Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Моделирование процессов диффузии в полимерных системах

Диссертация: Моделирование процессов диффузии в полимерных системах
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Разработана программа, позволяющая проводить обработку экспериментальных данных, включающую в себя моделирование концентрационных распределений диффузанта, «очистку» экспериментальных данных от статистического шума, спектральный Фурьеанализ сигнала, свертку сигнала с произвольной или с одной из предопределенных функций отклика, разрешение свертки сигнала и искажающей функции, определение… Читать ещё >

Содержание

  • 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
    • 1. 1. Классификация методов исследования массопереноса
      • 1. 1. 1. Измерение кинетики поглощения диффузанта
      • 1. 1. 2. Измерение кинетики проницаемости
      • 1. 1. 3. Кинетика изменения граничных концентраций
      • 1. 1. 4. Измерение концентрационного профиля
    • 1. 2. Сравнительный анализ информативности экспериментальных методов определения параметров массопереноса
    • 1. 3. Методы измерения концентрационного профиля
      • 1. 3. 1. Интерференционный микрометод
      • 1. 3. 2. Электронная микроскопия
      • 1. 3. 3. Рентгеновский микроанализ
      • 1. 3. 4. Сравнение характеристик волновых и энергетических спектрометров
      • 1. 3. 5. Ионный зонд
      • 1. 3. 6. Рентгеновская рефрактометрия
  • 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТ
    • 2. 1. Моделирование концентрационных профилей в бинарных системах с концентрационно — независимым коэффициентом диффузии
    • 2. 2. Моделирование концентрационных профилей в бинарных системах с концентрационно — зависимым коэффициентом диффузии
    • 2. 3. Результаты моделирования концентрационных профилей в отсутствии их искажения функцией отклика
      • 2. 3. 1. Коэффициент диффузии не зависит от концентрации. Скачок концентрации на границе раздела фаз отсутствует
      • 2. 3. 2. Концентрационно — зависимый коэффициент диффузии. Скачок концентрации на границе раздела фаз отсутствует
      • 2. 3. 3. Концентрационно — зависимый коэффициент диффузии. На границе раздела фаз присутствует скачок концентрации
    • 2. 4. Учет искажения идеального профиля функцией отклика
    • 2. 5. Применение Фурье — преобразований для моделирования искажений идеальных профилей и обработки реальных профилей
      • 2. 5. 1. Формализм и особенности дискретных Фурье -преобразований
      • 2. 5. 2. Проблема математической фильтрации шумов в экспериментальных данных и восстановления искаженного сигнала
      • 2. 5. 3. Результаты моделирования аппаратных искажений теоретических концентрационных профилей различных типов
      • 2. 5. 4. Восстановление исходных концентрационных профилей путем разрешения свертки
  • 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТ
    • 3. 1. Взаимодиффузия в системах полихлоропрен статистические сополимеры акрилонитрила и бутадиена
      • 3. 1. 1. Диффузионная зона в системах ПХП-СКН
      • 3. 1. 2. Взаимодиффузия в системах ПХП-СКН
    • 3. 2. Взаимодиффузия и переходные зоны в системах фторполимер -мезогенный мономер/полимер
    • 3. 3. Переходная зона в системе полиэтилен — SO3 -модифицированный полиэтилен
    • 3. 4. Частицы дисперсной фазы в системе полистирол -сополимер бутадиена и стирола
    • 3. 5. Индивидуальные макромолекулы СКС в матрице полистирола
  • ВЫВОДЫ

Моделирование процессов диффузии в полимерных системах (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность темы

Развитие высоко-локальных аналитических методов исследования полимеров — рентгеновский микроанализ, вторичная ионная масс-спектрометрия, рентгеновская рефрактометрия, аналитическая электронная микроскопия, Оже-спектрометрия и лазерный микроанализ1 — способствовало, в свою очередь, бурному развитию исследований в области трансляционной диффузии в полимерных системах. В последние годы появились работы, в которых были изучены диффузионные зоны протяженностью, сравнимой в поперечными размерами нескольких макромолекулярных клубков, а нижняя граница измеряемых • коэффициентов взаимои самодиффузии достигла предельно низких значений ~ 10″ 15 ч- 10″ 17 см2/сек .На повестке дня определение коэффициентов трансляционной подвижности в полимерных стеклах и кристаллах, в области метастабильного состояния диаграмм фазового состояния.

