Поливинилформальэтилаль (ПВФЭ) относится к поливинилацеталям (ПВАц), обладает высокой адгезией к различным материалам, в том числе к металлу и стеклу, хорошими электроизоляционными свойствами [2].

Эмпирическая формула ПВФЭ [1]:

где х – содержание поливинилформаля = (41,3–45,65) % масс.; у – содержание поливинилэтилаля = (36,1–41,8) % масс.; z – содержание поливинилацетата = (0,5–1,46) % масс.; м – содержание поливинилового спирта (ПВС) = (22,49–11,09) % масс.

Производство поливинилацеталей в СССР существовало в ОАО «Пластполимер» (г. Санкт-Петербург); «Кусковский хим.завод» (г. Москва); ПО «Поливинилацетат», (г. Ереван, Армения); СПО «Азот» (г. Северодонецк, Украина).

В настоящее время в России производство поливинилацеталей отсутствует. Поэтому точного технологического регламента по производству ПВФЭ не существует, и основной задачей является определение в лабораторных условиях параметров, которые существенно влияют на качество готового продукта.

Для получения высокосортного поливинилформальэтилаля массовая доля формальных групп должна быть в пределах (18–21) %, массовая доля этилальных групп (18–20) % и кислотное число не более 0,12 мг КОН на 1 г сухого продукта [5].

В табл. 1 представлена выборка значений показателей качества поливинилформальэтилаля, полученного на лабораторной установке.

Таблица 1

Технические характеристики ПВФЭ, полученные экспериментально

Из экспериментальных данных, полученных на лабораторной установке, видно, что показатель m2 (массовая доля этилальных групп) выходит за допустимые границы, которые соответствуют поливинилформальэтилалю высшего сорта.

В качестве плана эксперимента использовалась полуреплика от полно-факторного эксперимента 28.

Перечень факторов, варьируемых в эксперименте:

х1 – температура первой стадии ацеталирования (70 °С – верхний уровень, 68 °С – нижний уровень);

х2 – время выдержки (3 ч 18 мин – верхний уровень, 2 ч 42 мин – нижний уровень при температуре, равной х1);

х3 = u1 – скорость снижения температуры после завершения первой стадии ацеталирования (17 °С/ч – верхний уровень, 13 °С/ч – нижний уровень);

х4 = u2 – скорость снижения температуры после завершения второй стадии ацеталирования (14 °С/ч – верхний уровень, 10 °С/ч – нижний уровень);

х5 – время выдержки (3 ч 18 мин – верхний уровень, 2 ч 42 мин – нижний уровень при температуре 4 °C);

х6 – расход формалина (3,1 кг/15 мин – верхний уровень, 3,1 кг/20 мин – нижний уровень);

х7 – расход ацетальдегида (6,6 кг/15 мин – верхний уровень, 6,6 кг/20 мин – нижний уровень);

х8 = u3 – скорость подъема температуры (5,6 °С/ч – верхний уровень, 5 °С/ч – нижний уровень).

Для установления связи между массовой долей этилальных групп m2 и факторами, варьируемыми в данном эксперименте, применялось линейное уравнение регрессии [6]:

(1)

где – кодированное значение факторов xj;

– шаг; bj – коэффициент регрессии.

Для каждой строки определялись соответствующие значения откликов (m2 опытное – массовая доля этилальных групп). План эксперимента с полученными результатами приведен в табл. 2.

Таблица 2

План эксперимента с результатами

В результате обработки экспериментальных данных [7] были получены искомые коэффициенты для уравнения (2).

Коэффициенты регрессии:

b0 = 19,156; b1 = –0,131; b2 = 0,119;

b3 = 0,019; b4 = –0,194; b5 = –0,056;

b6 = 0,094; b7 = –0,044; b8 = 0,156.

Тогда полученное уравнение регрессии (1) примет вид:

(2)

Для оценки дисперсии воспризводимости первый опыт был проведен пять раз.

Найдено среднее значение результатов всех опытов m2ср и получены дисперсия воспроизводимости опытов и среднеквадратическое отклонение воспроизводимости опытов Sm2:

(3)

(4)

где n – объем выборки, n = 5.

Проведена проверка значимости параметров.

Коэффициент регрессии bj является значимым, если выполняется условие значимости

У всех коэффициентов ошибка Sb одинаковая, поскольку план эксперимента является ортогональным.

(5)

где N – общее количество опытов.

Доверительный интервал ошибки коэффициента регрессии Sb·t, где t – критерий Стьюдента [3], равный:

t(α; f) = 2,78,

где α = 0,05 – уровень значимости; f = m – 1 – число степеней свободы для Sm2.

Тогда доверительный интервал ошибки коэффициента регрессии равен:

Sb·t = 0,028·2,78 = 0,079. (6)

В соответствии с условием значимости значимыми коэффициентами регрессии оказались:

b0 = 19,156; b1 = –0,131; b2 = 0,119; b4 = –0,194; b6 = 0,094; b8 = 0,156.

Значимые коэффициенты относятся к факторам, значимо влияющим на показатель качества m2. К таким факторам относятся x1, x2, x4, x6 и x8. Именно эти факторы необходимо найти и стабилизировать при промышленной реализации процесса.

Проверка адекватности уравнения регрессии осуществлялась по критерию Фишера F. Для того чтобы при заданном уровне значимости α = 0,05 проверить нулевую гипотезу H0 о принадлежности двух выборок одной генеральной совокупности, необходимо вычислить наблюдаемое значение критерия.

Адекватность полученного уравнения регрессии определялась остаточной дисперсией:

(7)

где l – количество значимых коэффициентов.

Уравнение регрессии адекватно, если и  относятся к одной генеральной совокупности, что оценивается по дисперсионному отношению:

(8)

По таблице квантелей распределения Фишера [3] для заданного уровня значимости α и чисел степеней свободы f1 для , f2 для , найдена критическая точка Fk(α, f1, f2).

Критическое значение критерия Фишера:

Fk (0,05;10;4) = 5,96. (9)

Сравнив (8) и (9), выяснено, что F < Fk, поэтому уравнение регрессии адекватно.

В итоге установлено, что на получение высокосортного поливинилформальэтилаля оказывают влияние следующие факторы: температура первой стадии ацеталирования; время выдержки при температуре первой стадии ацеталирования; скорость снижения температуры после завершения второй стадии ацеталирования; расход формалина и скорость подъема температуры в конце процесса ацеталирования поливинилового спирта. Поэтому именно этими параметрами необходимо управлять при автоматизации процесса получения поливинилформальэтилаля высшего сорта.

Рецензенты:

Добротин С.А., д.т.н., профессор, директор ООО «НТЦ «Безопасность», г. Дзержинск;

Сажин С.Г., д.т.н., профессор, генеральный директор ООО «НТЦ «АСТ», г. Дзержинск.

Работа поступила в редакцию 07.11.2012.