Способ определения характеристик в процессе полимеризации и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения кинетических характеристик процесса полимеризации и коэффициента температуропроводности полимерных материалов. Способ заключается в том, что в процессе полимеризации измеряется температура центра образца в различные моменты времени , а после достижения максимальной адиабатической температуры организуется теплоотвод от одной из поверхностей образца и измеряется распределение температур в образце и температура охлаждаемой поверхности в различные моменты времени . Искомые параметры определяются из условия совпадения измеренных температур с рассчитанными по формулам. Устройство содержит теплоизолированную, выполненную в виде параллелепипеда, форму , систему дозировки, подготовки, заливки исходных компонентов и перемешивания смеси, датчиков для измерения распределения температур в образце, при этом одна из стенок формы теплоизолирована от остальных и на ее поверхности расположен датчик температуры. Теплоизолированная стенка снабжена герметичной рубашкой, соединенной с системами вакуумирования и подачи охлаждающей среды. 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ts1>s G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕ НТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4946593/25 (22) 21.06.91 (46) 30.06,93. Бюл. N 24 (71) Одесский институт ниэкотемпературной техники и энергетики (72) В.А.Календерьян, В.А.Теслюк, С.Г.Шарейко и Т.M,Êó÷èíñêèé (56) Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М,:

Энергия, 1969. 392 с.

Broyer Е, ес all. Curing and Heat Transfer

in Polyurethane Reaction Molding. — Polymer

Engineering and Science, 1978, April. vol. 18, Й 5, р.382 — 387. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК В ПРОЦЕССЕ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения кинетических характеристик процесса полимеризации и коэффициента температуропроводности полимерных материалов.

Способ заключается в том, что в процессе

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для комплексного определения кинетических характеристик процесса полимериэации и теплофи.эических свойств получаемого полимера.

Известен способ определения тепловых и кинетических характеристик процесса полимеризации — порядка и константы скорости реакции, энергии активации, который выбран в качестве прототипа. В данном способе компоненты смеси подогревают до необходимой температуры, дозируют их количество е необходимых стехиометриче... Ю„„1824563 Al полимериэации измеряется температура центра образца в различные моменты времени, а после достижения максимальной адиабатической температуры организуется теплоотвод от одной из поверхностей образца и измеряется распределение температур в образце и температура охлаждаемой поверхности в различные моменты времени. Искомые параметры определяются иэ условия совпадения измеренных температур с рассчитанными по формулам. Устройство содержит теплоизолированную, выполненную в виде параллелепипеда, форму, систему дозировки, подготовки, заливки исходных компонентов и перемешивания смеси, датчиков для измерения распределе-ния температур в образце, при этом одна из стенок формы теплоизолирована от остальных и на ее поверхности расположен датчик температуры. Теплоизолированная стенка снабжена герметичной рубашкой, соединенной с системами вакуумирования и подачи охлаждающей среды. 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл. ских соотношениях и заливают в теплоиэолированную форму. Компоненты тщательно перемешивают. В центре формы размещена термопара, которой измеряют температуру центра образца в начальный момент и через определенный промежутки времени, получая таким образом зависимость t< =

=t(t i), где „-- температура центра образца, С: г1 — время, с.

При этом начало процесса попимеризации принимают через 10 с после начала перемешивания компонентов, а сам опыт проводят в адиабатических условиях.

1824563

I„k0

С11„ (\мах to) 07

+ мах то

+ A A тмах то

R (tu + 273) (1) где Š— энергия активации, Дж/(моль К); R— газовая постоянная, Дж/моль: п — порядок

РЕаКЦИИ; tMax — МаКСИМаЛЬНаЯ аДИабатИЧЕская температура С; то — начальная температура смеси, С; k — константа скорости реакции, с .

Поскольку определяемых параметров три, то для их расчета по (1) необходимо не меньше трех значений температур центра образца при различных z1, В результате параметры рассчитывают из условия совпадения измеренных температур с рассчитанными по формуле (1).