Принципиальное значение для решения этих задач имеет экспериментальная и методическая идентификация всех состояний, возникающих в диффузионной зоне, точнее, переходной зоне, при движении фигуративной точки системы по различным траекториям в температурно-концентрационном поле диаграмм фазового состояния.

Хорошо известно, что регистрация концентрационных профилей локальными методами осуществляется на фоне вносимых измерением экспериментальных погрешностей. Физическая природа таких искажений, естественно, разнится от метода к методу, однако.

Их разрешение изменяется в интервале от 1 до ЮОнм сам эффект «инструментальной функции» присутствует всегда и по сути проявляется как свертка искомого КП с так называемой функцией отклика г (response), которая описывает конкретную экспериментальную методику и установку. Очевидно, что в «предельных» ситуациях, когда характерный размер объекта исследования (диффузионная зона) сравним по величине с размером функции г, ее влияние наиболее сильно сказывается на корректности экспериментальных данных. Поэтому разработка единой методики восстановления экспериментальных данных различного типа и ее воплощение в виде компьютерного программного пакета, является актуальной.

Цель работы — моделирование процессов взаимодиффузии в полимерных системах с учетом искажающих инструментальных функций и стохастических флуктуаций регистрируемого параметра, разработка программного обеспечения и апробация его на конкретных системах.

В работе решались следующие конкретные задачи:

• численное моделирование концентрационных профилей в области выше критических температур смешения компонентов для постоянных и концентрационно-зависимых коэффициентов диффузии D.

• численное моделирование концентрационных профилей в области ниже критических температур смешения компонентов для постоянных и концентрационно-зависимых D, с учетом изменения концентрации на межфазной границе.

• анализ особенности свертки / восстановления концентрационных профилей для различных типов функций отклика. Учет влияния стохастических флуктуаций регистрируемого параметра на концентрационные профили, их восстановление и расчет коэффициентов диффузии.

• создание единого программного обеспечения (ПО), позволяющего выполнить все вышеуказанные задачи.

• апробация разработанных методик и программного обеспечения применительно к различным полимерным системам и методам их изучения — рентгеновский микроанализ, трансмиссионная электронная микроскопия, вторичная ионная массспектрометрия.

Научная новизна — в работе впервые:

• разработаны методики и проведен численный анализ воздействия различных функций отклика г на «идеальные» концентрационные профили распределения диффузанта в системе из двух полубесконечных контактирующих сред;

• определены значения градиентов концентраций и размеров диффузионных зон, при которых влиянием различных функций отклика при расчетах коэффициентов диффузии можно пренебречь;

• показано, что с помощью дискретных Фурье — преобразований можно, определяя спектральные характеристики экспериментального анализа, оценивать неизвестные аппаратурные функции отклика и восстанавливать искаженные концентрационные профили, либо иные подобные экспериментальные зависимости;

• разработана единая методика одновременного восстановления и сглаживания результатов эксперимента;

• разработано единое программное обеспечение, позволяющее решать как специальные задачи (моделирование концентрационных профилей и их искажений), так и общие задачи восстановления искаженного сигнала, очищения данных от статистических шумов, определения характеристик реальной функции отклика и пр. Практическая значимость.

Предложенные в работе методики анализа, восстановления, дискриминации и сглаживания экспериментальных данных, и разработанное на этих принципах программное обеспечение, позволяют не только более корректно исследовать диффузионные зоны образцов, размеры которых приближаются к разрешающей способности экспериментальных установок, но и эффективно разрешать общий спектр проблем, связанных с обработкой искаженных и сильно зашумленных экспериментальных данных вообще.

Автор выносит на защиту:

• результаты моделирования и Фурье — анализа концентрационных профилей системы полимер — полимер;

• методику восстановления / многополосной фильтрации экспериментальных данных, разработанную в рамках формализма дискретных Фурье — преобразований;

• методику определения параметров реальной аппаратной функции, не требующую проведения дополнительных экспериментов;

• результаты применения вышеупомянутых методик к обработке данных по концентрационному распределению диффузанта, полученных методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа на примере изучения диффузионных зон в системах ПХП-СКН, привитых слоях ЖК — полимера на фторопластах, межфазных слоях ПС-СКС и др. Апробация работы.

Результаты работы были представлены на Всероссийских и международных конференциях «Структура и молекулярная.

