Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

КИНЕТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ НАБУХАНИЯ И РАСТВОРЕНИЯ КОМПОЗИТОВ

Бобрышев А.Н. 1 Ерофеев В.Т. 2 Воронов П.В. 2 Бобрышев А.А. 1 Гаврилов М.А. 1 Барменков А.С. 2
1 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»
2 ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»
Статья посвящена исследованиям кинетических режимов набухания и растворения композитов в агрессивных средах. Представлен общий механизм набухания композитных материалов, рассматриваются различные режимы взаимодействия композита с агрессивными средами. Представлены графические зависимости, подробно описанные методами математического моделирования с получением функциональных зависимостей, с высокой точностью описывающих изменение исследуемых параметров. Выявлены экстремальные значения функций кинетических режимов в зависимости от исследуемого материала, вида и степени агрессивности среды, ее воздействия от времени. Экспериментально доказано и теоретически обосновано наличие кинетических зависимостей набухания и растворения композитов в агрессивных средах от механизма разрушения твердого тела, что существенно повышает эффективность кинетических прогнозов в оценке стационарных показателей структуры и свойств материалов и конструкций.
кинетические режимы
проницаемость
набухание
растворение
«обратный овершут»
«ложный старт»
разгонная стадия
аттрактант
стробоскопическое отображение
кинетические трансформации
1. Бартенев Г.М. Временная зависимость прочностей хрупких тел в поверхностно-активных средах / Г.М. Бартенев, И.В. Разумовская // Доклады АН СССР. – 1963. – Т. 150. – № 4. – С. 784–787.
2. Бобрышев А.Н., Воронов П.В., Шибаков В.Г. и др. Новые модели кинетических процессов структурообразования и деструкций композитных материалов. – М.: Палеотип, 2011. – 164 с.
3. Бобрышев А.Н., Галимов Э.Р., Воронов П.В. и др. Обобщенные модели деформирования и разрушения твердых тел. – Казань: Изд-во Отечество, 2013. – 225 с.
4. Бобрышев А.Н., Ерофеев В.Т., Козомазов В.Н. Полимерные композиционные материалы. учеб. пособие. – М.: АСВ, 2013. – 480 с.
5. Бобрышев А.Н. Физика и синергетика дисперсно-неупорядоченных конденсированных композитных систем / А.Н. Бобрышев, В.Т. Ерофеев, В.Н. Козомазов. – СПб.: Наука, 2012. – 474 с.
6. Бокшицкий М.Н. Длительная прочность полимеров. – М.: Химия, 1978. – С. 309.
7. Воробьева П.А. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. – М.: Химия, 1978. – С. 816.
8. Воронов П.В., Бобрышев А.Н., Лахно А.В. Топологические особенности кинетических процессов // Безопасность движения поездов: труды IX научно-практической конференции. – М.: МИИТ, 2008. – С. 72–73.
9. Воронов П.В., Туманова Н.Н., Бобрышев А.Н., Лахно А.В. Динамика и кинетика изменения свойств композитных материалов. – Пенза: ПГУАC, 2009. – 127 с.
10. Ерофеев В.Т., Римшин В.И., Смирнов В.Ф. и др. Армированные каркасные композиты для зданий и сооружений / под общ. ред. В.Т. Ерофеева, В.И. Римшина, В.Ф. Смирнова. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2015. – 360 с.
11. Иорданский А.Л., Маркин В.С., Занков Г.Е. Диффузия электролитов в полимерах. – М.: Химия, 1984. – 240 с.
12. Кондратьева Е.В Щелочестойкие эпоксидные композиты: автореф. дис. ... канд. техн. наук. – Пенза, 2000. – 189 с.
13. Лахно А.В., Кувшинова О.А., Воронов П.В. Оценка кинетических процессов твердения строительных материалов // Науч. вестн. Воронеж. гос. архитектурно-строит. ун-та. Сер. «Стр-во и архитектура». – 2009. – Вып. 4. – С. 84–89.
14. Манин В.Н., Громов А.Н. Физико-химическая стойкость полимерных материалов в условиях эксплуатации. – Л., 1980. – С. 248.
15. Новиков Е.В., Воронов П.В., Лахно А.В., Бобрышев А.Н. Кинетические процессы в композитах при воздействии агрессивных сред // Междунар. технико-экон. журн. – 2014. – Вып. 6. – С. 95–102.
16. Полак А.Ф. Математическая модель процесса коррозии бетона в жидких средах // Бетон и железобетон. – 1988. – № 3. – С. 30–31.
17. Соломатов В.И., Ерофеев В.Т., Смирнов В.Ф. и др. Биологическое сопротивление материалов.Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2001. – 196 с.
18. Соломатов В.И., Селяев В.П., Соколова Ю.А. Химическое сопротивление материалов. Москва: РААСН. – 284 с.
19. Степанов Р.Д., Шленский О.Ф Расчет на прочность конструкций из пластмасс, работающих в жидких средах. – М.: Машиностроение, 1984. – С. 136.
20. Туманова Н.Н. Анализ кинетических процессов для оценки структуры и свойств композитных строительных материалов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. – Пенза: 2004. – 189 с.
21. Федорцов А.П. Позитивная коррозия, или коррозия по В.И. Соломатову, и физико-химическое сопротивление бетонов // Успехи строительного материаловедения: материалы юбилейной конференции. – М., 2001. – С. 2014–2018.
22. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. – М.: Наука, 1967. – 490 с.

