2873

21

Экспериментальная часть

Для измерения краевого угла смачивания подложек различными адгезивами в данной работе используется метод жидкой капли. На подложку, имеющую гладкую поверхность, пипеткой наносят каплю адгезива. Каплю выдерживают некоторое время при определенной температуре для ее растекания на твердой поверхности и установления равновесного краевого угла смачивания. После этого проводят измерения, пользуясь установкой, схема которой приведена на рис. 6.

Контур капли, помещенной между линзой и источником света диапроектора (рис. 6), проектируют на экран, получая увеличенное в 15 раз изображение капли.

1

Контур капли зарисовывают на листе бумаги и в точке ее соприкосновения с твердой поверхностью около границы раздела трех фаз проводят касательную. Краевой угол смачивания образца приближенно определяют и при помощи обычных угломерных устройств.

Для более точного определения краевых углов смачивания используют метод, согласно которому измеряют высоту капли жидкости (h), а также диаметр (d) или радиус окружности (r) смачивания. Зная эти размеры капли, рассчитывают tgθ по следующим формулам:

22

Однако в данной работе преимущественно используются капли малого размера, для которых деформацией за счет массы можно пренебречь, и для углов θ < 90о формула (11) упрощается и принимает вид

Рассчитав по (12) значение tgθ, определяют краевой угол смачивания, пользуясь инженерным калькулятором. За искомую величину θ принимают среднее из трех параллельных измерений, результаты опытов сводят в табл. 5.

Таблица 5

Сделайте вывод о смачиваемости каждого вида подложки различными адгезивами, построив ряд возрастания или убывания смачивания. Сравните разные подложки между собой по степени смачиваемости. Какая из них является гидрофобной или гидрофильной, лиофобной и лиофильной?

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Какие явления называют поверхностными? Примеры.

2.Что такое краевой угол смачивания?

3.Какие поверхности являются гидрофильными и гидрофобными, лиофильными и лиофобными?

23

Лабораторная работа № 4

ПРИГОТОВЛЕНИЕ КЛЕЕВЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ КАРБАМИДОФОРМАЛЬДЕГИДНОЙ СМОЛЫ

Цель работы:

1.Ознакомиться с рецептурой и технологией приготовления различных клеевых композиций на основе КФС и на основе эпоксидной смолы.

2.Сравнить действие различных отвердителей и наполнителей на время отверждения.

Теоретическая часть

Процессы и операции склеивания присутствуют во многих областях деятельности человека: промышленность, строительство, деревообработка и производство мебели, машино- и приборостроение, текстильная промышленность, медицина, упаковочные материалы и др., поскольку именно они способны обеспечить надежность соединения деталей и легкость конструкции.

Склеивание – это технологический процесс получения неразъемного соединения путем адгезионного взаимодействия клея (адгезива) и подложек (склеиваемых поверхностей).

Клеевые материалы – это сложные многокомпонентные системы, основными компонентами которых являются: 1) связующие (клееобразователи) на основе органических или неорганических полимеров или олигомеров; 2) отвердители – химические соединения, вводимые в раствор олигомера для ускорения сшивки и полимеризации; 3) ингибиторы и замедлители отверждения; 4) наполнители, загустители, разбавители; 5) стабилизаторы, тиксотропные добавки; 6) ПАВ, антипирены, вещества, повышающие липкость, растворители, пластификаторы.

Все многообразие клеевых материалов классифицируют по следующим признакам:

1. По происхождению: а) животные (из белковых веществ животных: из молока – казеиновые, крови – альбуминовые; костей, кожи и шкур – костные и мездровые; б) растительные – крахмал, белки семян растений (чины, бобовых, сои, подсолнечника и др.); в) синтетические клеи – получены из синтетических полимеров и олигомеров путем реакций полимеризации и поликонденсации.

24

Природные клеи являются непрочными, нестойкими к воде и микроорганизмам. Они применяются для склеивания бумаги, картона, в производстве музыкальных инструментов, реставрации гравюр и др., в пищевой промышленности для наклеивания этикеток. Синтетические клеи обладают лучшими адгезионными качествами и прочностными свойствами по сравнению с природными клеями.

2.По внешнему виду и форме различают жидкие клеи (растворы, расплавы, эмульсии) и твердые клеи (порошки, гранулы, пленки, ленты и др.).

3.По водостойкости: высоководоупорные – выдерживают воздействие кипящей воды без заметного снижения прочностных качеств (клеи на основе фенолформальдегидных смол); водоупорные – выдерживают воздействие холодной воды (карбамидоформальдегидные смолы, альбуминовые клеи); неводоупорные – не выдерживают воздействие воды (казеино-аммиачные клеи).

4.По реакционной способности: термореактивные – клеи на основе мономеров или олигомеров, которые необратимо отверждаются под действием тепла и катализатора по реакции полимеризации или поликонденсации (резольные, карбамидные, меламиновые смолы); термопластичные – клеи на основе растворов полимеров в органических растворителях, способные обратимо расплавляться и отверждаться после охлаждения и нагревания (природные клеи, порошковые, эмульсионные и пленочные синтетические клеи на основе винилацетата, полиэфиров и полиамидов).

