2930
.pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»
Полимерные композиционные материалы
Методические указания
для самостоятельной работы
студентов по направлению подготовки 35.03.02 – Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств
Воронеж 2018
2
УДК 66.095.2: 674.8 Ходосова, Н.А. Полимерные композиционные материалы [Электрон-
ный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 35.03.02 – Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств / Н. А. Ходосова, Л.А. Новикова, А.И. Дмитренков ; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 23 с.
Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» (протокол № от г.)
Рецензент канд. хим. наук, доц. кафедры неорганической химии и химической технологии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Ю.С. Перегудов
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
|
Общие положения…………………………………………………………. |
3 |
1. |
Цели и задачи дисциплины……………………………………………….. |
3 |
2. |
Требования к результатам освоения дисциплины ……………………… |
4 |
3. |
Объем дисциплины и виды учебных работ ……………………………… |
5 |
4. |
Содержание дисциплины ………………………………………………… |
5 |
5. |
Лабораторный практикум, семинары и другие виды аудиторных работ |
7 |
6. |
Методические рекомендации по организации самостоятельной работы |
8 |
7.Индивидуальные домашние задания …………………………………….. 10
8.Вопросы к зачету по дисциплине ПКМ………………………………….. 17
9.Перечень примерных тем рефератов …………………………………….. 19
10.Библиографический список ……………………………………………... 20 Приложение 1. Технологическая карта рейтинговой системы оценки
успеваемости студентов ……………………………….. 21 Приложение 2. Пример оформления титульного листа реферата ……. 22
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
3
Данные методические указания ставят своей задачей организацию и оптимизацию самостоятельной работы студентов при изучении дисциплины «Полимерные композиционные материалы» (ПКМ).
Дисциплина ПКМ является одной из фундаментальных в учебном плане дисциплин, позволяющих получить глубокие профессиональные знания инженеру-технологу по деревообработке. Освоение этой дисциплины необходимо для успешного изучения последующих общенаучных и специальных дисциплин. Её изучение тесно связано с такими дисциплинами, как физика, древесиноведение, технология материалов и изделий из древесины, технология защитно-декоративных покрытий, экология и др.
В методической разработке представлены цели и задачи, тематическое содержание дисциплины, распределение времени по видам учебной нагрузки, планы лабораторных работ, темы, вынесенные для самостоятельного изучения, варианты индивидуальных домашних заданий и вопросы к зачету. Это поможет студентам правильно распределить время при самостоятельной подготовке к занятиям, выполнить все виды работ. Таблица модульнорейтинговой оценки знаний позволит оценить эффективность обучения.
1.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1.Целью изучения дисциплины «Полимерные композиционные материалы» является формирование у студентов представлений о составе, строении и применении полимерных композиционных материалов.
1.2.Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
ознакомиться с классификацией полимеров по происхождению, составу, строению, отношению к нагреванию и механическим свойствам;
изучить состав полимерных композиционных материалов и назначение отдельных компонентов;
ознакомиться с основными методами получения полимеров и основами переработки их в изделия;
усвоить теоретические основы адгезии полимеров и способы её повышения при получении лаков, клеев, пропитывающих составов;
ознакомиться с методами синтеза и исследования полимеров и выполнить лабораторный практикум по данной дисциплине.
2.ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
4
2.1. Студент по результатам освоения дисциплины ПКМ должен обладать следующими профессиональными компетенциями:
–владеть теоретическими представлениями химии и физико-химии полимеров,
–иметь представления о способах получения синтетических, природных и искусственных полимеров,
–владеть основами их синтеза и основных методов переработки полимеров в изделия,
–иметь представления о составе различных ПКМ, назначении компонентов композиций, а также об основных направлениях использования пластмасс, слоистых пластиков, лаков, клеев, волокон, эластомеров и др.,
–знать области применения этих материалов в мебельной, деревообрабатывающей промышленности, в строительстве, в технике и быту.
