Контрольные вопросы и упражнения

1. Чем отличается молекулярная масса полимера от молекулярной массы низкомолекулярного соединения? Какие молекулярные массы характерны для большинства высокомолекулярных соединений?

2. Что понимается под среднечисленной молекулярной массой полимера? Как связана молекулярная масса со степенью полимеризации?

3. Что понимается под молекулярно-массовым распределением (ММР) полимера и какие выводы можно сделать исходя из кривых ММР?

4. Какими видами вязкости можно охарактеризовать растворы полимеров? Как величина молекулярной массы полимера влияет на величину вязкости раствора полимера?

5. Какими методами можно определять молекулярную массу полимера? Напишите выражение для расчета молекулярной массы полимеров этими методами.

6. Почему различные методы дают разные значения молекулярной массы полимера? Какие методы более точны?

7. Рассчитайте молекулярную массу полимера для полипропилена со степенью полимеризации 42000; для полиформальдегида со степенью полимеризации 3000 и 12000 и укажите, какой из них будет обладать большей прочностью и тугоплавкостью.

Работа № 3. Поверхностные явления

Цель работы: познакомиться с методикой обработки древесины гидрофобизирующей жидкостью; научиться определять угол смачивания твердых тел и использовать его для оценки поверхностных свойств материалов.

Реактивы: шесть образцов древесины (20x20x10 мм), 40%-й раствор ГКЖ-94 в гексане; диметилфосфит (ДМФ), кремнийорганические жидкости (КО, 10%-е растворы в гексане).

Оборудование: сушильный шкаф, весы, эксикатор; диапроектор, экран, подставка для подложек, набор подложек (модифицированные образцы древесины), пипетка, стакан.

Экспериментальная часть

Опыт 3.1. Гидрофобизация древесины

Гидрофильность и гидрофобность характеризуют особенность связи воды с твердыми поверхностями. Гидрофильность означает интенсивное взаимодей­ствие молекул воды и твердого тела. При гидрофильной поверхности происхо­дит поглощение материалом воды, что сокращает срок службы конструкции. В случае гидрофобности подобное взаимодействие отсутствует или является ми­нимальным.

Из шести полученных образцов три обработайте раствором поли-этилгидросилоксана ГКЖ-94 методом окунания с промежуточным просу­шиванием в сушильном шкафу при температуре 90 °С. Продолжительность сушки 15 минут. Обработанные и высушенные образцы древесины взвесьте. Контрольные образцы древесины также подвергаются сушке и взвешиваются. Вес всех образцов занесите в табл. 3. Взвешенные образцы пронумеруйте и поместите в эксикатор с дистиллированной водой, закройте крышкой и взвешивайте каждые 20 минут. Перед взвешиванием образцы древесины промокните фильтровальной бумагой, чтобы на поверхности образцов не оставалось влаги. Всего необходимо провести четыре взвешивания. Данные также занесите в табл. 3. На основании полученных результатов определите водопоглощение древесины в % (W%).

, (5)

Где m_i – масса (в граммах) образца древесины после поглощения воды в эксикаторе через 20, 40, 60, 80 минут; m₀ – исходная масса образца древесины.

Таблица 3

Результаты определения водопоглощения древесины в зависимости от концентрации гидрофобизатора и времени обработки образцов

№ образцов	Масса образцов до погружения m0, г	Масса образцов после поглощения воды, г
		20 мин	40 мин	60 мин	80 мин
1,2,3 –обработанные ГКЖ-94
Среднее изменение массы образцов		∆mср 20 =	∆mср 40 =	∆mср 60 =	∆mср 80 =
4,5,6 - контрольные
Среднее изменение массы образцов		∆mср 20 =	∆mср 40 =	∆mср 60 =	∆mср 80 =

На основании данных таблицы постройте график зависимости водопоглощения от времени выдержки образцов в воде W=f(τ).