Устройство, реализующее способ, описано также в . Оно включает теплоизолированную (адиабатическую) форму, систему дозировки, подготовки и заливки в форму исходных компонентов, устройство перемешивания смеси, а также термопару, которая устанавливается в центре формы. На данном устройстве и был реализован способпрототип, Недостаток известных способа и устройства заключается в том, что они позволяют определить только лишь характеристики процесса полимеризации и не обеспечивают определения характеристик самого полученного образца, в частности, его коэффициента температуропроводности либо теплопроводности, данные по которым необходимы 1ри оценке возможности и целесообразности использования полученного материала в качестве теплоизоляционого либо конструкционного. Для определения теплофизических свойств полимерных материалов используются совершенно другие экспериментальные способы и устройства, Раздельное изучение процесса полимеризации и получаемых материалов, использование различных устройств осложняет и удорожает исследования, снижает точность получаемых данных, не позволяет в короткий срок провести экспресс-анализ образца. Способы и устройства для комплексного исследования характеристик процесса полимеризации и свойств получаемого материала в технической и патентной литературе не описаны.

Предлагаемые способ и устройство устраняют данные недостатки.

Искомые характеристики (порядок, константа скорости реакции, энергия активации) определяются из уравнения

˄=1 (2 — 1) 2

xгХ) exp f — (— — ") л С,) (2) 30 где Х= 1 — —; х х д — расстояние, отсчитываемое от охлаждаеа тг мой поверхности, м; F = — число Фурье; 2

40 0 — — безразмерная избыточная

t — - tc

tMax ter гемпература; а — коэффициент температуропроводности, м /c; д — толщина образца, г м; тг — время, отсчитываемое от начала про45 цесса охлаждения, с; tc — температура охлаждаемой поверхности образца. С; t— текущая температура в точке с координатой х, С.

При значениях числа Fo 0,3 ряд (2)

5р становится быстросходящимся и распределение температур достаточно точно описывается первым членом ряда

0= — ccs — X ехр — с.) (3)

4 Л гЛ2 л 214

Формулы (2, 3) являются известным решением задачи нестационарной теплопроводности неограниченной пластины при граничном условии первого рода t

Целью настоящего изобретения является расширение информативности способа и реализующего его устройства эа счет дополнительного определения иэ результатов одного опыта коэффициента температуропрс водности образца.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем измерение во времени центра образца в адиабатных условиях и определение кинетических характеристик реакции полимеризации иэ условия совпадения измеренных температур с расчетными дополнительно после достижения максимальной адиабатической

15 температуры организуют теплоотвод от одной иэ поверхностей образца, поддерживают постоянной ее температуру и в различные моменты времени измеряют температуру поверхйости. а также распре20 деление температур в глубине образца в точках, расположенных по нормали к охлаждаемой поверхности на различных расстояниях от нее. Коэффициент температуропроводности материала образца определяют иэ условия совпадения измеренных температур с расчетными

1824563

40

55 ды. Стенка формы, огражденная рубашкой

Поставленная цель может быть достигнута с помощью реализующего предложенный способ устройства, содержащего теплоизолированную форму, систему дозировки, подготовки, заливки исходных компонентов и перемешивания смеси, датчика для измерения температуры центра образца, при этом, для достижения поставленной цели. Одна из боковых стенок формы теплоизолирована от остальных и снабжена герметичной рубашкой, соединенной с системами вакуумирования и подачи охладителя к изолированной стенке, а сама форма выполнена в виде параллелепипеда.

Иэ источников патентной и научно-технической информации не выявлены технические решения, ОЦладающие признаками, отличающими предлагаемое решение от прототипа.

Формула (2) является решением уравнения нестационарной теплопроводности начальные условия: Гг = 0; t = tMax, граничные условия: х = 0; t = t<>

При Fp > 0,3 для удобства обработки экспериментальных данных целесообразно использовать зависимость (3), из которой можно в явной форме получить коэффициент температуропроводности

В принципе, для определения коэффи- циента температуропроводности необходимо измерить температуру в одной точке образца, однако погрешность такого определения будет большой (до 207,). В связи с этим для повышения точности целесообразно измерить распределение температур в образце (не менее чем в.3 — 4 точках).