При взаимодействии композитов с агрессивными средами могут наблюдаться несколько типичных кинетических режимов (рис. 1), связанных с одновременным проявлением набухания и растворения [2, 4, 5, 11, 15]. Проницаемость для агрессивных сред дисперсно-наполненных композитных материалов, сопровождающаяся набуханием и растворением, является одним из важнейших эксплуатационных показателей [1]. Механизм набухания не поддается всестороннему анализу с позиции простых соображений. В общем случае он включает адсорбацию молекул среды на поверхности композита, диффузию среды в объем материала, физико-химические воздействия среды с матрицей и наполнителем, отвод продукции реакции от поверхности взаимодействия, образование из продуктов реакции слоя, препятствующего конвективному транспорту среды в объем композита [1, 6–9, 13, 14, 16–19, 21, 22].

К первому из кинетических режимов (рис. 1, а) относится режим монотонного приближения параметра к стационарному значению gm, связанному с ограниченным набуханием композитного материала, при котором преимущественно осуществляется физическое взаимодействие среды с материалом.

В начальный период ограниченного набухания среда интенсивно проникает в композит через поверхностные трещины, поры и другие дефекты. В этом случае количество массы g, продиффундировавшей в композит среды, асимптотически стабилизируется на некотором значении gm. С течением времени величина gm остается неизменной. Рассматриваемый кинетический режим в общем случае описывается следующим уравнением:

bobrysh01.wmf (1)

где п – постоянный эмпирический коэффициент.

pic_11.tif

Рис. 1. Кинетические режимы взаимодействия композитных материалов с агрессивными средами (пояснения в тексте)

Для характерной кинетической кривой, проиллюстрированной на рис. 2, а, эмпирический коэффициент имеет значения n > 1, тогда как для кривой, изображенной на рис. 2, б, – n < 1.

Данные экспериментов часто приводят к зависимостям типа «прямой овершут» (рис. 1, б) с кинетикой, отображаемой зависимостью

bobrysh02.wmf, (2)

где 2 > r1 > 1 – параметр роста процесса.

Здесь механизм процесса непосредственно определяется последовательностью проявления эффектов набухания и растворения. В начальный период экспозиции композита в среде за малый промежуток времени прирост массы g, обусловленный диффузионным проникновением среды в материал, резко увеличивается и превышает асимптотический предел gm. Затем происходит последовательное снижение ее величины до стационарного значения gm. Отличительной особенностью таких процессов является то обстоятельство, что приближение к асимптоте gm осуществляется «сверху», в результате понижения параметра g (рис. 3).

pic_12.tif

а б

Рис. 2. Типичные кинетические закономерности изменения физико-механических характеристик

pic_13.tif

Рис. 3. Режим набухания «прямой овершут» эпоксидного композита (отвердитель 3-диметиламинопропанол) в 30 % растворе едкого натра [12]

Снижение g в процессе набухания определяется ограниченной деструкцией и вымыванием дефектных поверхностных слоев материала, что обусловлено физико-химическим взаимодействием со средой. Подобный режим с высоким параметром роста – r1 > 1 свидетельствует о малой пригодности материалов и конструкций на их основе для эксплуатации в подобных условиях.

Набухание с растворением («неограниченное набухание») определяется последовательностью процессов ограниченного набухания и неограниченного растворения (рис. 1, в и 4). Режим считается неприемлемым для технических материалов.

pic_14.tif

Рис. 4. Режим неограниченного набухания эпоксидного композита (отвердитель ПО-ЗОО) в концентрированных кислотах [20]: 1 – серная; 2 – азотная

Разгонное набухание (рис. 1, г и 5) наблюдается в том случае, когда диффузия среды в объеме композитного материала доминирует и не ограничена, а процессы растворения и деструкций активизируются с запозданием.

pic_15.tif

Рис. 5. Режим разгонного набухания эпоксидного композита (отвердитель ПЭПА) в 20 % растворе едкого натра [20]

Кинетика массопоглощения при разгонном набухании композитного материала выражается уравнением (2) при r1 > 2, а сам режим не соответствует условиям длительной эксплуатации композитного материала.

