Способ определения характеристик в процессе полимеризации и устройство для его осуществления

(5)5 6 01 й 25/1 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕ НТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ СКОМУ ЕТЕЛЬСТВУ А теплоиэотщательно размеще- темперай момент ки времемость тц = а образца,имериэае начала ам опыт(71) Одесский институт ниэкотемпературнойтехники и энергетики(56) Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М,:Энергия, 1969. 392 с.Вгоуег Е, ет а. СцгЛц апб Неат Тгапзеги Роуцгейапе Йеастоп МоОп 9. - РоугпегЕпдпеегп 9 апб Ясепсе, 1978, Арг. чо. 18,Й 5, р.382 - 387,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК В ПРОЦЕССЕ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ИУСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения кинетических характеристик процессаполимеризации 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 полимериэации - 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 5 О 1824563 А 1 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 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,ских соотношениях и заливают в лированную форму. Компоненты перемешивают. В центре формы на термопара, которой измеряют туру центра образца в начальны и через определенный промежут ни, получая таким образом зависи =т(р), где тц.- температура центр С: г - время, с.При этом начало процесса по ции принимают через 10 с пос перемешивания компонентов, а проводят в адиабатических усповгде Е - энергия активации, Дж/(моль К); В - газовая постоянная, Дж/моль: п - порядок реакции; смах - максимальная адиабатическая температура С; то - начальная температура смеси, С; Ко - константа скорости реакции, с.Поскольку определяемых параметров три, то для их расчета по (1) необходимо не меньше трех значений температур центра образца при различных т 1, 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 бь 1 л реализован способ- прототип,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 при 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 Целью настоящего изобретения является расширение информативности способа и реализующего его устройства эа счет дополнительного определения иэ результатов5 одного опыта коэффициента температуроправодности образца.Поставленная цель достигается тем, чтов известном способе, включающем измерение во времени центра образца в адиабат 10 ных условиях и определение кинетическиххарактеристик реакции полимеризации иэ условия совпадения измеренных температур с расчетными дополнительно после достижения максимальной адиабатической15 температуры организуют теплоотвод отодной из поверхностей образца, поддерживают постоянной ее температуру и в различные моменты времени измеряют температуру поверхйости, а также распре 20 деление температур в глубине образца вточках, расположенных по нормали к охлаждаемой поверхности на различных расстояниях от нее. Коэффициент температуропроводности материала образца опре 25 деляют иэ условия совпадения измеренныхтемператур с расчетными3035 где Х = 1 -- безразмерная координата; ххд- расстояние, отсчитываемое от охлаждаеаггмой поверхности, м; Го = - число Фурье;240 0 -- безразмерная избыточнаят -тмах тстгемпература; а - коэффициент температуропроводности, м /с; д - толщина образца,гм; 72 - время, отсчитываемое от начала про 45 цесса охлаждения, с; сст - температура охлаждаемой поверхности образца. С; 1 -текущая температура в точке с координатойх, С.При значениях числа Ро0,3 ряд (2)50 становится быстросходящимся и распределение температур достаточно точно описывается первым членом рядаВ: - сок - Х ехр - С, (3)4 Л гдгл 2 1455Формулы (2, 3) являются известным решением задачи нестационарной теплопроводности неограниченной пластины приграничном условии первого рода= сопзти начальнОм уСлОвии 1 о = 1 мах,1824563 ж- = - (4)М дтг гх= д;( - )=О.М дх 35 40 45 50 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 тепло- изолирована 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, обладающие признаками, отличающими предлагаемое решение от прототипа.Формула (2) является решением уравнения нестационарной теплопроводности начальные условия; тг = О; т = трах,граничные условия: х = О; т = (ст При Р 00,3 для удобства обработки экспериментальных данных целесообразно использовать зависимость (3), из которой можно в явной форме получить коэффициент температуропроводности В принципе, для определения коэффициента температуропроводности необходимо измерить температуру в одной точке образца, однако погрешность такого определения будет большой (до 200). 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 эвдлнные промежутки времени измеряют тс.