Компьютерная система формирования полимерных композиционных материалов для вторичной переработки

Введение, обзор литературы, цель

Производство полимерных изделий явля ется одной из наиболее быстроразвивающихся отраслей промышленности , темп роста отрас ли оценивается в 5-6 % ежегодно , а в резуль тате потребления продукции в год образуется 220 млн тонн пластиковых отходов [1].

После использования пластиковые отхо ды можно утилизировать тремя способами . Пластик подвергают термической обработке , однако большинство современных методов термической утилизации оказывают значи тельное негативное влияние на экологию и здоровье людей . Таким образом утилизируется около 15 % пластиковых отходов [2].

Наиболее распространенный метод избавления от пластиковых отходов - захоронение или размещение в природной среде (35 %). Проблема заключается в том, что промышленные синтетические полимеры обладают относительно высокой устойчивостью и медленно разлагаются под воздействием окружающей среды, накапливаясь в виде загрязнений, в результате чего количество отходов увеличивается [3; 4].

Третий метод утилизации , активно раз вивающийся и набирающий популярность на данный момент - вторичная переработка . Этот метод замедляет окончательную утилизацию , позволяя использовать бывшее в употреблении сырье повторно , снижая уровень потребности в первичном сырье . Несмотря не только на эко логический интерес , но и на экономическую выгодность за счет более низкой цены на вто ричное сырье , на данный момент охватывается только 15 % полимерных отходов [5].

Различают три вида полимерных отходов : технологические отходы производства ( воз вратные и невозвратные ), отходы производ ственного и общественного потребления [6; 7].

Возвратные технологические отходы – это высококачественное сырье с известными свой ствами , аналогичными производимому поли меру , возникающее при резке продукции . Его вторичная переработка часто проводится на том же предприятии , так как не требует особого обо рудования . Технологические отходы , которые невозможно использовать повторно , возникают из - за нарушений технологических процессов во время синтеза и обработки . Этот тип отходов считается технологическим браком , уровень которого предприятия сводят к минимуму .

Отходы производственного потребления – это полимерные продукты , которые ранее при менялись в разных секторах народного хозяй ства . Эти отходы отличаются однородностью за счет использования однотипного сырья , низким уровнем загрязнения и представляют большую ценность для производства новых товаров [8].

Отходы общественного потребления ( бы товые полимерных отходы ) отно сятся к сме шанным и составляют более 50 % всех по лимерных отходов . Переработка этой группы отходов наиболее затруднительна , так как их состав и свойства неизвестны [9].

Важно знать состав композиции , так как при переработке смесей полимеры могут вы зывать разложение других компонентов в силу несовместимости . Именно поэтому определе ние совместимости полимеров является одной из основных задач вторичной переработки .

Для определения состава и свойств бы товых отходов применяют аналитический и экспериментальный подходы .

Аналитический подход представляет собой статистическую оценку произведенной и потре бляемой продукции по годам , а именно анали зируются количественные показатели произве денной и приобретенной пленки каждого типа . На основании этих данных и визуальной оценки при переработке технолог может сделать выво ды о количестве отходов каждого типа .

К экспериментальному подходу отно сят флуктуационный метод, при применении которого полимеры делятся на слои по плот- ности. Технолог, зная плотность полимеров, может определить типы отходов, находящихся на каждом слое. Зная состав композиции, следует установить их совместимость и при необходимости выбрать добавочный полимер для улучшения совместимости или изменения значений выходных свойств композиции.

Именно для автоматизированного решения этой задачи разработано веб - приложение фор мирования полимерных композиционных ма териалов ( ПКМ ) для вторичной переработки . Использование разработанного программного продукта удобно для предприятий , занимаю щихся производством и вторичной переработ кой полимерной продукции .

В ходе анализа существующих программ ных решений в данной сфере выделены наи более близкие к решаемой задаче .

Программный комплекс для оценки тер моупругопрочностных характеристик компо зиционного материала [10] в большей мере решает задачу оценки характеристик , но не позволяет определять совместимость полимер ных материалов , в отличие от разрабатываемо го программного продукта .