V/ динамика полимерных систем", Иошкар — Ола, 1995, 1996, 1997, 1998 гг., доложены на ежегодных конференциях аспирантов и докторантов ИФХ РАН, представлены на международную конференцию «Смеси полимеров», Германия, Ульм, 1999. Структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, приложения, выводов и списка цитируемой литературы.

ВЫВОДЫ.

1. Разработаны методики и проведен численный анализ воздействия различных функций отклика г на концентрационные профили распределения диффузанта с постоянным коэффициентом диффузии В и концентрационно — зависимым В. Определены значения градиентов концентраций и размеров диффузионных зон, при которых влиянием различных функций отклика (прямоугольная ступенька, треугольный пик, гауссиан) при расчетах коэффициентов диффузии можно пренебречь.

2. Разработаны методики и проведен численный анализ воздействия различных функций отклика г на концентрационные профили распределения диффузанта в системах с межфазными границами с постоянным коэффициентом диффузии В и концентрационно — зависимым В. Установлены требования к аппаратурным функциям, при которых возможен анализ концентрационных профилей в области межфазной границы,.

3. Показано, что с помощью дискретных Фурье — преобразований можно определять спектральные характеристики экспериментального анализа, оценивать неизвестные аппаратурные функции отклика и восстанавливать искаженные концентрационные профили в области наибольшего градиента концентрации.

4. Разработана программа, позволяющая проводить обработку экспериментальных данных, включающую в себя моделирование концентрационных распределений диффузанта, «очистку» экспериментальных данных от статистического шума, спектральный Фурьеанализ сигнала, свертку сигнала с произвольной или с одной из предопределенных функций отклика, разрешение свертки сигнала и искажающей функции, определение концентрационной зависимости коэффициентов диффузии по методу Матано-Больщлана. 5. С помощью разработанного программного обеспечения проведены исследования:

• взаимодиффузии в системах Г1ХП-СКН, ПС-СКС, концентрационные профили в которых изучены методом рентгеновского микроанализа,.

• строения переходной зоны в системе ПС-СКС и ПММА-ПВХ,.

• распределения концентраций в переходных областях — привитой ЖКполимер — фторопластмодифицированный $Оз — полиэтилен — полиэтилен, разделения тормозного и характеристического спектров в локальных зонах концентрационного градиента.

