Материал: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительства. Рудаков О.Б., Перцев В.Т
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 1(10), 2015
Увеличить устойчивость системы к колебаниям внешнего воздействия возможно при условии роста кооперативных связей или определенного уровня системности, расчету, величины которой посвящен следующий раздел исследований.
Рассмотренные ранее понятия синергизма и эмерджентности напрямую связаны с таким понятием как уровень системности или того, что является преимуществом по сравнению с простым множеством компонентов, лежащим в основе главного аргумента в пользу объединения в кластер или композит. Возможность оценки уровня системности позволяет выявить потенциальную устойчивость кластерного, композитного объединения к колебаниям силовых, материальных и информационных потоков.
Так как синергизм и эмерджентность являются двумя взаимосвязанными характеристиками систем, гносеологический корень которых един и заключается в появлении у системы мультипликативного эффекта, то примем коэффициент эмерджентности Хартли в качестве усредненной характеристики этих двух признаков системы [9,10]:
|
log |
2 |
|
|
|
= |
|
=1 |
|
(6) |
|
|
log 2 |
|
|||
|
|
|
|
||
где – количество элементов в системе альтернативных будущих состояний системы; –
сложность подсистемы (количество элементов первого уровня иерархии в системе); –
количество сочетаний из по .
Рассматривая выражения (5) и (6) имеем два очевидных сравнения:
1. ∆ ≥ ∆, то есть в случае преобладания в кластере тенденций к объединению величина будет изменяться в интервале от 1 до ∞;
2. Для величины согласно формуле (6) также имеем изменение от 0 |
до = |
|
|
||
|
log 2 |
||||
|
|
|
|
|
|
когда системность максимальна. |
|
|
|
|
|
Вероятно, что выражения (5) и (6) можно объединить в следующем виде с учетом |
|||||
= |
|
|
|
|
|
∙ |
|
= |
|
(7) |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
где – коэффициент соответствия между левой и правой частями уравнения; |
|
– |
|||
коэффициент эмрджентности Хартли [11]. |
|
|
|
|
|
Уравнение (7) может служить взаимосвязью между информационными характеристиками, динамикой и статикой системы-композита, определяющей устойчивость в зависимости от уровня системности. Левая часть уравнения под знаком логарифма содержит отношение величины внешнего воздействия ( )к номинальной прочности ( 0) композита - кластера. В правой части уравнения – коэффициент Хартли как усредненный показатель синергизма и эмерджентности, способный в количественной форме определить уровень системности необходимый для выявления преимущества системы перед множеством, кластерного объединения перед совокупностью компонентов с индивидуальными
характеристиками. |
|
|
||
|
Пользоваться моделью можно при решении двух противоположных задач: |
|
|
|
|
1. Прямая задача. По известному отклонению величины внешней нагрузки от |
|||
номинальной прочности композита, то есть при наличии информации в виде – |
0 |
= или |
||
|
находим необходимый уровень системности, обеспечивающий более |
высокую |
||
|
||||
0 |
||||
|
|
|
||
эффективность или синергизм композита в сравнении с суммарным эффектом отдельных компонентов.
2. Обратная задача. Согласно известному уровню системности соответствующему данному кластерному объединению рассчитываем то максимальное отклонение величины внешнего воздействия от нормативного показателя.
61
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Иерархическая структура в композите строится по принципу совместимости с использованием критериев:
1.Термодинамических – определяющих сравнительный уровень гидрофобностигидрофильности компонентов;
2.Структурных – учитывающих размерный фактор компонентов;
3.Функциональных – выявляющих природу реакционноспособных функциональных групп, их способность к физико-химическому взаимодействию.
Рассмотрим пример древесно-полимерного композита на основе древесины березы, модифицированной эпоксидной смолой ЭД-20 в присутствии отвердителя полиэтиленполиамина (ПЭПА), пластификатора – дибутилфталата, стабилизатора – гидрохинона. Исходные данные и результаты расчета в соответствии с выражением (7) приведены в таблице.