2.2. В результате освоения дисциплины студент должен:
-знать: номенклатуру и свойства мономеров и полимеров, используемых в деревообработке; сущность физических и химических процессов, протекающих при переработке, эксплуатации полимеров; современные методы исследования полимерных материалов; возможные пути модификации полимеров и материалов из них с целью улучшения свойств; способы защиты окружающей среды при производстве и использовании мономерных и полимерных материалов в деревообработке; пути повышения экономической эффективности деревообрабатывающих производств с помощью органических и полимерных материалов;
-уметь: работать с учебной и научной литературой; самостоятельно изучать разделы, выносимые из лекционного курса; самостоятельно делать выводы из полученного на лабораторных занятиях практического материала; работать как в составе группы, так и индивидуально;
-владеть: навыками постановки и выполнения химических экспериментов синтеза и исследования свойств полимеров.
3.ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Таблица 1
5
|
|
|
Трудоемкость |
Семестр |
||||
|
Виды учебной работы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
всего |
в зачетных |
|
3 |
|||
|
|
|
часов |
единицах |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Общая трудоемкость дисциплины |
|
144 |
|
4,0 |
|
144 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аудиторные занятия |
|
72 |
|
2,0 |
|
72 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в т.ч. Лекции |
|
18 |
|
0,5 |
|
18 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лабораторные занятия |
|
36 |
|
1,0 |
|
36 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Контроль самостоятельной работы |
|
18 |
|
0,5 |
|
18 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Самостоятельная работа |
|
72 |
|
2,0 |
|
72 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Виды итогового контроля |
|
|
|
|
зачет |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ |
|
|
|
|
|
|
|
|
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ |
Разделы дисциплины |
|
|
Лекции |
ЛР |
|
Сам |
|
п/п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
Основные понятия химии полимеров. |
Строение и |
2 |
6 |
|
10 |
||
|
классификация полимеров. Состав ПКМ, назначе- |
|
|
|
|
|||
|
ние компонентов. Способы получения полимеров |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
2 |
Полимеризация. Полимеризационные полимеры и |
4 |
4 |
|
14 |
|||
|
композиционные материалы на их основе |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
3 |
Поликонденсация. Поликонденсационные смолы |
4 |
10 |
|
18 |
|||
|
и их использование в деревообрабатывающей |
|
|
|
|
|||
|
промышленности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
4 |
Природные полимеры и искусственные композиты |
2 |
6 |
|
12 |
|||
|
на их основе |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
Физикохимия полимеров. |
|
|
4 |
10 |
|
14 |
|
|
Старение и стабилизация полимеров |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
6 |
Методы переработки полимеров в изделия |
|
2 |
- |
|
4 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого часов |
|
|
18 |
36 |
|
72 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого зачетных единиц |
|
|
0,5 |
1,0 |
|
2,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.2. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ ПОЛИМЕРОВ
6
Введение. Основные понятия химии полимеров. Особенности строения полимеров, их классификация и номенклатура. Способы получения природных, синтетических и искусственных полимеров. Состав и назначение компонентов в ПКМ. Значение полимеров и ПКМ в жизни человека, растений, в народном хозяйстве, в мебельной и деревообрабатывающей промышленности.
Раздел 2. ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ. ПОЛИМЕРИЗАЦИОННЫЕ ПОЛИМЕРЫ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ
Полимеризация. Механизмы реакции полимеризации: радикальный, катионный, анионный.
Сополимеризация. Строение полимеров, цис- транс-изомерия, стереорегулярные полимеры.
Практические способы проведения полимеризации.
Полимеры, получаемые реакцией полимеризации. Полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и др., а также их сополимеры. Синтетические каучуки, полиметилметакрилат (оргстекло), поливинилацетат. Композиты на основе полимеризационных полимеров, их применение.
Раздел 3. ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ. ПОЛИКОНДЕНСАЦИОННЫЕ СМОЛЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Поликонденсация. Основные закономерности, особенности, типы поликонденсации. Получение, строение и свойства фенолоформальдегидных, карбамидоформальдегидных и меламиноформальдегидных смол.
Полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, эпоксидные смолы. Состав композиционных материалов – лаков, клеев, пластмасс.
