Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Казанский государственный технологический университет

Нижнекамский химико-технологический институт

Физика и химия высокомолекулярных соединений

Учебно-ме0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000тодическое пособие

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

Нижнекамский химико-технологический институт

Е.М. Галимова,

В.П. Дорожкин, Р.С.Ильясов

Физика и химия высокомолекулярных соединений

Учебно-ме0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000тодическое пособие

Казань 2010

УДК 541.64

Г 15

Физика и химия высокомолекулярных соединений: Учебно-методическое пособие / к.т.н., ст.преп. Е.М. Галимова, д.х.н., проф.В.П.Дорожкин, к.т.н., и.о.доцента Р.С.Ильясов. - Нижнекамск: Изд-во Нижнекамского химико-технол. инс-та, 2010. - 96 с.

Тематикой лабораторных работ охвачены основные разделы курсов физики и химии высокомолекулярных соединений. Содержатся методики проведения работ, порядок обработки и оформления результатов экспериментов по изучению физики и химии высокомолекулярных соединений.

Предназначены для студентов специальностей «Химическая технология высокомолекулярных соединений» и «Технология переработки пластических масс и эластомеров».

Подготовлено на кафедре химической технологии Нижнекамского химико-технологического института КГТУ.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Нижнекамского химико-технологического института.

Рецензенты: к.х.н., доцент Сафиуллина Т.Р.

д.т.н., проф. Петухов А.А.

© Галимова Е.М., Дорожкин В.П., Ильясов Р.С.2010

© Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) ГУО ВПО Казанский государственный технологический университет, 2010.

Лабораторная работа № 1

Изучение механо–деформационных свойств сшитых эластомеров

Цель работы. В результате проведения данной лабораторной работы студент должен:

1. установить основные отличия механического поведения сетчатых эластомеров от механического поведения гуковских тел в условиях одноосного растяжения;

2. определить, как влияет степень сшивания эластомера на его механическое поведение при одноосном растяжении;

3. рассчитать модуль упругости и молекулярную массу отрезка макроцепи между двумя соседними узлами сшивки образцов сшитых эластомеров;

4. определить, какому из двух уравнений (классическому уравнению высокоэластической деформации сетчатых эластомеров или эмпирическому уравнению Муни–Ривлина) лучше соответствуют полученные экспериментальные данные по одноосному растяжению сетчатого эластомера.

Краткая теория

При рассмотрении типичной зависимости величины условного напряжения (_усл.) в сетчатом эластомере от величины его относительной деформации одноосного растяжения (кривая 2 на рис. 1), то в сравнении с одноосной деформацией гуковского материала (кривая 1 на рис. 1), например, стальной проволоки, можно обнаружить следующие различия. Во-первых, зависимость (_усл. – ) для гуковского материала описывается прямой во всем диапазоне деформаций, а для сетчатого эластомера только в небольшой начальный период. Во-вторых, зависимость (_усл. – )имеет немонотонный характер и ее вид существенно зависит от величины деформации. В-третьих, величина деформации сетчатого эластомера во много раз больше, чем у тела Гука при одной и той же величине _усл .

Рис. 1. Зависимость _усл  от  для различных материалов: 1 – тело Гука; 2 – сетчатый эластомер

Таким образом, если механическое поведение тела Гука хорошо описывается уравнением _усл. = E   , где E – модуль Юнга, то для сетчатого эластомера уравнение Гука можно записать только формально: _усл. = E_эфф.   , где E_эфф. – эффективный модуль резины, величина которого зависит от величины . Для расчетов величин деформации резиновых изделий в зависимости от приложенного напряжения, и наоборот, использование уравнения _усл. = E_эфф.    крайне неудобно, так как для определенного значения _усл. () для данной марки резины необходимо знать конкретное значение E_эфф . Именно по этой причине в 40-х годах было выведено уравнение высокоэластической деформации резины одноосной деформации растяжения, в котором фигурирует постоянный коэффициент, называемый модулем упругости резины

, (1)

где – степень деформации (l –длина рабочего участка образца при каком-либо значении _усл, l₀ – начальная длина рабочего участка до растяжения образца).

Так как , а объем резины при деформировании мало меняется (V = V₀ ; S  l = S₀  l₀ , S₀ и S – начальная и текущая площадь поперечного сечения образца), то  =  + 1.

Одним из фундаментальных положений классической теории высокоэластической деформации сетчатых полимеров является предположение о преобладающем вкладе энтропийной составляющей изменения термодинамического потенциала при деформации по сравнению с энтальпийной. Это положение хорошо выполняется для тех сетчатых эластомеров, деформация которых обусловлена в первую очередь разворачиванием клубков макромолекул в направлении деформирования (сегментальным движением). Как правило, такими сетчатыми эластомерами являются неполярные каучуки (полиизопрен, полибутадиен) с такой степенью сшивания, при которой молекулярная масса отрезка макроцепи между двумя соседними сшивками (M_C) значительно превышает величину кинетического сегмента (M_C  510³ г/моль). Согласно классической теории модуль упругости резины равен

, (2)

где R = 8,31  – универсальная газовая постоянная;

T – температура в градусах Кельвина;

 – плотность резины, .