Таблица Сводные данные о вкладе специализации компонентов в уровни иерархии рецептуры
композита и общий уровень системности
|
5 |
Древеси- |
Смола |
Отвердит- |
Пластифика- |
Стабилиза- |
|
Уровень |
|
индивидуаль- |
на |
ель |
тор |
тор |
|
||
|
|
|
систем- |
|||||
|
ных |
|
|
|
|
|
|
|
|
1-й ур. |
2-й ур. |
3-й ур. |
4-й ур. |
5-й ур. |
Всего |
ности |
|
|
компонентов |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отсутствие |
5 |
|
|
|
|
|
5 |
1,00 |
организации |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1-й уровень |
5 |
5·1 |
|
|
|
|
10 |
1,43 |
2-й уровень |
5 |
5·1 |
1·1 |
|
|
|
11 |
1,49 |
3-й уровень |
5 |
5·1 |
1·1 |
1·1 |
|
|
12 |
1,54 |
4-й уровень |
5 |
5·1 |
1·1 |
1·1 |
1·1 |
|
13 |
1,59 |
5-й уровень |
5 |
5·1 |
1·1 |
1·1 |
1·1 |
1·1 |
14 |
1,64 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Максималь- |
|
|
|
|
|
|
|
|
ный теоре- |
|
|
|
|
|
|
|
|
тически |
|
|
|
|
|
|
|
2,15 |
возможный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
уровень |
|
|
|
|
|
|
|
|
системности |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сравним расчетные данные (рис.4), относящиеся к уровню системности или обобщенному эмерджентно-синергетическому эффекту с экспериментальными результатами (рис.2,3), выраженными зависимостями прочностных характеристик композита от содержания в структуре древесины эпоксидного олигомера, структурированного посредством введения в его состав отвердителя, пластификатора и стабилизатора (таблица).
Сравнение проведено по прочности поперек волокон исходя из эксплуатации модифицированной древесины в качестве паркета. Как следует из рисунков 3 и 4 уровень прочности и системный, синергетический эффект лежат в области 60-80 %, что свидетельствует об определенной корреляции расчетных и экспериментальных результатов.
Однако как видно из рисунка 3 кривая графической зависимости не вышла на стационарный участок, что позволяет предположить о возможности дальнейшей оптимизации рецептурно-технологического режима. Данное обстоятельство не противоречит максимально возможному уровню системности (рис.4), величина которого для рассмотренного композита составляет 2,15 или 115 % (таблица).
62
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 1(10), 2015
Содержание ЭС в
35 |
|
|
поперек |
МПа |
8.5 |
|
|
|
древесине |
|
|
|
|
|
|||
% , |
|
|
|
|
8 |
|
|
|
28 |
|
|
|
|
7.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
прочностиПредел |
волокон, σп , |
7 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|||
21 |
|
|
|
|
6.5 |
|
|
|
14 |
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5.5 |
|
|
|
7 |
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
4.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
5 |
15 |
45 |
|
0 |
5 |
15 |
45 |
|
|
|
|
|
||||
|
Концентрация раствора, |
С, % |
|
|
Концентрация |
|
|
|
|
|
раствора, С, % |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Рис. 2. Зависимость содержания ЭС в древесине от |
Рис. 3. Зависимость предела прочности древесины |
концентрации пропитывающего раствора (С) |
поперек волокон (σп) от концентрации раствора (С) |
|
1.8 |
|
|
|
|
|
|
1.6 |
|
|
|
|
|
, φ |
1.4 |
|
|
|
|
|
1.2 |
|
|
|
|
|
|
системность |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
0.8 |
|
|
|
|
|
|
0.6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.4 |
|
|
|
|
|
|
0.2 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
Уровни структуризации |
|
|||
Рис. 4. Зависимость эффективности композита из пяти компонентов от специализированной иерархии
Выводы. Предложена модель расчета усредненного синергетического и эмерджентного эффекта или системного эффекта для различных по природе систем, в том числе древеснополимерных композиционных материалов. Показана возможность использования разработанной модели для решения двух противоположных задач: прямой и обратной. Приведен пример оценки системной организации рецептуры в композите на основе древесины лиственной породы и эпоксидной смолы, содержащей также в иерархической последовательности отвердитель, пластификатор и стабилизатор.
Список литературы
1.Луценко Е.В. Количественные меры возрастания эмерджентности в процессе эволюции систем (в рамках системной теории информации) [Электронный ресурс]: Научный журнал КубГАУ / Е.В.Луценко – Краснодар: КубГАУ, 2006. №05(21).
2.Ф. Даниэльс, Р. Олберти Физическая химия / перев. с англ., под редакцией д-ра хим. наук, проф. К,В, Топчиевой. Изд-во Мир, М.: , 1978, 645 с.
3.Глазков, С.С. Критерии термодинамической устойчивости полимерных и композиционных материалов / С.С.Глазков // Строительные материалы. 2007, № 1. С.63-65.
63
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
4.Глазков, С.С. Особенности физико-химического взаимодействия на межфазной границе в композиционных материалах (Обзор) / С.С. Глазков, А.Е. Пожидаева, А.И. Анучин А.А. Измайлов // Научный вестник Воронежского государственного архитектурностроительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2014. № 1 (8). С. 71-80.
5.Муратов А.С. Синергизм организации в «фокусе» гармонизационного подхода // Управление экономическими системами. №1. 2012. С. 60-71.