Режим ограниченного растворения (рис. 1, б и 6, а) противоположен режиму ограниченного набухания (см. рис. 1, а) и описывается зависимостью

bobrysh03.wmf (3)

При поверхностном растворении, когда величина стационарного значения – gm незначительна, режим может быть принят за рабочий.

Режим разгонного растворения (рис. 1, ж и 6, б) характеризует композитный материал как абсолютно нестойкий в условиях действия среды.

Проявление режима «обратный овершут» (рис. 1, е и 7, а) связано с быстрым поверхностным растворением и последующим ограниченным набуханием. При этом первый процесс преобладает над вторым и поэтому параметр g остается в области отрицательных значений. Такой режим определяется кинетикой

bobrysh04.wmf (4)

и также может быть использован в качестве рабочего.

pic_16.tif

Рис. 6. Режимы ограниченного растворения (отвердитель ПЭПА) (а) и разгонного растворения (отвердитель 3-диметиламинопропанол) (б) эпоксидного композита в концентрированной серной кислоте [12]

pic_17.tif

Рис. 7. Режимы «обратный овершут» (а) и «ложный старт» (б) для эпоксидного композита (отвердитель АФ-2) [20]. Композиты экспонировались в воде (а) и в концентрированной соляной кислоте (б)

Наиболее предпочтителен в условиях эксплуатации режим «ложного старта» (рис. 1, з и 7, б), который является результатом сращивания асимптотик растворения и набухания, протекающих одновременно. Здесь подрастворение наружных дефектных слоев способствует кальматированию поверхностных пор и микротрещин продуктами деструкций, тем самым создавая барьер для дальнейшего диффузионного проникновения среды в массив материала. В результате эффективное набухание может значительно снижаться в сравнении с монотонной кинетикой (см. рис. 1, а).

Рассмотрим кинетические зависимости, которые имеют вид кривых (рис. 8, с). В этом случае параметр х в начале процесса принимает отрицательные значения, но в дальнейшем монотонно увеличивается. Процесс вновь проходит через стартовое значение параметра х = 0 (при t = t2), после чего следует приближение к аттрактору xm. В данной ситуации реализуется сценарий «ложного старта», когда начало роста параметра х > 0 смещается по временной оси в точку t = t2, х = 0 (рис. 8, с).

pic_18.tif

Рис. 8. Кинетические зависимости режима «ложный старт»

Подобный эффект имеет непротиворечивую интерпретацию при использовании модели сращивания асимптотик [15].

Пусть в системе одновременно наблюдается протекание двух конкурирующих процессов, один из которых дает асимптотику (рис. 8, а) в области отрицательных значений параметра х:

bobrysh05.wmf (5)

другой связан с монотонным изменением х в области положительных величин (рис. 8, в):

bobrysh06.wmf (6)

Очевидно, что эффективный процесс описывается зависимостью [1]:

bobrysh07.wmf (7)

Если в начале процесса

bobrysh08.wmf,

что определяется условием ka >> kb, то эффективная кинетика будет развиваться по сценарию «ложного старта» (рис. 8, с). В данном аспекте интерес представляет время t2 «ложного старта». Поскольку ka >> kb, процесс xa = f(t) с соответствующей зависимостью (7) протекает гораздо интенсивнее и быстро заканчивается, когда exp(–katn) > 0. «Ложный старт» определяется условием хс = 0. С учетом этого (6) принимает вид

bobrysh09.wmf

откуда окончательно получим

bobrysh10.wmf (8)

Когда параметр роста начинает превышать величину rt = 2, происходит бифуркационная смена кинетических режимов, схематически изображенная на рис. 9. В результате режим сходимости к аттрактору хт сменяется на режимы сходимости к бесконечности.

Произведем анализ возможных кинетических режимов для условия (r > 2) расходимости решений параметрического равенства:

bobrysh11.wmf (9)

где bobrysh12.wmf

pic_19.tif

а б в

Рис. 9. Схематическое изображение бифуркационной смены кинетических режимов [12]: а – сходимость решений; б – предельный цикл; в – расходимость решений

pic_20.tif

а б в г д

Рис. 10. Зависимости, соответствующие решению уравнения bobrysh13.wmf [3]

pic_21.tif

а б

Рис. 11. Стробоскопические отображения эволюционной кривой

Поскольку в практике преимущественно реализуются процессы с плавным изменением изучаемого параметра х, рассмотрим лишь стробоскопические отображения эволюционной зависимости (рис. 10, б), которые описываются параметрическими выражениями

bobrysh14.wmf (10)

bobrysh15.wmf (11)

В подобном рассмотрении выделяются два стробоскопических отображения в виде верхней (с нечетными временными интервалами) и нижней (с четными временными интервалами) огибающими [8], характерный вид которых изображен на рис. 11.

