XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Моделирование процесса полимеризации эпоксидной смолы
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Эпоксидные смолы нашли широкое применение в нашей жизни: в авиастроении, машиностроении, декоративном творчестве, быту, строительстве и других отраслях. Словосочетание «эпоксидная смола» в настоящее время всё чаще употребляется не в контексте строительных работ, а в работе дизайнеров и мастеров. Она является новым материалом для создания различных предметов искусств, в том числе, имеющих декоративное значение. В связи с этим исследование их свойств крайне важно. К сожалению, их экспериментальное изучение не всегда возможно в полной мере. Как и сейчас, в связи с пандемией не все имеют доступ в лаборатории. Здесь на помощь приходит математическое моделирование. Я знаю базовые принципы работы с эпоксидными смолами, технику безопасности и меры предосторожности. Мне стало интересно, какое же влияние на человека оказывает не застывшая смесь эпоксидной смолы и отвердителя? Как обезопасить себя при работе с этим веществом? Как протекает реакция взаимодействия двух компонентов? Какие параметры учитываются в компьютерном моделировании и как работать в программе MathCad? И другие не менее интересные вопросы. Так и появилась тема проекта.
Гипотеза: должны совпасть результаты компьютерного и лабораторного экспериментов по моделированию процесса полимеризации эпоксидной смолы.
Объект исследования: эпоксидная смола.
Предмет исследования: реакция взаимодействия эпоксидной смолы с отвердителем. (рис.1)
Цель исследования: изучить кинетику процесса полимеризации эпоксидной смолы в домашней лаборатории с применением математического моделирования.
Задачи:
Изучить литературу по эпоксидной смоле и реакцию полимеризации;
Изучить литературу по технике безопасности при работе со смолой;
Ознакомиться с методами математического моделирования химических реакций;
Составить математическую модель, описывающую процесс полимеризации во времени;
Уточнить параметры модели из литературных источников;
Провести компьютерный и лабораторный эксперимент, сравнить результаты.
Методы:
- Теоретический (моделирование, анализ);
- Эмпирический (наблюдение, сравнение, лабораторный и компьютерный эксперимент);
- Математический (метод Монте-Карло1).
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Эпоксидная смола и реакции полимеризации
Слово «смола» обычно ассоциируется с природным происхождением вещества, но в данном случае речь идет только о химическом продукте. Внешне глазурь представляет собой прозрачный материал, в состав которого входит два компонента: эпоксидная смола и отвердитель. При соединении вещества вступают в реакцию, полимеризуясь друг с другом. Пока компоненты жидкие, в смесь можно добавлять твердые предметы, цветы, красители и прочие материалы. Изделия получаются идеально прозрачными, похожими на стекло, после полного отверждения смолы.
Пары эпоксидной смолы вредны для здоровья человека, но в застывшем виде она безвредна.
Эпоксидная смола стойка к коррозии, очень прочна и долговечна, реагирует со всеми шероховатыми поверхностями. В зависимости от предназначения имеет разные свойства: от бесцветного до насыщенно-желтого и винно-красного цвета, низкую и высокую вязкость, разную температуру отверждения. Этот современный химический материал имеет большую популярность среди мастеров в самых разнообразных сферах деятельности, например:
- Пропитка стеклоткани (электротехника, авиаотрасли и т.д.);
- Покрытие для гидроизоляции (бассейны, подвалы);
- Химически-стойкие покрытия;
- Дизайнерские работы;
- Стеклопластиковые изделия;
- Лакокрасочные материалы, грунтовка, эпоксидный клей;
- Заливка полов, столешниц, досок и т.д.
Эпоксидная смола, как вещество, начинает свою историю с 1908 года2. В это время российский химик Н.А. Прилежаев впервые осуществил реакцию окисления алкенов. Продукт, получившийся в результате реакции с надкислотами (слово «эпоксидная» произошло от греческих «epi» — «над» и «oxy» — «кислый»), после взаимодействия с отвердителями превращался в полимер. В 30-е годы прошлого века немецким ученым П. Шлаком был запатентован метод получения полиаминов, которые образовывались при реакции эпоксидных соединений с аминами. Эти соединения отличались наличием нескольких эпоксидных групп в одной молекуле. Швейцарский химик П. Кастан получил неплавкое вещество, способное переходить в нерастворимое состояние. Когда химическая промышленность добилась некоторых успехов, новый материал стали активно использовать для создания протезов зубов. Патент на этот материал получила швейцарская компания Ciba. Американцы проводили параллельные исследования в области получения эпоксидных смол. С. Гриндли были получены аналогичные материалы. В промышленном масштабе смолу начали выпускать в 1947 году. Уже за первые 15 лет его объем увеличился в несколько раз. В России производство эпоксидных смол началось в 60-ых годах прошлого века. Крупные заводы химической промышленности были открыты в Котовске, Дзержинске, Уфе, Ленинграде и Сумгаите. Они и сегодня составляют остов российского химпрома по производству композитных материалов. Помимо этого, после кризиса 90-х были образованы совместные предприятия, производящие эпоксидную смолу бытового назначения.
