза, которая образуется в день цветения хлопчатника. По мере роста и развития волокна растет количественное содержание целлюлозы.

На рис.3 представлены результаты кинетики, по влиянию...

Определение физических параметров радиационных процессов...

Изучение процессов взаимодействия когерентных излучений с прозрачной средой, особенно с оптическим волокном, резко расширило область

Анализ рентгеновских спектров в оптической волокне проводится по методике разделение образца на элементарной ячейки.

Влияние различной верхней средней длины волокна на...

Для оценки качества волокна на прядильном производстве большое значение также имеет такой показатель, как неровнота.

Теория процессов технология и оборудование прядения хлопка и химических волокон.

Анализ химических аспектов модификации волокон целлюлозы

Ключевые слова: бумага, целлюлоза, волокна, процессы модификации, свойства. Одним из направлений развития современной химии полимеров является модификация полимеров для получения материалов с новыми, заранее заданными свойствами.

Количественные параметры сорбции замедлителей горения...

Процесс модификации кондиционного волокна осуществлялся методом пропитки волокна водными растворами ОГЗС содержащих от 10 до

Для установления параметров модификации проводилось исследование кинетики сорбции ЗГ ПАН волокном для составов ОГЗС-1 и...

Анализ химического состава гидрофобизирующих материалов...

В зависимости от исходного сырья содержание амилозы составляет от 10 до 30 % [3, 7].

7. Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Исследование влияние химического состава углеводородной части различных видов целлюлозных волокон на физико-механические...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Исследование влияния замедлителей горения на...

Основные термины (генерируются автоматически): ПАН волокна, процесс окисления, волокно, интервал температур, ПАН волокон, полифосфат аммония

Влияние концентрации неорганических примесей на механизм окисления по сечению полиакрилонитрильного волокна.

Кинетика изменения прочности волокна при хранении...

Очилов Т. А. Кинетика изменения свойств волокна в процессах хранения и первичной переработки хлопка сырца. Т: «Фан», Академ наук республики Узбекистан 2002.

Ферментативная гидролизуемость и механическая прочность...

Основной составной частью хлопкового волокна является целлюлоза, которая образуется в день цветения хлопчатника. По мере роста и развития волокна растет количественное содержание целлюлозы.

На рис.3 представлены результаты кинетики, по влиянию...

Определение физических параметров радиационных процессов...

Изучение процессов взаимодействия когерентных излучений с прозрачной средой, особенно с оптическим волокном, резко расширило область

Анализ рентгеновских спектров в оптической волокне проводится по методике разделение образца на элементарной ячейки.

Влияние различной верхней средней длины волокна на...

Для оценки качества волокна на прядильном производстве большое значение также имеет такой показатель, как неровнота.

Теория процессов технология и оборудование прядения хлопка и химических волокон.

Анализ химических аспектов модификации волокон целлюлозы

Ключевые слова: бумага, целлюлоза, волокна, процессы модификации, свойства. Одним из направлений развития современной химии полимеров является модификация полимеров для получения материалов с новыми, заранее заданными свойствами.

Количественные параметры сорбции замедлителей горения...

Процесс модификации кондиционного волокна осуществлялся методом пропитки волокна водными растворами ОГЗС содержащих от 10 до

Для установления параметров модификации проводилось исследование кинетики сорбции ЗГ ПАН волокном для составов ОГЗС-1 и...

Анализ химического состава гидрофобизирующих материалов...

В зависимости от исходного сырья содержание амилозы составляет от 10 до 30 % [3, 7].

7. Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Исследование влияние химического состава углеводородной части различных видов целлюлозных волокон на физико-механические...

Задать вопрос