Материал: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительства. Рудаков О.Б., Перцев В.Т
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
а |
б |
в |
г |
д |
е |
|
|
ж |
з |
и |
|
Рис. 4. Топография поверхности изломов стали 20 категории 4
а,г,ж – минус 196 °С V=10-2 с-1, V=100 с-1, V=102 с-1; б,д,з – 20 °С V=10-2 с-1, V=100 с-1, V=102 с-1;
в,е,и – 200 °С V=10-2 с-1, V=100 с-1, V=102 с-1
Таким образом по результатам исследований было установлено, что уровень чувствительности стали 20 к воздействию внешних факторов (температуры, скорости деформации, схемы нагружения) связан с исходным структурным состоянием.
Список литературы
1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – 2-изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1983. – 352 с.
2.ГОСТ 1497-84 Методы испытаний на растяжение. – М.: Госстандарт СССР: Изд – во стандартов, 1984. – 35 с.
3.ГОСТ 28840-90 Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб.
–М.: Госстандарт СССР: Изд – во стандартов, 1990. – 37 с.
4.ГОСТ 9454-60 Метод определения ударной вязкости при нормальной температуре.
–М.: Госстандарт СССР: Изд – во стандартов, 1960. – 19 с.
5.ГОСТ 9455-60 Метод определения ударной вязкости при низких температурах. – М.: Госстандарт СССР: Изд – во стандартов, 1960. – 33 с.
________________________________________________________________________________
Лукин Анатолий Александрович, доцент, к.ф.-м.н., доцент, каф. материаловедения и физики металлов, ВГТУ, toto_luk@mail.ru.
Тарханов Андрей Константинович, доцент, к.ф.-м.н., доцент, каф. физики и химии, ВГАСУ, anvetkin@yandex.ru.
Лукин Олег Анатольевич, доцент, к.ф.-м.н., доцент, каф. экономики, МИИТ (Воронежский филиал).
46
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 1(10), 2015
УДК 543.544
А.М. Черепахин, Е.А. Хорохордина, О.Б. Рудаков, Е.В. Калач
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ И ПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА СМЕШАННЫХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ
Рассмотрена взаимосвязь поверхностного натяжения, температуры кипения и температуры вспышки некоторых многокомпонентных сольвентов, используемых в лакокрасочных материалах.
Ключевые слова: поверхностное натяжение, температура кипения, смешанные растворители, пожарная безопасность
A.M. Cherepakhin, E.A. Khorokhordina, O.B. Rudakov, E.V. Kalach
SURFACE TENSION AND FLAMMABLE PROPERTIES OF MIXED
SOLVENTS
Examined the relationship of surface tension, boiling point and flash point of some multicomponent solvents used in paint and varnish materials.
Keywords: surface tension, boiling point, mixed solvents, fire safety
В строительной индустрии в качестве разбавителей и разжижителей лаков и красок используется достаточно широкий ассортимент смешанных сольвентов разного состава. За редким исключением это легковоспламеняющиеся и весьма токсичные жидкости. С повышенной пожарной опасностью и химической вредностью сольвентов производители разных материалов вынуждены мирится из-за хорошей растворимости в них органических и высокомолекулярных веществ, которые входят в состав лаков и красок.
Существует проблема пожарной безопасности в разных отраслях промышленности, где используются органические растворители, актуальным является разработка простых и удобных критериев оценки совокупности факторов пожарной опасности [1].
Поверхностное натяжение является мерой некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном слое. Для подвижных жидкостей поверхностное натяжение характеризует избыток свободной энергии в поверхностном слое по сравнению со свободной энергией в объеме. Величина σ определяется характером межмолекулярных сил, размером и геометрией молекул, их ориентацией в поверхностном слое, т.е. природой растворителя, его поверхностной активностью или поверхностной активностью находящихся в нем других веществ [1-3].
Поверхностное натяжение растворов ПАВ играет важную роль в пенообразовании, в смачиваемости поверхности, что является предметом прикладных исследований в области пожарной безопасности.
Между величинами поверхностного натяжения и составом смешанных сольвентов [4], между температурой кипения и составом [5,6], температурой вспышки и составом [7], а значит, и между этими физическими свойствами жидких смесей можно ожидать определенных взаимосвязей, экспериментальное изучение которых позволит оценить риски пожарной опасности при реализации внештатных ситуаций в лакокрасочных производствах, на этапах отделочных строительных работ.