При реализации способа подогретые и смешанные в необходимых пропорциях компоненты заливают в теплоизолированную форму в которой расположены 3-4 термопары (причем необходимо расположить одну термопару в центре образца, а одну на поверхности, Охлаждаемой во второй фазе опыта). Через заданные промежутки времени измеряют Tr.rn .Рлтуру центра. При достижении rn;ri: i 1:;. яя1 лдиабэтической

30 температуры организуют теплоотвод от одной из поверхностей образца и измеряют распределение температур в различные моменты времени в образце и температуру этой поверхности, Затем по полученным в первой фазе эксперимента (до достижения адиабатической температуры) данным определяют порядок реакции, константу скорости реакции, энергию активации, а по полученным во второй фазе данным — коэффициент температуропроводности.

Таким образом в процессе опыта необходимо измерить . — в первой фазе

1) температуру центра образца в различные моменты времени;

2) промежутки времени, через которое измеряется температура;

3) начальную температуру смеси и концентрации компонентов; — во второй фазе

1) распределение температур в образце в различные моменты времени;

2) температуру охлаждаемой поверхности;

3) промежутки времени, через которые измеряются температуры.

Расположение термопар в образце (координаты) и его размеры, разумеется, должны быть известны.

В первой фазе эксперимента кинетические параметры (искомые) определяются иэ обработки температурной зависимости тц =

f (ti), Во второй фазе коэффициент температуропроводности материала образца onределяется по зависимостям (2, 3).

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью разработанного устройства, предназначенного для комплексного определения характеристик в процессе полимеризации.

На фиг.1 изображена схема такого устройства. Устройство содержит форму 1 в тепловой изоляции 2, герметичную рубашку

3, теплоиэоляционные прокладки 4, систему доэирования, подготовки, заливки исхОдных компонентов и перемешивания смеси 5, системы вакуумирования и подачи охлаждающей среды в секцию 3 (на рисунке не по-, казаны), термопары 6, блок измерения температур 7, холодный спай 8.

Форма 1 представляет собой выполненную в виде параллелепипеда обечайку с установленными в ее объеме и на поверхности теплоиэолированной стенки термопарами

6. Форма покрыта теплоизоляцигй 2. Одна из стенок ее находится в герме1И ной рубашке 3, которая может подключатьгя к системам вакуумирования и подачи охлаждающей сре1824563

3, теплоизолирована от остальных стенок с помощью прокладок 4. Термопары 6 подключены через холодный спай 8 к блоку измерения температур 1, который позволяет снимать показания термопар через определенные промежутки времени с высокой разрешающей частотой (например, при помощи коммутатора Ф вЂ” 799), Расстояние между термопарами, установленными внутри формы, должно быть больше 4 — 5 характерных размеров датчика (спая термопары) для того, чтобы исключить искажение в их показаниях, Описанное устройство работает следующим образом. Рубашка 3 вакуумируется,и форма 1 оказывается теплоизолированной от окружающей среды, B форму 1 с помощью системы 5 подаются компоненты смеси необходимой температуры и в заданных стехиометрических соотношениях.

Компоненты перемешивают мешалкой. С помощью термопары, расположенной в центре формы, через 10 секунд после начала перемешивания (аналогично прототипу) начинают измерять температуру центра образца через заданные промежутки времени.

После достижения максимальной адиабатической температуры в секцию 3 подается теплоноситель, который охлаждает одну иэ стенок формы. При этом начинают измерять распределение температур в образце и температуру охлаждаемой стенки в различные моменты времени (для автоматизации эксперимента целесообразно использовать коммутатор).

Полученные данные используются для определения кинетических характеристик процесса полимеризации и коэффициента температуропроводности материала. При определении коэффициента температуропроводности можно использовать как данные, полученные при значениях F< >0,3, так и при Fo < 0,3, Методика определения

"а" изложена выше.

Предлагаемые способ и устройство дают воэможность экспериментально определить коэффициент температуропроводности с погрешностью 3 — 5 .