Показать весь текст

Список литературы

  1. А.Е.Чалых. Диффузия в полимерных системах. Москва, Химия, 1987.
  2. А.Е. Чалых, Е. А. Глазер Методы исследования диффузионных процессов в полимерных пленках и покрытиях, Ленинград, 1984.
  3. Shi-Qing Wang, Q.Shi. Interdiffusion in Binary Polymer Mixtures. //Macromolecules 1993, 26, pp.1091−1096.
  4. W.A.Boyle, R.F.buchholz, J.A.Neal, J.L.McCarthy. Flow Injection Estimation of Diffusion Coefficients of Pauci- and Polydisperse Polymers Such as Polystyrene Sulfonetes.//Journal of Applied Polymer Science, 1991, Vol. 42, pp. 1969−1977.
  5. M.Wessling, T.v.d.Boogaard, M.H.V.Mulder, C.A.Smolders. Transport of Gases through Polymeric Membranes. //Makromol.Chem., 1993, Macromol.Symp.70/71, pp.379−396
  6. К.Хауффе. Реакции в твердых телах и на их поверхности. Пер. с нем. Изд-во иностр. лит-ры, 1962.
  7. В.Я. Попов, В. В. Лаврентьев, Применение метода нарушенного полного внутреннего отражения для исследования диффузии низкомолекулярных веществ в полимерах. // Диффузионные явления в полимерах, Рига 1977.
  8. G.Boven, R.H.G.Brinkhuis, Eltjo J. Vorenkamp, G. Challa, A.J.Schouten. Interdiffusion of free and grafted poly (methylmethacrylate) with polyvinylchloride, studied by infrared spectroscopy. //Polymer, 1992, Vol.33, No.6.
  9. J.Crank. The Mathematics of Diffusion. Oxford, At the Clarendon Press, 1956.
  10. D.R.Iyengar, J.V.Brennan, T.J.McCarthy. Design of polymerpolymer interfaces: adsorption of polystryrene to PVF2 //Amer.Chem.Soc., 1990, Vol31, No.2, pp.627−682.
  11. Y.Liu, G. Reiter, K. Kunz and M.Stamm. Investigation of the the Interdiffusion between Poly (methyl methacrylate) Films by Marker Movement//Macromolecules 1993, 26, pp.2134−2136.
  12. M.A.Bulter, R.J.Buss. Molecular diffusion in plasma-polymerized tetrafluoroethylene.//J.Appl.Phys. 72(9), 1, November 1992.
  13. A.E., Загайтов А. И., Громов В. В., Коротченко Д. П., «Оптический диффузиометр ОДА-2»., Препринт 3d-96, 1996, 36с.
  14. А.И., Коротченко Д. П., Громов Вс.В., «Оптический диффузиометр»// сб. ст. «Некоторые проблемы физической химии», 1997, с. 117- 121.
  15. А.Е.Чалых, А. Д. Алиев, А. Е. Рубцов. Электронно-зондовый микроанализ в исследовании полимеров. Москва, «Наука», 1990.
  16. В.М.Лукьянович. Электронная микроскопия в физико-химичечких исследованиях. Изд-во Академии Наук, Москва, 1960.
  17. Количественный электронно-зондовый микроанализ. Под ред. В. Скотта, Г. Лава. Пер. с англ. Москва, «Мир», 1986.
  18. S.R.Lustig, J.G.Van Alsten, B.Hsiao. Polymer Diffusion in Semi-crystalline polymers. 1. Poly (etherimide)/(Poly (aryl ether ketone ketone). // Macromolecules 1993, 26, pp.3665−3894.
  19. Thomas G.E., van der Light G.C.J., Lippits G.J.M., van de Nei G.M.M. //Appl. Surf. Sci. 1980. V.6. pp.204−224.
  20. В.И., Кодолов В. И., Михайлова С. С., Строение и свойства поверхности полимерных материалов. Москва «Химия» 1988.
  21. Katz W.// Microbeam. Anal. 1981 Proc. 16th Annual Conf. Micro-beam Anal. Soc. Vail. Colo. 13−17 July 1981. San-Francisco. Calif.1981. pp. 287−295.
  22. В.И., Черепин В. Т. Физические методы исследования поверхности твердых тел. М.: Наука, 1983.
  23. Электронная и ионная спектроскопия твердых тел. / Под ред. J1. Фирменса и др. М.: Мир, 1981.
  24. В.Т., Васильев М. А., Методы и приборы для анализа поверхности материалов. Справочник. Киев, Наукова думка1982.
  25. Briggs D., Wootton ABM Surf. Interface Anal. 1982. V 4. N 3. ppl09-l 15.
  26. Методы анализа поверхностей / под. Ред. А.Зандерны. М.: Мир, 1979.
  27. А.Д.Алиев. Рентгеновский микроанализ в исследовании диффузии и фазового равновесия полимерных систем.// Тезисы докладов III Всесоюзной Конференции. Часть 1. Рига, 1977. стр.7−11.
  28. E.Jabbari, N.A.Peppas. A model for interdiffusion at interfaces of polymers with dissimilar physical properties.// Polymer Vol.36 No.3. pp.575−586.
  29. G.Meier, G. Fytas, B. Momper, and G.Fleisher. Interdiffusion in Homogenous Polymer Blend Far above Its Glass Transition Temperature.// Macromolecules 1993, 26, pp.5310−5315.
  30. А.Е. Чалых, А. Е. Рубцов, А. Авгонов, А. Д. Алиев, Вс.В. Громов //Высокомолекулярные соединения, сер.А., 1998, т. 40, № 4, с. 596−603.
  31. J.Lee, K. Park, T. Chang, J.C.Jung. Polymer/Probe Interaction in Probe Diffusion through a Polymer Matrix: Methyl Red Diffusion in Poly (vinyl acetate)/Toluene Solutions. // Macromolecules 1992, 25, pp.6977−6979