Цель работы – изучить количественные взаимосвязи поверхностного натяжения, температуры кипения и вспышки некоторых типичных многокомпонентных сольвентов, используемых в строительной индустрии.
________________________________________________________________________________
© Черепахин А. М., 2015
47
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Экспериментальная часть. Методика определение поверхностного натяжения.
Экспериментальные значения поверхностного натяжения определяли методом максимального давления в пузырьке воздуха на приборе Ребиндера [2]. Находили константу ячейки прибора κ по значениям максимального давления ∆рст и поверхностного натяжения σст для стандартных жидкостей:
κ= σст / ∆рст. |
(1) |
Определив коэффициент κ и измерив давление ∆рмакс |
для исследуемой жидкости, |
рассчитывали значение σж-г = κ∆рмакс. Применение этого метода хорошо минимизирует ошибки, обусловленные изменением состава из-за испарения, что важно для изучения поверхностного натяжения смешанных растворителей. Исследуемую жидкость наливали в ячейку до уровня, при котором кончик капилляра погружен в неѐ не более чем на 1 мм (избыток жидкости отбирали с помощью капилляра). Ячейку соединяли отводной трубкой с аспиратором и краном микроманометра. Устанавливали мениск в манометрической трубке против нулевой отметки. После чего открывали кран аспиратора. В установке создавалось разряжение, в результате чего манометрическая жидкость поднималась в трубке. Сформировавшийся на конце капилляра пузырѐк воздуха при достижении ∆рмакс, пробивал поверхностный слой. В этот момент давление в системе снижалось, манометрическая жидкость опускалась, затем в результате образования нового пузырька она снова поднималась, что вызывало колебание уровня манометрической жидкости. Чтобы уменьшить пульсацию жидкости в измерительной трубке, добивались равномерного проскока пузырька, с интервалом 20-30 с.
Методика определения температуры вспышки смешанных растворителей.
Вспышкой, как известно, называется быстрое сгорание газопаровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, сопровождающееся кратковременным видимым свечением. Температура вспышки tвсп, представляет собой наименьшую температуру конденсированного вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания (устойчивое горение при этом не возникает). Сущность экспериментального метода определения tвсп заключается в нагревании определенной массы вещества с заданной скоростью, периодическом зажигании выделяющихся паров и установлении факта наличия или отсутствия вспышки при фиксируемой температуре. Для определения tвсп заданную массу вещества нагревали с заданной скоростью, периодически зажигая выделяющиеся пары и визуально оценивали результаты зажигания в приборе открытого типа. Использовали термометры типов ТН 1–1, ТН 1–2, TH – 6 с делением шкалы не более 1 °С; секундомер с погрешностью не более 1 с для контроля скорости нагревания жидкости. Прибор для измерения tвсп в открытом тигле состоял из фарфорового тигля низкой формы №5, нагревательной воздушной ванны, газовой горелки и термометров (ГОСТ 12.1.044-89).
Вначале определяли ориентировочную tвсп. После этого выполняли серию основных испытаний на 3 образцах исследуемого раствора в той же последовательности, что и предварительные испытания. Образцы исследуемого раствора, имеющие ориентировочную tвсп<50 °С, охлаждали до температуры, которая на 17 °С ниже ориентировочной tвсп. За 10 °С до ориентировочной tвсп образец нагревали со скоростью 1 °С/мин для растворов с tвсп до 70
°С и 2°С/мин для веществ с tвсп>70 °С. За tвсп каждого определения принимали показание термометра, соответствующее появлению пламени над частью или над всей поверхностью
образца.