Чаще всего, эпоксидная смола – это диэпоксид, который получают в результате реакции поликонденсации фенола и эпихлоргидрина. Отвердитель – диамин, амин или ангидрид. Застывшая смола получается в результате реакции полимеризации при взаимодействии двух компонентов (рис. 1).
Р еакция полимеризации – реакция образования полимера путем объединения огромного числа молекул мономера.
Рис. 1. Реакция полимеризации эпоксидной смолы
1.2. Техника безопасности при работе с эпоксидной смолой
При работе со смолой нужно использовать средства индивидуальной защиты и соблюдать меры предосторожности3.
- Нужно работать в перчатках и закрывающей кожные покровы одежде, так как при попадании смолы на кожу могут появиться ожоги, раздражение и сыпь.
- Пары, образующиеся при застывании смолы, пагубно влияют на организм человека, из-за чего нужно работать исключительно в респираторе и защитных очках.
- Место проведения работ должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией, либо хорошо проветриваемо.
Неспроста на флаконах с эпоксидной смолой и отвердителе пишут: «ОСТОРОЖНО! При попадании на кожу и глаза вызывает раздражение!» (см. приложение 1)
При несоблюдении техники безопасности у работников выявляются фарингиты, риниты, поражения бронхо-легочной системы, бронхиальная астма, бронхиты и поражения легочных путей. Возникают проблемы в работе органов ЖКТ, поражение и развитие патологий сердечной мышцы (миокард), заболевания печени и почек.
Смесь компонентов А+В (смола +отвердитель) не предполагают летального исхода, если не употреблять эпоксидную смолу внутрь.
ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1. Лабораторный эксперимент
В домашней лаборатории были проведены 3 опыта при различных температурах (см. приложение 2). К эпоксидной смоле был добавлен отвердитель, после чего мы засекли время ее отверждения при различных температурах.
1. Температура 5°С – поддерживалась в холодильнике.
2. Температура 23°С – комнатные условия.
3. Температура 40°С – поддерживалась на батарее.
Результат получился ожидаемым: в холодильнике время отверждения составило 76 часов, при температуре 23°С – 12,5 часов и на батарее – 3,5 часа.
Можно сделать вывод о том, что при повышении температуры увеличивается скорость протекания реакции.
2.2. Компьютерный эксперимент
Математическое моделирование – это метод изучения, состоящий в подмене реального процесса (объекта) математическим для изучения, и затем переноса на реальный объект.
Суть компьютерного эксперимента заключалась в проведении трех исследований в специальной программе Mathcad, построении графиков зависимостей по дифференциальному уравнению. Mathсad – программное средство, для выполнения математических и технических задач, предоставляющее пользователю инструменты для работы, имеет свой язык. В нашей программе использовались следующие данные: Е - энергия активации; k - константа скорости реакции; R - универсальная газовая постоянная; тn - начальное время; тk - конечное время; n - количество точек на графике; Y0 - начальное условие; t – температура; k(t) – уравнение и Z(т,Y) - дифференциальное уравнение, преобразованное на языке программы. (см. приложение 3)
Математическая модель: k - константа скорости реакции, β - степень превращения, n - порядок реакции, τ - время.
Мы провели 3 эксперимента, при тех же значениях температуры, что были в предыдущем опыте: 5°С, 23°С и 40°С. Построили графики зависимости степени превращения от времени. Результаты опыта получились схожими с результатами лабораторного эксперимента. (Рис. 2)
Рис. 2. Зависимость степени превращения от времени: 1 – при температуре 5°С, 2 - 23°С, 3 - 40°С
Т акже мы построили график зависимости времени полимеризации от температуры, чтобы наглядно показать данную зависимость (рис.3, табл. 1).
2.3. Результаты исследований
Результат лабораторного опыта: в холодильнике время отверждения составило 76 часов, при температуре 23°С – 12,5 часов и на батарее – 3,5 часа.