  32. Ames W.F., Numerical Methods for Partial Differential Equations 2nd ed. (New York Academic Press), 1987.
  33. Flannery В., Teukolsky A., Vetterling W., Numerical Recipes in C. The Art of Scientific Computing., Cambridge University Press 1989.
  34. П.Ф.Фильчаков. Численные и графические методы прикладной математики. «Наукова Думка», Киев, 1970.
  35. Н.Н. Калиткин. Численные методы. Москва, «Наука», 1978.
  36. George Е. Forsythe, Malcolm A., Moler В., Computer Methods for Mathematical Computations (Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1997)
  37. Bloomfield P., Fourier Analysis of Time Series An Introduction. New York: Wiley, 1976.
  38. А.В.Бицадзе. Уравнения математической физики. Москва, «Наука», 1982.
  39. Champeney D.C., Fourier Transforms and Their Physical Applications. New York: Academic Press, 1973.
  40. Rabiner L.R., Gold В., Theory and Application of Digital Signal Processing, (Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall 1975).
  41. Stoer J., Bullich R., Introduction to Numerical Analysis (New York: Springer-Verlag 1980).
  42. Jazwinski A.H., Stochastic Processes and Filtering Theory, New York: Academic Press, 1970.
  43. Acton S., Numerical Methods That Work., New York: Harper and Row, 1972.
  44. Nussbaumer H.J., Fast Fourier Transform and Convolution Algorithms (New York: Springer Verlag 1982).
  45. Childers G. Welch P.D., Modern spectrum Analysis. New York: IEEE press, 1978.
  46. Oppenheim A.V., Schafer R.W., Digital Signal Processing. (Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall 1975).
  47. Brigham E., Oran D., The Fast Fourier Transform (Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall 1974).
  48. Elliott D.F., Rao K.R., Fast transforms: Algorithms, Analyses, Applications. New York: Academic Press, 1982.
  49. Dantzig G.B., Linear Programming and Extensions, Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1963.
  50. Be.В., Чалых A.E.// сб. ст. «Структура и молекулярная динамика полимерных систем», 1995, Йошкар-Ола, изд. MAP. ГТУ T. I с. 34.
  51. Громов Вс. В, «Исследование структуры переходных зон в полимерных системах с неполной термодинамической совместимостью с помощью просвечивающей электронной микроскопии"// 1997, сб. ст. «Некоторые проблемы физической химии» с. 129 -134.
  52. M.JI. Краснов, «Интегральные уравнения», Москва, «Наука», 1975.
  53. Вс.В., Чалых А.Е.// сб. ст. «Структура и динамика молекулярных систем», 1996, Казань, изд. КГУ T. I с. 34.
  54. А.Е., Герасимов В. К., Михайлов Ю. М., Диаграммы фазового состояния полимерных систем. Москва, «Янус-К» 1998.
  55. Huber P.J., Robust statistics, Wiley, 1981.
  56. Bryson А.Е. and Ho Y.C., Applied Optimal Control, New York, 1969.
  57. В.А. Методы вычисления на ЭВМ. Киев: Наукова думка, 1986.
  58. В.Н. Цветков, В. Е. Эскин, С. Я. Френкель. Структура макромолекул в растворах. Москва, Изд-во «Наука», 1964.
  59. Cooper L., Steinberg D., Introduction to Methods of Optimization., Philadelphia: Sounders, 1970.
  60. Kuenzi H.P., Tzschach H.G., Numerical Methods of Mathematical Optimization. New York: Academic Press, 1970.
  61. A.E., Авгонов А., Рубцов A.E., Бессонова Н. И. // Высокомолекулярные соединения. А. 1996. Т. 38. № 2. с. 297.
  62. А.Н., Фодиман Н. М., Воюцкий С. С. // Высокомолекулярные соединения. А. 1969. Т. 11. № 2. с. 394.
  63. С.С., Гаретовская H.JI. // Каучук и резина. А. 1966. Т. 11. № 2. с. 394.
  64. С.С., Аутогезия и адгезия высокополимеров. Москва. Гостехиздат. 1960.
  65. P.M. // Высокомолекулярные соединения. 1961. Т. 3. № 2. с. 679.
  66. Вс.В., Чалых А.Е.// сб. ст. V Всероссийской конф. «Структура и динамика молекулярных систем Яльчик -98», 1998 T.Ic.30.
  67. А.Е.Чалых, А. Д. Алиев, А. Е. Рубцов. Электронно-зондовый рентгеноспектральный микроанализ в исследовании полимеров. Москва, «Наука», 1991.
  68. Hellfand E.//J. Chem. Phys. 1975. V. 63., № 5. p. 2192.
  69. А.И., Скирда В. Д., Фаткуллин Н. Ф. Самодиффузия в растворах и расплавах полимеров.
  70. С.А. // Оптико механическая промышленность. 1978, № 4, с. 52.
  71. Vasilets V.N., Kovalchuk A.V., Ponomarev A.N.//J. Photopolym. Sei. and Technol. 1994.V. 7. № 1. p. 165.
  72. C.A., Стереометрическая металлография. Москва, Гос. науч.-тех. изд. лит. по черн. и цв. мет. 1958.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?