5.По назначению различают клеи: токопроводящие высокоомные с порошком графита; для бытовых нужд; для кожи; для древесины; канцелярские; универсальные.

6.По химической природе связующего-клееобразователя различают:

а) акриловые клеи – на основе мономеров акриловой, метакриловой кислот, акрилатов, имеют высокую адгезию к различным материалам (металлы, стекло, резина, дерево, пластик и др.), прочность, долговечность, высокую скорость отверждения, малотоксичны.

Различают анаэробные акриловые клеи – отверждаются только в отсутствие кислорода, например, в условиях резьбовых соединений; и цианакрилатные клеи – на основе эфиров альфа-цианакриловой кислоты CH2=C(CN)COOR (R-метил, этил, пропил, бутил, аллил);

б) клеи на основе канифоли (смола живицы сосны) – приклеивание бумаги и этикеток;

25

в) клеи на основе каучуков (резиновые клеи), получаемые из натурального и синтетического каучука (дивинилстирольный, изопреновый, хлоропреновый, уретановый, кремнийорганический каучуки и др.), имеющие высокие эластические характеристики после отверждения;

г) клеи на основе карбамидоформальдегидных олигомеров, получаемые при конденсации карбамида с формальдегидом при степени поликонденсации не выше 10. При отверждении они образуют прозрачные, светостойкие, малоэластичные твердые полимеры, нестойкие к действию воды, склонные к усадке, растрескивающиеся со временем;

д) и многие другие виды клеев в зависимости от типа полимерного связующего.

Вдеревообрабатывающей и мебельной промышленности при производстве фанеры, древесностружечных (ДСП) и древесных пластиков и др. широко используют клеевые композиции на основе карбамидоформальдегидных смол (КФС). Наполнителями клеевых композиций обычно являются древесная мука, крахмал, некоторые минеральные вещества (8-10 % (масс.)). Клеи на основе КФС отверждаются в присутствии веществ кислотного характера, преимущественно щавелевой, сульфонафтеновой, хлороводородной и хлорида аммония (0,5-1 % (масс.), как при нагревании (90-120 оС), так и при комнатной температуре.

Впроцессе производства мебели, а также в первое время при эксплуатации из жидких и отвержденных карбамидоформальдегидных клеевых композиций выделяется свободный формальдегид, который попадает в атмосферу и смывные воды при промывке клеенаносящего оборудования, что наносит значительный ущерб окружающей среде за счет токсичного действия на живые организмы. В связи с этим перед учеными и технологами всего мира стоит задача снижения содержания токсичного формальдегида в клеях на основе КФС. На кафедре химии ВГЛТА разработан способ снижения содержания свободного формальдегида в КФ клее за счет введения в рецептуру специальных наполнителей, которые являются адсорбентами (поглотителями) формальдегида. В качестве наполнителя в клеевую композицию вводятся кислотнообработанные глинистые минералы (алюмосиликаты), которые обладают повышенной адсорбционной способностью к формальдегиду, или кислотнообработанные отходы деревообрабатывающих предприятий: древесная мука, измельченная кора различных пород деревьев и др.

26

Экспериментальная часть

Опыт 1. Приготовление клеевой композиции на основе КФС и определение времени ее отверждения

Необходимое оборудование и реактивы:

Весы аналитические; смола карбамидоформальдегидная; различные наполнители (древесная мука (ДМ), природные и активированные глинистые минералы: каолин (КЛН), монтмориллонит (МНТ) и др.); отвердители КФС – хлорид аммония, щавелевая кислота, муравьиная кислота, HCl.

Каждый студент получает индивидуальное задание, в котором преподаватель указывает рецептуру клея. Примерные рецептуры клея приведены в табл. 6.

Таблица 6

Примеры рецептур клея (на 10 г смолы КФС)

Согласно рецептуре, приведенной в табл. 6, студент готовит образец клеевой композиции. Для этого необходимо взвесить компоненты клеевой композиции в указанной последовательности: наполнитель, отвердитель (если сухой) и в картонной коробочке примерно 10 г КФ-смолы. В коробочку со смолой вначале добавить отмеренное количество наполнителя и перемешивать палочкой до однородной консистенции. После этого вводится отмеренное количество отвердителя (хлорид аммония, щавелевая или муравьиная кислота). Одновременно с введением отвердителя следует засечь время начала

27

отверждения клеевой композиции и постоянно помешивать состав палочкой до его полного затвердевания, время отверждения фиксируют секундомером. Посуду после приготовления клея следует тщательно отмыть горячей водой. Результаты занести в табл. 7.

Таблица 7 Время отверждения клеевой композиции на основе КФС с различными

отвердителями и наполнителями

Сравните влияние типа и количества различных отвердителей и наполнителей на скорость отверждения карбамидоформальдегидной клеевой композиции. Сделайте общий вывод. Ответьте на вопросы для самоконтроля, указанные в конце работы.