Раздел 4. ПРИРОДНЫЕ ПОЛИМЕРЫ И ИСКУССТВЕННЫЕ КОМПОЗИТЫ НА ИХ ОСНОВЕ
Полисахариды: крахмал, целлюлоза. Состав, строение, свойства. Белки. Структура белков, качественные реакции на белки. Белковые клеи. Натуральный каучук. Эфиры целлюлозы и их использование в промышленности.
Раздел 5. ФИЗИКОХИМИЯ ПОЛИМЕРОВ
7
Агрегатные, фазовые и физические состояния полимеров. Термомеханические кривые полимеров.
Растворение полимеров и пленкообразование. Пластификация. Теоретические основы адгезии полимеров. Адгезия полимеров к дре-
весине. Способы повышения адгезии полимеров. Виды старения и стабилизации полимеров.
Раздел 6. МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРОВ В ИЗДЕЛИЯ
Прессование, литье под давлением, экструзия и другие методы переработки полимерных материалов.
Экологические проблемы в производстве и использовании ПКМ и их решение. Безотходные технологии в производстве древесно-полимерных материалов.
5.ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ, СЕМИНАРЫ И ДРУГИЕ ВИДЫ АУДИТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
Втаблице 3 приводится перечень наименований лабораторных занятий с указанием номера раздела, к которому относится данное лабораторное занятие.
Таблица 3
№ |
№ раздела |
|
|
п/п |
дисци- |
|
Наименование лабораторного занятия |
|
|
||
|
плины |
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
3 |
|
|
|
|
1 |
1, 2, 5 |
1. Правила техники безопасности при работе с органическими и |
|
|
|
|
полимерными веществами. Модульно-рейтинговая система |
|
|
|
оценки знаний студентов |
|
|
2. |
Семинар. Основные понятия химии полимеров ПКМ |
|
|
3. |
Лабораторная работа «Определение вязкости и молекулярной |
|
|
|
массы полимера» |
|
|
4. |
Лабораторная работа «Определение степени набухания полиме- |
|
|
|
ров» |
|
|
5. |
Лабораторная работа «Качественное определение растворимости |
|
|
|
полимеров» |
|
|
6. Отчет по самостоятельной работе: сдача трех заданий |
|
|
|
7. |
Текущий контроль по теме «Полимеризация. Сополимеризация» |
|
|
|
|
Окончание таблицы 3
|
|
|
8 |
|
|
|
|
1 |
2 |
|
3 |
|
|
|
|
2 |
3 |
8. Лабораторная работа «Поликонденсация фенола с формальдеги- |
|
|
|
|
дом: а) получение новолака; б) получение резола и резита» |
|
|
9. Лабораторная работа «Поликонденсация карбамида с формальде- |
|
|
|
|
гидом» |
|
|
10. |
Лабораторная работа «Определение содержания свободного |
|
|
|
формальдегида в карбамидных смолах» |
|
|
11. |
Лабораторная работа «Глифталевые смолы» |
|
|
12. |
Отчет по самостоятельной работе: сдача трех заданий |
|
|
13. |
Текущий контроль по теме «Поликонденсация» |
|
|
|
|
3 |
4, 5, 6 |
14. Семинар «Природные полимеры: крахмал, целлюлоза, белки, |
|
|
|
|
натуральный каучук» |
|
|
15. |
Лабораторная работа «Качественные реакции на некоторые |
|
|
|
природные полимеры» (УИРС) |
|
|
16. |
Лабораторная работа «Определение температуры размягчения |
|
|
|
полимеров по методу “кольцо-шар”» |
|
|
17. |
Лабораторная работа «Крашение древесины» (УИРС) |
|
|
18. |
Текущий контроль по темам «Физикохимия полимеров», «Ме- |
|
|
|
тоды переработки полимеров в изделия». ЗАЧЕТ |
|
|
|
|
6. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Дисциплину «Полимерные композиционные материалы» необходимо изучать путем систематической переработки лекционного материала с использованием обязательной учебной и дополнительной литературы, методических указаний к лабораторным работам. Особое внимание уделяется организации и контролю самостоятельной работы студентов, как одного из основных видов обучения.