Следует отметить, что оба типа зависимостей характеризуют поведение неустойчивых (разгонных) процессов с аттрактором в бесконечности. Так, кривая рис. 11, б отражает процесс активного растворения композита в агрессивной среде, вплоть до полного перехода матричного материала в раствор, когда относительное изменение массы образца непрерывно снижается. Такой процесс, протекающий в режиме стробоскопического отображения с четными временными интервалами (рис. 10, б), является типично разгонным с аттрактором в бесконечности. Для данного примера аттракторным проявлением служит полная деструкция материала композита в результате растворения матричного связующего. Аналитическое описание кинетики растворения дается уравнением (10) с модулем А > 1.

Отдельного рассмотрения заслуживает стробоскопическое отображение с нечетными временными интервалами (рис. 10, б и 11, а), типичное для неограниченной ползучести, протекающей в разгонном режиме. Аттракторное проявление при неограниченной ползучести реализуется в виде разрушения. Здесь параметр х представляется деформацией ползучести е. В этой связи согласно (11) эволюция ползучести описывается зависимостью

bobrysh16.wmf (12)

где εs – сумма мгновенной упругой деформации и деформации неустановившейся стадии ползучести; А > 1 – модуль параметра (1 – r1) при r1 > 2. Поскольку излагаемые результаты относятся к изучению кинетических процессов с особенностями, ограничимся лишь записью уравнения (12).

В отличие от режима «ложного старта» с первичным ограниченным растворением и последующим ограниченным набуханием, существуют процессы, когда изначально доминирующим является ограниченное набухание, переходящее в разгонное неограниченное растворение. Подобным образом протекает процесс набухания полимерных композитов в особо агрессивных средах, способных растворять полимерную матрицу.

Вначале, в результате осмотического процесса диффузии среды в массив композита происходит набухание матричного материала, что сопровождается ростом массопоглощения (рис. 12, а). По мере набухания постепенно развивается процесс растворения полимера, который при длительной экспозиции композитного материала в агрессивной среде становится доминирующим (рис. 12, b). При этом масса композита неуклонно понижается. Примечательно, что итоговая стадия процесса является разгонной и заканчивается полной деструкцией материала.

pic_22.tif

Рис. 12. Кинетика набухания с переходом в растворение

В соответствии с выражениями

bobrysh17.wmf

и

bobrysh18.wmf (13)

кинетика процесса набухания с последующим растворением (рис. 12 с) представляется в виде аддитивного эффекта [6]:

bobrysh19.wmf (14)

где Aa = (1 – ra) < 1; ra < 1 – параметр роста ограниченного набухания; Ab = |1 – rb| > 1, rb > 2 – параметр роста неограниченного растворения.

Проведенное обсуждение линейной модели эволюционных процессов прежде всего обусловлено возможностью рассмотрения тех режимов динамических систем, которые невозможно интерпретировать классическим представлением:

x = xm(1 – e–kt). (15)

Особенности, связанные с проявлением стробоскопических отображений, чаще рассматриваются не с позиции единой кинетической модели, а как отдельные эффекты либо наслоения процессов, что в целом затрудняет понимание механизма кинетических трансформаций. В этой связи параметр роста r1 является независимым показателем в оценке сложного поведения систем. Ограниченность уравнения (14) непосредственно связана с узким диапазоном (1 > r1 > 0) изменения величины управляющего параметра r1. В свою очередь предложенные параметрические кинетические уравнения (13), включающие параметр роста r1 как динамическую характеристику, позволяют расширить применимость теоретических решений для класса процессов, у которых r1 > 1, что существенно повышает эффективность кинетических прогнозов в оценке стационарных показателей структуры и свойств материалов и конструкций.

Таким образом, в результате проведенных исследований кинетических режимов набухания и растворения композитов в агрессивных средах представлен общий механизм набухания композитных материалов, рассмотрены различные режимы их взаимодействия с агрессивными средами. Описаны типичные кинетические процессы, протекающие при эксплуатации композитных материалов. Представлены графические зависимости, подробно описанные методами математического моделирования с получением функциональных зависимостей, с высокой точностью описывающих изменение исследуемых параметров. Выявлены экстремальные значения функций кинетических режимов в зависимости от исследуемого материала и действия среды от времени.


Библиографическая ссылка

Бобрышев А.Н., Ерофеев В.Т., Воронов П.В., Бобрышев А.А., Гаврилов М.А., Барменков А.С. КИНЕТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ НАБУХАНИЯ И РАСТВОРЕНИЯ КОМПОЗИТОВ // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 6-1. – С. 29-35;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40366 (дата обращения: 18.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252