Программный продукт « Модуль машинно го обучения » [13] предназначен для создания ПКМ и прогнозирования свойств его моно слоя на основе анализа свойств компонентов и технологических условий производства . Этот функционал аналогичен функционалу разрабатываемого программного продукта , но в отличие от него « Модуль машинного обуче ния » не решает задачу расчета механических характеристик ПКМ .

« Программный модуль прогнозирования электропроводящих свойств полупроводящих полимерных композиционных материалов , обладающих положительным эффектом сопро тивления » [14] предназначен для вычисления электропроводящих свойств композитов , ис ходя из свойств входящих в состав материалов , концентрации наполнителя и температуры окружающей среды . Этот программный про дукт решает проблему анализа ПКМ с электро проводящим наполнителем , т . е . он менее гибок по сравнению с разрабатываемой системой .

Следовательно, остается актуальной задача разработки гибкой компьютерной системы, которая позволит подбирать состав ПКМ, исходя из требований к выходным свойствам, прогнозируя их до производства продукции, и определять подходящую технологию вторичной переработки. Система отличается от существующих комплексным подходом к решению задачи исследования ПКМ различного вида для вторичной переработки.

Методы исследования

Ядром компьютерной системы является информационное обеспечение , включающее :

• 1.    Базу данных пользователей , содержащую учетные записи пользователей для аутентифи кации и определения их прав в системе .

• 2.    Базу знаний ( БЗ ) о характеристиках по лимерных материалов , представленную в виде продукционно - фреймовой модели , основан ную на фрейме вида

• 3.    БЗ о совместимости полимерных мате риалов , представленную в виде семантической сети , узлами которой являются полимерные материалы , связи между узлами описывают совместимость полимерных материалов , атри бутами связей являются литературные источ ники , которые подтверждают совместимость двух полимеров , основываясь на проведенных экспериментах .

Fr::= (ПКМ, Q, A), где слоты Q = {q1, q2, q3}: q1 – состав ПКМ, включающий полимер-матрицу и добавки; q2 – свойства ПКМ и их значения; q3 – способ вторичной переработки ПКМ; атрибуты A = {a11…a34}: a11 – полимеры (включая матрицу и добавки); a12 – концентрация полимеров в ПКМ; a21 – плотно сть ПКМ; a22 – прочность ПКМ; a23 – упругость ПКМ; a24 – показатель текучести расплава ПКМ; a31 – прессование; a32 – экструзия; a33 – литье под давлением; a34 – производство волокон. Для определения способа вторичной переработки по показателю текучести расплава [11,12] сформированной композиции введены продукционные правила:

PR1 ::= ЕСЛИ ( ПТР = 0.03), ТО ( способ вторичной переработки – прессование ),

PR2 ::= ЕСЛИ (3.00 ≥ ПТР ≥ 0.30), ТО ( способ вторичной переработки – экструзия ),

PR3 ::= ЕСЛИ (20.00 ≥ ПТР ≥ 5.00), ТО ( способ вторичной переработки – литье под давлением ),

PR4 ::= ЕСЛИ (30.00 ≥ ПТР ≥ 15.00), ТО (способ вторичной переработки – производство волокон), где ПТР – показатель текуче сти расплава ПКМ, вводимый исследователем, г/10 мин.

За счет клиент - серверной архитектуры обе спечивается доступ к системе в любой части производства и с любого современного устрой ства , требования к которому снижены , так как вычисления производятся на стороне сервера .

Функциональная структура включает :

• –    интерфейсы пользователей ( администра тора и исследователя );

• –    информационное обеспечение ;

• –    модуль аутентификации и авторизации ;

• –    модуль справочной информации ;

• –    модуль редактирования информационно го обеспечения ;

• –    модуль формирования ПКМ ;

• –    модуль прогнозирования свойств компо зиций ;

• –    модуль подбора способа вторичной пере работки ;

• –    модуль формирования результатов ;

Для определения состава ПКМ с вектором его характеристик и оптимальным методом вторичной переработки исследователь указы вает наименования полимерных материалов для проверки их совместимости и диапазон допустимых отклонений температурных показателей . После получения вектора по лимерных материалов для установления их совместимости система обращается к базе знаний о совместимости полимерных матери алов . Совместимость материалов определяется сравнением рассчитанных разниц температур с допустимыми и путем запроса к БЗ о совме стимости полимерных материалов , реализую щего поиск кратчайшего пути между узлами графа ( полимерными материалами ).