Результат компьютерного эксперимента: в холодильнике – 80,5 часов, в комнате – 12 часов, при 40°С – 2,6 часа.
Проведя 3 лабораторных и компьютерных эксперимента, мы выяснили, что результаты практически равны, несмотря на то, что имеют небольшую погрешность в 2-3 часа. Так как это приблизительная модель, такая погрешность является допустимой (таблица 2).
Таблица 2. Сравнение результатов
2.4. Выводы
По результатам исследования были сделаны выводы о том, что:
1. Изучение кинетики эпоксидных смол очень важно для химии.
2. Исследовать эпоксидные смолы можно в лаборатории и с использованием математического моделирования.
3. При помощи компьютерного и лабораторного эксперимента была показана эффективность математического моделирования кинетики реакции полимеризации эпоксидной смолы.
4. Математическое моделирование позволяет наглядно представить протекание реакции с помощью графиков зависимостей.
5. Не застывшая смола вредит здоровью, поэтому нужно использовать средства защиты при работе с ней.
Заключение
Компьютерный и лабораторный эксперименты дополняют друг друга и позволяют узнать больше информации о процессе.
Данный метод можно рекомендовать для более сложных исследований кинетики. Также возможно создание более совершенных методов на основе полученного в дальнейшем.
В ближайшее время мы планируем обратиться в высшее учебное заведение ИГХТУ г. Иваново с просьбой о помощи в проведении опытов в современной оборудованной лаборатории. Так мы сможем получить более точные результаты для дальнейшего развития данного метода. Усовершенствованную модель можно использовать на производстве.
Когда я работала над проектом, меня заинтересовал процесс застывания смолы. Поэтому мне захотелось создать свою домашнюю лабораторию (см. приложение 4). В результате, я уже больше полугода создаю изделия из эпоксидной смолы. За это время я работала с 3-мя смолами от разных производителей, открыла для себя новые возможности и методы работы. Изготовила более трехсот изделий: кулоны, серьги, браслеты, кольца, броши и шкатулки, гребни и брелоки. Свои изделия я дарю друзьям, ношу сама и веду профиль в Instagram (см. приложение 5).
Список литературы
1. Бодулев А.В. Расчет кинетики отверждения системы «Диэпоксид-диамин» методом Монте-Карло / Н.В. Ухова, Э.Д. Шакирьянов, Ю.М. Сивергин, С.М. Усманов, Н.В. Улитин // Вестник КГТУ. – Казань. – 2015. – Т.18. – №9. – С. 17-19
2. Еселев А. Д. Эпоксидные смолы и отвердители для производства лакокрасочных материалов / Бобылев В. А. // Лакокрасочные материалы и их применение. – 2005. – № 10. – С. 16-26.
3. Звонарев С.В. Основы математического моделирования: учебное пособие. – Екатеринбург: Издательство Урал, 2019. – 112 с.
4. Кирьянов Д.В. Mathcad 15/Mathcad Prime 1.0. – СПб.: БХВ-Петербург, 2012. – 432 с.
5. Максимова Н.Н. Математическое моделирование. Учебно-методическое пособие. – Благовещенск: Издательство АмГУ, 2019. – 88 с.
6. Межотраслевые правила по охране труда при работе с эпоксидными смолами и материалами на их основе. ПОТ Р М-024-2002. – СПб.: ЦОТПБСП, 2002. – 20 с.
7. Фоминых А.В. Экспериментальное исследование кинетики полимеризации эпоксидной смолы / А.Н. Аношкин, С.Н. Лысенко // Математическое моделирование систем и процессов. – 2000. – №8. – С. 94.
Приложения
Приложение 1 Предупреждающие знаки на упаковках с эпоксидной смолой
Приложение 2 Проведение лабораторного эксперимента. 1 – при температуре 5°С, 2 - 23°С, 3 - 40°С
Приложение 3 Программа Mathcad
Приложение 4 Материалы
Приложение 5 Instagram и украшения
1Метод Монте-Карло или многократное имитационное моделирование вероятностей, представляет собой математический метод, с помощью которого можно оценить возможные результаты неопределенного события.
22. Еселев А. Д. Эпоксидные смолы и отвердители для производства лакокрасочных материалов / Бобылев В. А. // Лакокрасочные материалы и их применение. – 2005. – № 10. – С. 16-26.
36. Межотраслевые правила по охране труда при работе с эпоксидными смолами и материалами на их основе. ПОТ Р М-024-2002. – СПб.: ЦОТПБСП, 2002. – 20 с.