Опыт 2. Отверждение эпоксидной смолы

Приготовление клеевой композиции на основе эпоксидной смолы

Полимерную банку с эпоксидной смолой погружают на 7-10 мин в сосуд с водой, температура которой 80-90 °С. В фарфоровой чашке взвешивают 3 г эпоксидной смолы и в остывшую смолу добавляют 0,8 г отвердителя, содержащего полиэтиленполиамин с пластификатором. Композицию тщательно перемешивают, и она пригодна к применению в течение 30 мин с момента введения отвердителя.

Склеивание деталей эпоксидным клеем

Вначале необходимо подготовить поверхности склеивания, для этого шлифовальной шкуркой поверхность детали следует зачистить, затем протереть бумагой или ветошью, смоченной в бензине или ацетоне, подсушить. Клеевая композиция наносится на подготовленную поверхность шпателем или любой пластинкой слоем толщиной не менее 2 мм. Склеиваемые детали следует закрепить на время отверждения, нагрузка не должна превышать 3 кг/см2, время отверждения композиции при температуре 18 °С – 16 ч. Запишите данные опыта. Отметьте наблюдаемые явления.

28

Вопросы для самоконтроля:

1.Что представляет собой процесс склеивания?

2.Каковы виды и состав клеевых материалов?

3.Какие токсичные соединения присутствуют в отходах карбамидоформальдегидных смол?

4.Для чего в клеевую композицию вводятся наполнители и другие добавки?

5.Какой процесс протекает при отверждении КФС?

Лабораторная работа № 5

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ В КИСЛОЙ СРЕДЕ. ОКСИДИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ

Цель работы

1.Изучить влияние кислой среды на процесс коррозии металлов.

2.Ознакомиться с процессом оксидирования стали как методом защиты от коррозии.

3.Составить схемы коррозионных элементов и определить их ЭДС.

Теоретическая часть

Основной целью имеющегося многообразия лакокрасочных и металлических покрытий является защита металлов от коррозии, т.е. разрушения под воздействием факторов окружающей среды.

Коррозионные процессы заключаются в окислении металлов,

Meo −ne → Me+n ,

приводящем к их разрушению и большому ущербу для всех отраслей промышленности, использующих металлы, сплавы и изделия из них. Наибольшие потери от коррозии металлических изделий имеют топливноэнергетический комплекс – 29 %, сельское и лесное хозяйство – 20 %, химическая и нефтехимическая промышленность – 15 %, металлообработка – 52 %, прочие отрасли – 30 %.

По механизму протекания различают химическую и электрохимическую коррозию металлов. Химическая коррозия протекает в отсутствие электролитов при температурах, исключающих возможность образования насыщенного пара воды, при этом взаимодействие окислителя с металлической поверхностью не приводит к образованию гальванических пар, генерирующих

29

электрический ток. К химической относятся высокотемпературная (или газовая) коррозия и коррозия в неэлектролитах. Примером газовой коррозии является окисление металлических поверхностей кислородом воздуха при высоких температурах. Например, химической коррозии подвержены детали и узлы машин, работающие при высоких температурах, – двигатели поршневого и турбинного типов, ракетные двигатели. Коррозия в органических жидкостях также относится к химической коррозии.

Электрохимическая коррозия протекает в электролите и характеризуется действием макро- и микрогальванических пар, в результате которого между анодными и катодными участками протекает электрический ток. Примером электрохимической коррозии является коррозия в растворах кислот, щелочей, солей, атмосферная коррозия, коррозия в речной и морской воде. Разрушению подвергаются кузова автомобилей, металлические поверхности машин и механизмов, работающих в атмосферных условиях, а также внутренние поверхности сушильных камер при сушке древесины.

Скорость коррозии (ω) измеряется либо толщиной слоя растворенного металла ( h) за единицу времени (t) и выражается в мм/час, мм/год (глубинный показатель коррозии)

либо изменением массы металла m за определенное время (τ) на определенной площади поверхности (S) по формуле

При этом Vк выражают в г/м2 ч. Это весовой показатель коррозии.

Таблица 8 Величина pH в сушильных камерах в зависимости от породы деревьев,

начальной влажности древесины (Wнач,%) и режима сушки

30

Влажность атмосферы и рН среды, в которой происходит эксплуатация металлического оборудования, определяют тип и скорость коррозионных процессов. Например, при увеличении влажности в камерах для сушки древесины рН среды понижается, как показано в табл. 8. При понижении рН скорость коррозии металлов увеличивается.

В табл. 9 приведена десятибалльная шкала коррозионной стойкости по ГОСТ 5272-68.

Устойчивость различных типов сталей и сплавов представлена в табл. 10. Таблица 10

Устойчивость сталей и сплавов по шкале коррозионной стойкости

Примечание. Х – содержание хрома, Н – содержание никеля, Т – содержание титана.

Две последние стали, приведенные в табл. 10, являются конструкционными, они наиболее часто используются для изготовления деревообрабатывающего оборудования, а также машин и механизмов лесопромышленного комплекса.