Введение

В современной пищевой промышленности, помимо качества продукта, важным фактором высоких продаж является яркая, функциональная упаковка, которая должна быть безопасной как для окружающей среды, так и для здоровья человека.

Популярные современные упаковочные материалы имеют существенный недостаток - для придания им необходимых потребителю свойств в них добавляют различные стабилизаторы, пластификаторы, смягчители, наполнители и т.д.

Небезопасность использования той или иной упаковки часто вызвана именно наличием данных веществ, их миграцией в пищевые продукты и, соответственно, дальнейшим поступлением в организм человека, влекущим за собой негативные последствия для здоровья, вплоть до летального исхода.

Одним из путей решения проблемы увеличения экологичности упаковочных полимеров является поиск новых альтернативных материалов, способных заменить современные популярные упаковки, представляющие угрозу для здоровья человека.

Другой путь решения представляет собой изменение самого метода задания полимеру необходимых для упаковки характеристик. То есть вместо использования добавок производить синтез в таких макрокинетических условиях, при которых полимер приобретает необходимые потребителю свойства.

Единственно возможной реализацией данного подхода до настоящего времени являлся эмпирический метод - это определение оптимальных параметров для синтеза полимерных материалов с желаемыми свойствами экспериментальным путем. Данный метод требует больших финансовых вложений и временных ресурсов.

Математическое моделирование полимеризационного процесса позволяет предсказывать молекулярно-массовые характеристики, а также диэлектрические и оптические свойства получаемого полимера. Методика задания определенных свойств полимеру, разработанная на основе составленной модели, является эффективной альтернативой использования добавок и решением сложившейся проблемы.

Для разработки методики контроля за свойствами полимера, базирующейся на модульном математическом моделировании, в качестве модельной системы был выбран полиметилметакрилат. Основанием для этого послужил процесс получения оргстекла без применения добавок (RIM-технологией). Весомым аргументом для выбора послужил факт практики использования его в пищевой промышленности не только ввиду отсутствия вредных примесей, но и механической прочности, химической устойчивости. Важный довод за использование полиметилметакрилата (ПММА) в качестве упаковочной тары заключается в возможности его вторичного использования, что является наиболее экологичным решением проблемы утилизации твердо-бытовых отходов в современной обстановке.

Разработка математической модели осуществлена для системы метилметакрилат (ММА) - инициатор азобисизобутиронитрил - ферроцен.

На основе созданной модели будет сформирована методика прогнозирования набора молекулярно-массовых характеристик (ММХ) получаемого ПММА. Варьированием показателей ММХ можно осуществлять изменение и контроль за физико-механическими, оптическими и электретными свойствами синтезируемого полимера.

Научная новизна данной работы заключается в том, что в мире еще не было проведено исследований в области математического моделирования процесса полимеризации ММА в присутствии ферроцена.

На основе найденных с помощью математической модели константы полимеризации охватывают большой диапазон температур и могут использоваться для описания механизмов других химических реакций, в которых присутствует ПММА.

Впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования по определению влияния температуры, начальных концентраций мономера и ферроцена на молекулярно-массовые характеристики получаемого ПММА;

Впервые разработан математический формализм, который лег в основу системы управления характеристиками ПММА, синтезируемого полимеризацией в присутствии ферроцена.

Практическая значимость курсовой работы состоит в разработке методологии задания свойств не традиционными путями, такими как введение добавок и проведение экспериментальных исследований, а путем варьирования макрокинетических характеристик (начальные концентрации мономера, концентрация инициатора в системе, температура). Такой подход повлечет за собой минимизацию используемых добавок и, соответственно, повышение безопасности упаковочных материалов.

Созданная в работе методика регулирования свойств получаемого полимера способна применяться на заводах-изготовителях в качестве основы производства высококачественного упаковочного материала с различным комплексом свойств.

Преимущество использования разработанной в проекте методологии заключается в том, что методика контроля за параметрами и свойствами ПММА, синтезируемого в присутствии МЦ, позволит получать высокотехнологичный полимер с различными комбинациями свойств, не увеличивая при этом его стоимость.

Выявленные в процессе работы зависимости можно использовать для моделирования полимеризации других виниловых мономеров.

Таким образом, цель курсовой работы заключается в создании методологии получения полимера с заданными молекулярно-массовыми характеристиками путем разработки модульной математической модели на примере синтеза ПММА в присутствии ферроцена.

Для достижения цели в работе были решены следующие задачи:

- разработка кинетической модели процесса радикальной полимеризации ММА с учетом гель-эффекта и решение обратной кинетической задачи полимеризации ММА - восстановление констант скоростей элементарных стадий из экспериментальных данных и кинетической модели;

- проверка адекватности полученной кинетической модели радикальной полимеризации ММА, проводимая сравнением экспериментальных значений молекулярно-массовых характеристик ПММА со значениями, которые были выведены теоретически;

- разработка кинетической модели процесса полимеризации ММА с добавлением ферроцена и учетом гель-эффекта и решение обратной кинетической задачи полимеризации ММА при добавлении ферроцена, что позволит определить константы скоростей элементарных стадий полимеризации в координационной сфере металла;

- проверка адекватности полученной модели полимеризации ММА при добавлении ферроцена на экспериментальных данных при определенной температуре;

- на основе систематизации полученных результатов осуществление создания единой методологии контроля над молекулярно-массовыми характеристиками (а как следует и свойствами) ПММА, синтезируемого в присутствии МЦ.

Автор выражает благодарность профессору кафедры ТППКМ Улитину Н.В., ассистенту кафедры ТППКМ Терещенко К.А. за консультацию по вопросам математического моделирования и профессору БашГУ Колесову С.В. за предоставленные экспериментальные данные.