Методика определения температуры кипения смешанных растворителей. Под
температурой |
кипения |
tкип |
понимают |
температуру, |
при |
которой |
происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, |
tкип соответствует |
|||||
температуре насыщенного |
пара над |
плоской поверхностью кипящей |
жидкости. При |
|||
определении tкип использовали метод Павлевского (ГОСТ 18995.6-73). В пробирку прибора
48
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 1(10), 2015
для определения tкип помещали 1–1.5 см3 испытуемой жидкости (туда же помещают небольшой кусочек прокаленного, пористого, неглазированного фарфора или маленькие, запаянные
содной стороны стеклянные капилляры) и укрепляли в ней при помощи корковой пробки термометр так, чтобы ртутный резервуар находился на высоте 2 см над уровнем жидкости в
пробирке. В колбу прибора наливали жидкий теплоноситель (глицерин) так, чтобы уровень
его был выше уровня жидкости в пробирке. При нагреве за 10–15 оС до предполагаемой tкип скорость нагрева уменьшали до 2 оС в мин. При дальнейшем нагревании температура
повышается и, достигнув определенной точки, некоторое время остается постоянной. За tкип принимали наблюдаемую постоянную температуру, приведенную к нормальному давлению
сучетом поправок по ГОСТ 18995.6-73. Результатом анализа считали среднее
арифметическое двух параллельных определений, если абсолютное расхождение между которыми не превышало 0,1 оС.
Состав сольвентов для которых изучали поверхностное натяжение, температуры кипения и вспышки представлены в табл. 1.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
Химический состав промышленных многокомпонентных сольвентов |
|
|||||||
|
|
|
Массовая доля компонента |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сольвент |
толуол |
бутилацетат |
|
этилацетат |
бутанол |
этанол |
ацетон |
ксилол |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Растворитель 645 |
0,5 |
0,18 |
|
0,12 |
0,1 |
0,1 |
- |
- |
Растворитель Р-4 |
0,62 |
0,12 |
|
- |
- |
- |
0,26 |
- |
Растворитель Р-10 |
- |
- |
|
- |
- |
- |
0,15 |
0,85 |
Растворитель РС-1 |
0,6 |
0,3 |
|
- |
- |
- |
- |
0,1 |
Разбавитель РДВ |
0,5 |
0,18 |
|
0,09 |
0,1 |
0,1 |
0,03 |
- |
Разжижитель Р-5 |
- |
0,30 |
|
- |
- |
- |
0,30 |
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Результаты и их обсуждение. Результаты экспериментальных измерений поверхностного натяжения, tкип и tвсп представлены в табл. 2.
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
Температуры кипения и вспышки, поверхностное натяжение сольвентов при 20 оС |
|||||
Сольвент |
tкип, |
оС |
tвсп, |
оС |
σ, мН/м |
Растворитель 645 |
94 |
7 |
|
26,4 |
|
Растворитель Р-4 |
103 |
4 |
|
25,2 |
|
Растворитель Р-10 |
142 |
2 |
|
27,2 |
|
Растворитель РС-1 |
119 |
14,5 |
30 |
||
Разбавитель РДВ |
96 |
6 |
|
28 |
|
Разжижитель Р-5 |
110 |
2 |
|
25,6 |
|
|
|
|
|
|
|
Между поверхностным натяжением и смешанных сольвентов установлена значимая линейная корреляция, коэффициент парной корреляции R>0,80 (рис.1), т.е. наблюдается тренд: чем выше поверхностное натяжение, тем выше температура вспышки. Между температурой кипения и температурой вспышки, между поверхностным натяжением и температурой вспышки смешанных сольвентов значимых корреляций в данной выборке не наблюдали, можно говорить лишь о тенденции: чем больше натяжение, тем выше tкип.
49
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Вместе с тем, для чистых растворителей существует значимая корреляция как температуры вспышки от поверхностного натяжения (R=0,75), так и между температурой кипения и вспышки (R=0,87), (табл. 3, рис. 2). Это говорит о том, что рассматриваемые параметры для смешанных растворителей неаддитивно изменяются в зависимости от состава, а на границе раздела фаз жидкость – воздух может наблюдаться градиент концентраций, т.е. более поверхностно активные вещества будут концентрироваться на межфазной границе. Эксперимент показал, что tвсп лимитируется прежде всего наличием и концентрацией в сольвенте наиболее пожароопасного компонента, например, ацетона, именно его присутствие в сольвентах существенно снижает tвсп.
Рис. 1. Зависимость поверхностного натяжения (σ) от температуры вспышки в открытом тигле: 1) Растворитель Р-4; 2) Разжижитель Р-5; 3) Растворитель 645; 4) Растворитель Р-10;
5) Разбавитель РДВ; 6) Растворитель РС-1
Рис. 2. Зависимость температуры вспышки от температуры кипения индивидуальных растворителей.
50