10
Тема: ФИЗИКО-ХИМИЯ ПОЛИМЕРОВ
Лабораторная работа № 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РАЗМЯГЧЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ ПО МЕТОДУ «КОЛЬЦО И ШАР»
Цель работы:
1.Ознакомиться с физико-химией полимеров.
2.Освоить один из методов определения температуры размягчения полимеров.
Теоретическая часть
Среди всех известных материалов полимеры обладают наиболее широким диапазоном механических свойств. Они изменяются от вязких жидкостей и эластомеров до жестких тел. Большое число структурных параметров определяют особенности физических и механических свойств полимеров. К основным структурным параметрам относятся следующие: молекулярная масса, степень разветвленности, или сшивания, степень кристалличности и строение кристаллов, состав и строение сополимеров, пластификация, молекулярная ориентация, наполнение. Кроме того, большое влияние на физические и механические свойства полимеров оказывают внешние факторы, такие как температура, длительность, частота или скорость нагрузки, давление, вид напряженного состояния (сдвиг, растяжение), термообработка и другие. Для полимеров характерна более резко выраженная температурно-временная зависимость механических свойств по сравнению с другими материалами, например металлами, т.е. в полимерах суммируются свойства вязкой жидкости и упругого тела. Полимеры могут кристаллизоваться либо оставаться при всех температурах аморфными. В последнем случае они могут находиться в разных физических (релаксационных) состояниях: стеклообразном, высокоэластичном, вязкотекучем. Деформируемость полимеров, переход из одного состояния в другое в зависимости от температуры могут быть различными. На рис.1 приведены три типа термодинамических кривых.
Теплостойкость и термостойкость – это основные понятия, определяющие термические качества полимеров.
Теплостойкость определяется как предельная температура, при которой полимер теряет механическую прочность при действии той или иной нагрузки.
11
Изменение физических свойств с колебанием температуры является важной характеристикой полимеров, прежде всего потому, что позволяют уточнить тот температурный интервал, в котором данный полимер имеет достаточную механическую прочность и может применяться в практических целях. К числу температурных характеристик теплостойкости полимеров относятся: температура плавления кристаллической части (Ткр), температура размягчения полимера (Тразм), температура пластического течения без нагрузки или под действием определенной нагрузки, а также температура стеклования (Тст) и температура перехода в хрупкое состояние (Тхр).
Температура плавления кристаллов (Ткр) является температурной константой, характерной только для кристаллических полимеров, так как определяет фазовый переход первого рода. Аморфные полимеры не имеют определенной Тпл; для их характеристики используют температуру размягчения и другие.
а |
б |
в |
Рис. 1. Типичные термохимические кривые для линейно-аморфных (а), кристаллизующихся (б) полимеров и мелкосетчатого (сшитого) (в) полимера:
I – стеклообразное состояние; II – высокоэластическое состояние, III – вязкотекучее; Тст – температура стеклования; Ткр – температура кристаллизации; Тпл – температура плавления; Тразл – температура начала химического разложения
Температура размягчения (Тразм) находится ниже точки плавления и обычно располагается в довольно значительном интервале температур, достигающем несколько десятков градусов. Она представляет собой, в сущности, температуру течения под влиянием собственной массы полимера или под значительной нагрузкой. Тразм приближается к температуре липкости, от которой она отличается лишь на 3…4 оС.
12
Температура стеклования (Тст) представляет собой переход второго рода. Она не является точной константой, и её величина сильно зависит от условий определения, поэтому она находится в довольно широком температурном интервале. Тст определяют как интервал температур, в котором происходит изменение наклона кривой зависимости любого основного термодинамического свойства (плотности, объема, теплосодержания, показателя преломления, диэлектрической проницаемости) от температуры.
Термостойкость полимеров – это та предельная температура, при которой начинается химическое изменение структуры полимера, отражающееся на его свойствах. Химические процессы, протекающие при высоких температурах, сопровождаются термической деструкцией, или структурированием, полимеров, а в присутствии кислорода и воды – окислительными и гидролитическими превращениями. Таким образом, термостойкость определяет тот температурный предел, выше которого уже не может быть использована теплостойкость полимера. Практическая возможность использования полимера находится в зависимости от температурного интервала между его теплостойкостью и термостойкостью.
Теплостойкость линейных полимеров в большинстве случаев ниже, чем их термостойкость, т. е. их Тст и Тразм ниже температуры разложения. Однако в случае сшитых полимеров, а также полимеров с жесткими цепями макромолекул теплостойкость может оказаться выше, чем термостойкость.
Термостойкость (Тразл) характеризует химическую устойчивость полимера при высоких температурах в вакууме, атмосфере инертного газа (азота, гелия, аргона и т. д.) или в атмосфере воздуха. В последнем случае имеет место термоокислительная деструкция.
Экспериментальная часть
Определение температуры размягчения по методу «кольцо и шар» связано с расплавлением полимера до жидкого состояния. Поэтому этот метод пригоден лишь для испытаний сравнительно низкомолекулярных, а также пластифицированных полимеров.
Прибор для определения температуры размягчения (Тразм) (рис. 2) состоит из двух стаканов, входящих один в другой. Наружный стакан, заполненный глицерином, служит термостатом. Во внутренний стакан помещают
13
латунный штатив с двумя пластинками. Верхняя пластинка 1 имеет отверстие для термометра и четыре кольца, на которые кладут шарик 3. Нижняя пластинка 2 служит для смягчения удара при падении шарика на дно стакана.
Рис. 2. Внутренний стакан прибора для определения температуры размягчения:
1 – верхняя пластина;
2 – нижняя пластина;
3 – шарики;
4 – кольцо;
5 – термометр
Кольца помещают на металлическую пластину, заполняют до краев гранулами полимеров и нагревают до расплавления гранул. После охлаждения избыток полимера отрезают горячим ножом и, установив на эту поверхность шарики, переносят кольца на пластинку 1.
Штатив помещают в стакан и нагревают глицериновую баню со скоростью 1оС в минуту. По термометру отмечают температуру, при которой шарик, провисая в слое полимера, коснется поверхности нижней пластинки.
При подготовке и выполнении лабораторной работы вам необходимо ответить на следующие вопросы:
1.Что такое теплостойкость и термостойкость полимеров?
2.Какие типы термодинамических кривых возможны для: а) низкомолекулярного соединения; б) олигомеров; в) кристаллического полимера; г) аморфного полимера?
3.Что такое температура стеклования, температура текучести, температура размягчения?
4.Какие физические состояния характерны для аморфного полимера?
5.Что такое гибкость полимерной цепи? Чем она обусловлена?
6.Расположите полимеры в ряд увеличения гибкости: целлюлоза; белки; полистирол; полиэтилен; поливинилхлорид; полиакриловая кислота.