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Определение кинетических характеристик процесса полимеризации проводились для режима структурообразования пенополиуретана SYSpur SH 4050 и коэффициент температуропроводности определялся для полученного образца. Устройство для определения искомых параметров представлено на фиг,1, Исследование проводилось в форме с размерами полости в плане 300х300 мм и

55 мого материала, повысить точность и надежность определения, снизить стоимость экспериментальных исследований за счет снижения их продолжительности и удешевления устройства.

Формула изобретения

1. Способ определения характеристик в процесСе полимеризации, включающий измерение во времени температуры центра образца в адиабатических условиях и определение кинетических характеристик реакции полимеризации из условия совпадения измеренных температур с рлсче1ными, о тЛ И Ч а Ю Щ И и С Я ТЕМ. Что, С ЦЕЛЬЯ РаСШИрения информативности <:.1 . Г; я <;лет довысотой (толщиной) 30 мм, в которой осуществлялся процесс вспенивания пенополиуретана фреоном. По высоте формы в четырех точках располагались термопары, 5 предназначенные для измерения температур,образца, В процессе опыта измерялись температуры центра (х = 15 мм) в различные моменты времени, зависимость тц = f(tt) представлена

10 на фиг.2.

Обрабатывая термометрическую кривую tq(ti) по сплайн-"интерполяционной программе с численным дифференцированием, можно получить для каждого момента

15 времени значения производной на всем

ПРОМЕЖУТКЕ ОТ То ДО t ax, ЭТОГО ДОСТаТОЧНО для определения кинетических параметров реакции.

После достижения t ax в рубашку из

20 термостата подавали теплоноситель— трансформаторное масло и измеряли распределение температур в образце в различные моменты времени, а также температуру охлаждаемой поверхности (тца дэ = 32 С).

25 Проведенная затем обработка экспериментальных данных методом последовательных приближений позволила выбрать значения температур при F > 0,3 и по зависимости (5) определить коэффициент темпе30 ратуропроводности (см. таблицу).

Обработка температурной зависимости

Тц = f(t>) (фиг,2) дала возможность определить: порядок реакции п = 2, энергию активации Е = 40,0 кДж/моль, константу

35 скорости реакции ko - 2,82 10 с, Обработка данных по температурам образца в момент времени т2 = 960 с (табл.1) позволила вычислить коэффициент температуропроводности полученного материала

40 а = 0,39 .10 м /с.

Комплексный характер предложенных способа и устройства позволяют определить из одного опыта ряд характеристик процесса полимеризации и самого получае1824563

Результаты измерений и обработки опытных данных (максимальная адиабатическая температура (Max - 176 С, температура охлаждаемой стенки 1ц = 42 С, время после начала охлаждения т2 = 960 с, толщина образца д = 30 мм) охламда Оца я среда охлаждающая ереда к вакуумной системе полнительного определения коэффициента температуропроводности образца, после достижения максимальной адиабатической температуры организуют теплоотвод от одной из поверхностей образца, под. держивают постоянной ее температуру и в различные моменты времени измеряют распределение температур в глубине образца в точках, расположенных на нормали к охлаждаемой поверхности на различных расстояниях от нее, и температуру поверхности и по полученным данным определяют коэффициент температуропроводности.

2. Устройство для определения характеристик в процессе полимеризации, содержащее теплоиэолированную форму. систему дозировки, подготовки, заливки исходных компонентов и перемешивания смеси, датчик для измерения температуры центра

5 образца, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения информативности за счет дополнительного определения коэффициента температуропроводности образца, форма выполнена в виде

10 параллелепипеда, одна из стенок формы теплоизолирована от остальных и снабжена герметичной рубашкой, соединенной с системой вакуумирования и подачи охладителя к ней,при этом на охлаждаемой стенке и в

15 нескольких точках по сечению формы размещены датчики температуры, 1824563

150

Фиг.2

Составитель В, Теслюк

Техред М.Моргентал Корректор В. Петраш

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2222 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5