6.Школа финансового анализа [электронный ресурс] // Синергизм организации в фокусе гармонизационного подхода. Сайт Финансовый анализ и инвестиционный анализ от Жданова ВасилияURL: http://beintrend.ru/lr (Дата обращения 24.04.2015).
7.Пахомов, А.Н. Основы моделирования химико-технологических систем: учебное пособие / А.Н. Пахомов, В.И. Коновалов, Н.Ц. Гатапова, А.Н. Колиух. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. 80 с.
8.Физическая химия: Учеб.пособие для вузов / Годнев И.Н., Краснов К.С., Воробьев Н.К. и др.; Под ред. К.С. Краснова. – М.: Высш. школа, 1982. 687 с.
9.Глазов В.М. Основы физической химии: Учеб. Пособие для вузов. – М.: Высш. школа, 1981. 456 с.
10.Луценко Е. В. Автоматизированный системно-когнитивный анализ в управлении активными объектами (системная теория информации и ее применение в исследовании экономических, социально-психологических, технологических и организационнотехнических систем): Монография (научное издание). – Краснодар: КубГАУ. 2002. 605 с.
11.Система дистанционного обучения [электронный ресурс] // Список лекций по курсу: Математическое моделирование и методы синтеза ГХП URL: http://cisserver.muctr.edu.ru/virtuallab/mathmod.php?location=lect (Дата обращения 24.04.2015).
12.Сизова Т.М. Статистика: Учебное пособие. – СПб.: СПб ГУИТМО, 2005. – 80 с.
________________________________________________________________________________
Глазков Сергей Сергеевич - доктор технических наук, профессор кафедры химии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Е-mail: chemistry@vgasu.vrn.ru.
Файнбайм Александр Андреевич - студент строительно-технологического факультета Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.E-mail: fainbaim.a@yandex.ru
64
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 1(10), 2015
УДК 691.588:661.727.1
Н.А. Ходосова, Л.И. Бельчинская, В.Ю. Фролов
ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНОЙ МОДИФИКАЦИИ НА СОРБЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ АЛЮМОСИЛИКАТОВ
Получены данные о влиянии кислотной модификации на сорбционную способность природных минералов различной структуры. Определена эффективная концентрация модифицирующего агента для исследуемых алюмосиликатов.
Ключевые слова: алюмосиликаты, сорбция, формальдегид, модификация, кристаллохимическая структура
N.A. Khodosova, L.I. Belchinskaya, V.Yu. Frolov
INFLUENCE OF ACID MODIFICATION ON THE ALUMOSILICATES’ SORPTION CAPACITY
The data of the influence of acid modification on the sorption capacity of natural minerals with different structures was received. The effective concentration of the modifying agent for alumosilicates was defined.
Keywords: alumosilicates, sorption, formaldehyde, modification, crystal-structure
Введение. Алюмосиликаты (глинистые минералы и цеолиты) широко используются в различных отраслях промышленности – строительной индустрии, медицине, пищевой промышленности, косметологии, в качестве адсорбентов для очистки нефтепродуктов, осветления вин и соков, очистки сточных и природных вод и т.д [1, 2]. Минералы высоко ценятся за адсорбционные свойства, которые определяются площадью поверхности, природой минерала, количеством и активностью сорбционных центров. Предложены и используются различные способы улучшения сорбционных свойств алюмосиликатов [3,4,5], одним из которых является кислотная модификация.
Формальдегид - токсичное вещество, содержащееся в строительных материалах, пластмассах, лаках, красках, лекарственных препаратах, в сточных водах предприятий кожевенной, текстильной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленностях, производств основного органического синтеза. Например, на предприятиях по производству стройпластмасс в различных производственных процессах применяют формальдегид, поэтому формальдегид входит в состав сточных вод в количестве до 26 мг/л при ПДКв = 0,05 мг/л. На очистные сооружения деревообрабатывающих предприятий попадают сточные воды с содержанием формальдегида до 400 мг/г, т.е. в сотни раз превышающие установленные нормативы. Окружающая среда испытывает значительное антропогенное воздействие [6]. Использование алюмосиликатов в качестве сорбентовнаполнителей красок и смол для производства древесных полимерных материалов, а также для изготовления различных фильтров позволяет снизить экологическую нагрузку и улучшить состояние водных объектов.
Целью работы является повышение сорбции формальдегида природными алюмосиликатами при их кислотной модификации и установление роли структурного фактора в этом процессе.
Теоретическая часть. Исследовали природные минералы различного кристаллохимического строения – нонтронит, аттапульгит и клиноптилолит.
________________________________________________________________________________
© Ходосова Н.А., 2015
65