Самостоятельная работа студентов и контроль ее выполнения проводится по следующим направлениям:
составление конспекта к лабораторной работе с использованием методических указаний по лабораторному практикуму дисциплины;
освоение теоретического материала по теме лабораторной работы по конспектам лекций и учебнику;
освоение теоретического материала по темам дисциплины, вынесенным для самостоятельного изучения (см. табл. 4), с использованием учебной литературы и конспектов лекций для самостоятельной работы студентов;
9
отчет по самостоятельной работе – сдача допуска к лабораторным работам;
подготовка к трем промежуточным контролям по курсу ПКМ;
выполнение двух домашних индивидуальных заданий по темам «Полимеризация» и «Поликонденсация» (см. раздел 7);
подготовка к зачету (см. раздел 8).
При оценке знаний студентов используется модульно-рейтинговая система (см. приложение 1), учитывающая все виды аудиторной и самостоятельной работы, своевременность сдачи лабораторных, домашних контрольных работ и системный подход к изучению дисциплины. Дополнительно оценивается активное участие в НИРС, УИРС, участие в конференциях и написание рефератов (см. раздел 9 и приложение 2), создание стендов и наглядных пособий по курсу ПКМ.
Поскольку аудиторно лекции читаются не в полном объеме дисциплины, на самостоятельное изучение студентам выносятся вопросы, приведенные в таблице 4.
|
|
Таблица 4 |
|
|
|
№ |
№ раздела |
В о п р о с ы |
пп |
дисциплины |
для самостоятельного изучения |
|
|
|
1 |
1 |
Геометрическая структура полимеров, способы присое- |
|
|
динения винильных и диеновых мономеров, цис- и транс |
|
|
полимеры. Стереорегулярные полимеры |
|
|
|
2 |
2 |
Радикальный и ионный механизм полимеризации. Прин- |
|
|
ципиальное отличие инициаторов от катализаторов. Типы |
|
|
инициаторов, образование радикалов. Катализаторы ка- |
|
|
тионной и анионной полимеризации. «Живые полимеры» |
|
|
|
3 |
3 |
Типы реакций поликонденсации |
|
|
|
4 |
5 |
Химические реакции полимеров |
|
|
|
5 |
6 |
Агрегатные, фазовые и физические состояния полимеров. |
|
|
Термомеханические кривые кристаллических, аморфных |
|
|
и сетчатых полимеров. Гибкость полимерной цепи, её |
|
|
причины. Конформация макромолекул, типы. Надмоле- |
|
|
кулярные структуры полимеров. |
|
|
|
7. ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ
10
7.1. Индивидуальное задание № 1 «Полимеризация. Полимеризационные полимеры»
Вариант 1
1.Напишите реакции образования полимеров из следующих мономеров: а) пропена; б) бутена-1; в) бутена-2.
Объясните способы присоединения, выделите элементарные звенья.
2.Напишите схему реакции радикальной полимеризации акриловой кислоты в присутствии гидроперекиси бензоила. Укажите области применения полиакрилатов.
3.Напишите реакции полимеризации:
а) полибутадиена; б) полиизопрена.
Объясните преимущество присоединения по типу 1,4.
Вариант 2
1. Напишите схему реакции полимеризации следующих мономеров:
а) винилхлорида; б) стирола (винилбензола); в) акриловой кислоты. Покажите возможности присоединения по типу "голова к хвосту", "хвост
к хвосту".
2.Напишите схему реакции радикальной полимеризации бутена-2 в присутствии перекиси водорода. Поясните, почему бутен-2 более склонен к радикальной полимеризации, чем бутен-1.
3.Напишите реакцию сополимеризации этилена с пропиленом. Какие типы сополимеров возможны?
Вариант 3
1.Напишите схему присоединения стирола по типу: а) "голова к хвосту"; б) "голова к голове"; в) схему синдиотактического полистирола.
Укажите области использования полистирола.
2.Напишите схему анионной полимеризации метилметакрилата в присутствии гидроксида натрия. Почему в присутствии протонных примесей не образуются "живые полимеры"? Где применяется полиметилметакрилат?
3.Напишите реакцию радикальной полимеризации этилена. Укажите свойства и области применения полиэтилена.
Вариант 4