г 1 вс;рвтуру центра, При достижении мя1: и лдиабэтической 10 15 20 25 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 фазе1) температуру центра образца в различные моменты времени;2) промежутки времени, через которое измеряется температура;3) начальную температуру смеси и концентрации компонентов;- во второй фазе1) 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 = 1 ( ю 1), Во второй фазе коэффициент температуропроводности материала образца определяется 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 доэировдния, 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 теплоизоляциой 2. Одна из стенок ее находится в герме 1 и ной рубашке 3, которая может подключатьгя к системам вакуумирования и подачи охлаждающей сре 18245633, теплоизолирована от остальных стенок спомощью прокладок 4. Термопары 6 подключены через холодный спай 8 к блоку измерения температур 7, который позволяетснимать показания термопар через определенные промежутки времени с высокойразрешающей частотой (например, при помощи коммутатора Ф - 799),Расстояние между термопарами, установленными внутри формы, должно бытьбольше 4 - 5 характерных размеров датчика(спая термопары) для того, чтобы исключитьискажение в их показаниях,Описанное устройство работает следующим образом. Рубашка 3 вакуумируется,иформа 1 оказывается теплоизолированнойот окружающей среды, В форму 1 с помощью системы 5 подаются компонентысмеси необходимой температуры и в заданных стехиометрических соотношениях.Компоненты перемешивают мешалкой, Спомощью термопары, расположенной вцентре формы, через 10 секунд после началаперемешивания (аналогично прототипу) начинают измерять температуру центра образца через заданные промежутки времени.После достижения максимальной адиабатической температуры в секцию 3 подаетсятеплоноситель, который охлаждает одну иэстенок формы. При этом начинают измерятьраспределение температур в образце и температуру охлаждаемой стенки в различныемоменты времени (для автоматизации эксперимента целесообразно использоватькоммутатор).Полученные данные используются дляопределения кинетических характеристикпроцесса полимеризации и коэффициентатемпературопроводности материала, Приопределении коэффициента температуропроводности можно использовать как данные, полученные при значениях Г 0,3, таки при Е0,3, Методика определения"а" изложена выше.Предлагаемые способ и устройстводают воэможность экспериментально определить коэффициент температуропроводности с погрешностью 3 - 5 ф .Изобретение иллюстрируется следующим примером.Определение кинетических характеристик процесса полимеризации проводилисьдля режима структурообразования пенополиуретана 5 УЯрог 5 Н 4050 и коэффициенттемпературопроводности определялся дляполученного образца, Устройство для определения искомых параметров представленона фиг,1,Исследование проводилось в форме сразмерами полости в плане 300 х 300 мм и45 50 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 расчетными, о тл и ч а ю щ и й с я тем. что, с цельч расширения информатиенос:ти ,с; Г:; : .лет до. высотой (толщиной) 30 мм, в которой осуществлялся процесс вспенивания пенополиуретана фреоном. По высоте формы вчетырех точках располагались термопары,5 предназначенные для измерения температур,образца,В процессе опыта измерялись температуры центра (х = 15 мм) в различные моментывремени, Зависимость тц = ф 1) представлена10 на фиг.2,Обрабатывая термометрическую кривую 1 ц(7) по сплайн-"интерполяционнойпрограмме с численным дифференцированием, можно получить для каждого момента15 времени значения производной на всемпромежутке от то до тмах, ЭТОГО достаточнодля определения кинетических параметровреакции.После достижения тмах в рубашку из20 термостата подавали теплоноситель -трансформаторное масло и измеряли распределение температур в образце в различные моменты времени, а также температуруохлаждаемой поверхности (тмасла = 32 С).25 Проведенная затем обработка экспериментальных данных методом последовательных приближений позволила выбратьзначения температур при Г0,3 и по зависимости (5) определить коэффициент темпе 30 ратуропроводности (см. таблицу).Обработка температурной зависимости1 ц = т(г 1) (фиг,2) дала возможность определить: порядок реакции п = 2, энергию активации Е = 40,0 кДж/моль, константу35 скорости реакции" 2,82 10 с ,Обработка данных по температурам образца в момент времени т 2 = 960 с (табл.1)позволила вычислить коэффициент температуропроводности полученного материала40 а =0,39 10 м /с.Комплексный характер предложенныхспособа и устройства позволяют определить из одного опыта ряд характеристикпроцесса полимеризации и самого получае1824563 Результаты измерений и обработки опытных данных (максимальная адиабатическая температура тмзх - 176 С, температура охлаждаемой стенки 1 ц = 42 С, время после начала охлаждения т 2 = 960 с, толщина образца д = 30 мм)к вакуумно ламдаоцвясреда хлаадающа ередастемполнительного определения коэффициента температуропроводности образца, после достижения максимальной адиабатической температуры организуют теплоотвод от одной из поверхностей образца, под. держивают постоянной ее температуру и вразличные моменты времени измеряют распределение температур в глубине образца в точках, расположенных на нормали к охлвждаемой 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, сцелью расширения информативности за счет дополнительного определения коэффициента температуропроводности образца, форма выполнена в виде 10 параллелепипеда, одна из стенок формытеплоизолирована от остальных и снабжена герметичной рубашкой, соединенной с системой вакуумирования и подачи охладителя к нейпри этом на охлаждаемой стенке и в 15 нескольких точках по сечению формы размещены датчики температуры,1824563 150 Фиг,2 Составитель В, ТеслюкТехред 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. Раушская наб 4/5