Классическая теория высокоэластической деформации хорошо описывает экспериментальную кривую ( – ) в пределах   2. Отклонения экспериментальных данных от теоретических объясняются тем, что некоторые исходные положения теории не очень хорошо отражают реальную ситуацию. Так, предположение, что M_C одинакова по объему сетки, не имеет места в реальных резинах. Далее, некоторые макромолекулы имеют циклические участки, захлесты, которые не активны для восприятия приложенной нагрузки. В теории не учитывается заторможенность внутримолекулярного вращения, неравновесность деформации, неизотермичность процесса деформирования, наличие вязкотекучей составляющей деформации, появляющейся из-за того, что часть макромолекул не вошла в сетку.

Впоследствии многие ученые получили другие, более точные зависимости _усл. , учитывающие те или иные недостатки классической теории. Известны уравнения Бартенева, Присса и других.

Тем не менее, наибольшее распространение получило эмпирическое уравнение Муни–Ривлина:

, (3)

где с₁ и с₂ – константы, характерные для каждой марки резины.

Уравнение (3) можно несколько преобразовать:

. (4)

Анализ уравнения (3) и его сравнение с классическим уравнением показывает, что при c₂ = 0 2с₁ = E. Следовательно, константа с₂ характеризует меру отклонения механического поведения реально сшитого эластомера от предсказанного классической теорией.

Многими работами показано, что уравнение Муни–Ривлина хорошо описывает экспериментальные данные до  = 45, особенно для ненаполненных резин.

Методика эксперимента

В этом разделе лабораторной работы студент должен привести следующие экспериментальные и расчетные данные.

1. Описать химический состав исходного каучука (каучуков) и привести рецептуру вулканизации резиновой смеси (смесей).

2. Описать условия деформирования резин и оборудование, на котором получена зависимость (_усл.- ).

3. По экспериментальным данным построить график зависимости _усл.-, для образцов сетчатого эластомера, отличающихся степенью сшивания.

4. По экспериментальным данным построить график в координатах классического уравнения .

5. По экспериментальным данным построить график (графики) в координатах уравнения Муни–Ривлина .

Обсуждение полученных результатов

В данном разделе лабораторной работы студент должен качественно проанализировать вид полученных кривых в координатах (_усл.–).

Рис.2. Зависимость напряжения от деформации для вулканизатов с различным содержанием вулканизующего агента

В результате анализа полученных кривых необходимо выделить на них характерные участки по диапазону деформаций. Кроме того, студент должен проанализировать влияние степени сшивания эластомера исходя из зависимости (_усл.– ) (для экспериментов ему предоставляются резины на основе одного и того же каучука, но сшитые разным количеством серы). Анализ экспериментальных данных в координатах классического уравнения должен привести к определению величины прямолинейного участка (рис. 3) и расчету верхней границы его применимости по степени растяжения 

По величине угла наклона найденного прямолинейного участка студент должен определить значение E и рассчитать по уравнению (2) М_С исследуемых резин.

Р ис. 3. Механо-деформационная характеристика резины в координатах классического уравнения высокоэластической деформации

Такой же анализ необходимо проделать для экспериментальных данных, обработанных в координатах уравнения Муни–Ривлина (рис. 4).

Отрезок, отсекаемый на оси ординат продолжением прямой, численно равен 2c₁. По тангенсу угла наклона (Δу/Δх) прямолинейного участка определяем величину 2c₂. При 2c₂= 0 2c₁= Е.

Как и в случае рис. 3, необходимо на рис. 4 установить конец прямолинейной зависимости и определить значение , до которой уравнение Муни–Ривлина хорошо описывает экспериментальные данные.

Затем следует сопоставить значения наибольших степеней деформации, до которой экспериментальные данные хорошо описываются классическим уравнением и уравнением Муни–Ривлина.

Р ис. 4. Механо-деформационная характеристика резины в координатах уравнения Муни-Ривлина

Кроме того студенту, следует установить влияние количества сшивающего агента на величины модулей упругости и рассчитанные по ним значения M_C.

Студентам предлагается также произвести расчеты еще одной характеристики сетчатых эластомеров: среднего числа сшивок на одну макромолекулу _, где – среднечисленная молекулярная масса сшиваемого в единую пространственную сетку эластомера. Для синтетического изопренового каучука СКИ-3 можно принять равной 30010³ г/моль. После нахождения γ_с студент должен рассчитать сколько узлов сшивок приходится в среднем на 100 звеньев макромолекулы. Для среднесшитых резин эта цифра составляет 1–2 узла сшивания на 100 звеньев макромолекулы.

Выводы

Это заключительная часть лабораторной работы, назначением которой является лаконичное перечисление основных итогов раздела «Обсуждение результатов экспериментов». Каждый сделанный вывод должен представлять собой логично звучащее предложение, сделанное на основании проделанного обсуждения экспериментальных данных. По возможности выводы должны охватывать все полученные экспериментально расчетные результаты.

Пример вывода: Увеличение сшивающего агента серы в составе резиновой смеси на основе СКИ–3 с 0,5 масс. част. до 1,0 масс. част. приводит к возрастанию модуля упругости в 1,5 раза и соответственному росту густоты пространственной сетки.

Сделанные выводы завершают оформленную лабораторную работу.