При сформированном ПКМ следует перейти на страницу прогнозирования свойств и ввести объемные доли каждого полимерного материала. На основе полученных данных система рассчитывает плотность, прочность и упругость ПКМ согласно закону аддитивности, выводит на экран значения характеристик компонентов композиции и рекомендуемый способ вторичной переработки.

Результаты и дискуссия

Результатом исследования является веб приложение , формирующее состав полимер ного композиционного материала путем уста новления совместимости его компонентов .

После входа в систему открывается главная страница , на которой пользователь может про верить совместимость полимерных материалов и сформировать ПКМ . Для этого исследова тель вводит названия предполагаемых для переработки полимеров . После ввода входных данных система выводит композицию с ука занием литературных источников , подтверж дающих совместимость материалов опытным путем . В случае если введенные полимеры не совместимы напрямую , система предлагает ва рианты с добавлением связующего полимера .

После того как система вывела возможные варианты композиций , пользователь выбирает подходящую , нажав на нее , и марки каждого полимерного материала композиции .

Исследователь может дополнительно про верить совместимость полимеров по темпера турным показателям , введя допустимое рас хождение в процентах . В этом случае система сравнивает реальную разницу между значени ями температур плавления и деструкции каж дого полимера композиции с рассчитанной , согласно введенному допустимому расхож дению . При проверке совместимости ABS, PET, PC реальное расхождение температур ных показателей равно 8,4 % ( табл . 1), и при установлении меньшего показателя система должна выводить сообщение о несовмести мости , что подтверждено при тестировании .

В тестовом примере полимерные матери алы ABS и PET несовместимы напрямую , но совместимы с добавлением полимера PLA или PC. Результаты тестирования представле ны в табл . 2 и соответствуют ожидаемым [15].

После формирования композиции ис следователю необходимо ввести объемные доли полимеров в ПКМ , в левой части выво дятся свойства исходных полимеров ПКМ , а в правой рассчитываются свойства ПКМ . В нижней части страницы расположен блок подбора способа вторичной переработки , где исследователь вводит ПТР ПКМ , исходя из чего система подбирает способ переработки .

Табл. 1 . Исходные данные для тестирования

Tab. 1. Initial data for testing

Показатель	ABS-HI121	PET-C-80	PC-1220U
Концентрация, %	40	40	20
Температура плавления, °C	220	245	255
Температура деструкции, °C	385	350	420
Прочность, Па	30,10 × 106	181,00 × 106	61,78 × 106
Плотность, кг/м3	1,06 × 103	1,42 × 103	1,19 × 103
Упругость, Па	1,27 × 109	1,00 × 109	9,10 × 109

Источник: составлено авторами по материалам [15].

Source: made by the authors based on [15].

Табл. 2 . Исходные данные для тестирования

Tab. 2. Initial data for testing

Показатель	Ожидаемый результат	Полученный результат
Прочность, Па	69,07 × 106	69,04 × 106
Плотность, кг/м3	1,17 × 103	1,17 × 103
Упругость, Па	2,32 × 109	2,31 × 109

Источник: составлено по результатам работы компьютерной системы. Source: compiled from the results of the computer system.

Для удобства исследователя интерфейс дополнен всплывающими подсказками , опи сывающими функционал блока . Интерфейс системы протестирован в браузерах Microsoft Edge 91.0.864.37, Mozilla Firefox 106.0, на экранах расширением 375 × 667, 870 × 1180, 2536 × 1537. В ходе тестирования подтверж дено корректное отображение интерфейсов .

Заключение

В веб-приложении формирования полимерных композиционных материалов для вторичной переработки предложен новый алгоритм формирования состава ПКМ, основанный на правилах совместимости системы полимер- полимер и данных ранее проведенных экспериментов, отличающийся от аналогов возможностью прогнозирования свойств полученной смеси до ее переработки с использованием принципа аддитивности.

Применение разработанной системы по зволит сократить количество трудовых ресур сов , затрачиваемых химиками - технологами на подбор совместимых полимерных материалов , смесь которых обеспечит требуемые выходные характеристики , исследовательский подход снизит количество ресурсов , предназначенных на проведение экспериментов для корректного выбора состава смеси .