Рис. 6. График зависимости водопоглощения образцов

древесины (W) от времени (τ):

1 – обработанный образец древесины;

2 – контрольный образец древесины

Опыт 3.2. Определение и измерение угла смачивания

Угол смачивания является удобной и легко определяемой характеристи­кой гидрофобности поверхности. Если гидрофобность обозначить В, а угол смачивания θ, то В = cos θ, В изменяется от -1 до + 1.

Для измерения угла смачивания образцов в данной работе используется метод жидкой капли, основанный на измерении краевого угла капли воды на поверхности твердого тела. В качестве подложек в работе используются образцы модифицированной древесины (время модифицирования – 3 часа, температура модифицирования - 20°С). В качестве модификаторов использовались диметилфосфит (ДМФ), кремнийорганические жидкости (КО, 10%-е растворы в гексане).

Для измерений подложку поместите на подставку и на ее поверхность нанесите пипеткой каплю воды. Помещенную на подложку каплю выдержите некоторое время (1 минуту) при комнатной температуре для ее растекания по поверхности и установления равновесного угла смачивания, после чего проведите измерения.

Для получения проекции капли на экран используется экспериментальная установка, схема которой приведена на рис.7.

Рис. 7. Схема экспериментальной установки для определения угла смачивания:

1 – источник света; 2 – кнопка для включения лампы, 3 – система линз;

4 – подставка с подложкой; 5 – ручка наводки на резкость; 6 – объектив; 7 – экран

Контур капли на подложке 4, помещенной между объективом 6 и источником света диапроектора 1, проецируется на экран 7, на который предварительно закрепите миллиметровую бумагу (рис.7). Контур капли обведите карандашом и отметьте линию поверхности подложки. Миллиметровую бумагу снимите с экрана и произведите построения и расчеты.

К точке А соприкосновения капли с поверхностью подложки проведите касательную AM, которая образует с плоскостью подложки либо острый (рис. 8, а), либо тупой (рис. 8, б) угол (θ).

Рис. 8. Построение и расчеты угла смачивания

Для случая с острым углом постройте произвольный прямоугольный треугольник ∆ АКО, измерьте катет АК = г (в мм) и гипотенузу АО = г₁ (в мм), тогда cos θ = r/r₁ (положительная величина).

Для случая с тупым углом представьте θ =180 - α и постройте произвольный прямоугольный треугольник ∆ АКО, измерьте катет АК = г (в мм) и гипотенузу АО = r₁ (в мм), cos α = r/r₁ представьте по формулам приведения тригонометрических функций cos (180-α) = - cos α, получится, что cos θ = - cos α (отрицательная величина).

Все полученные данные занесите в табл. 4

Таблица 4

Данные измерения краевого угла смачивания для систем

с различными модификаторами

№ образца	Модификатор	Аббревиатура модификатора	Катет АК, мм	Радиус капли у основания, r,мм	cos α cos α	cos θ cos θ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101 111 121 131 141 151	Контроль (чистая древесина) Метилгидридсилоксан Этилгидридсилоксан Тетраэтоксисилан Метилтриэтоксисилан Метилтрибутоксисилан Диметилдиацетоксисилан Метилсиликонат калия (15% р-р в воде) Диметилфосфит Диметилфосфит + этилгидридсилоксан Диметилфосфит + тетраэтоксисилан Диметилфосфит + метилтриэтоксисилан Диметилфосфит + метилтрибутоксисилан Диметилфосфит + диметилдиацетоксисилан Диметилфосфит + метилсиликонат калия	- МГС ЭГС ТЭС МТЭС МТБС ДМДАС МСК ДМФ ДМФ+ЭГС ДМФ+ТЭС ДМФ+МТЭС ДМФ+МТБС ДМФ+ДМДАС ДМФ+МСК

Выводы

1. Охарактеризуйте гидрофобные свойства материалов, обработанных кремнийорганическими жидкостями.

2. На основании полученных данных сделайте вывод, во сколько раз водопоглощение у обработанных образцов ниже, чем у контрольных.

3. Как угол смачивания характеризует свойства поверхности? Охарактеризуйте зависимость смачивания поверхности водой от косинуса угла смачивания.

4. Как влияет химическая природа поверхности материала на ее гидрофобные свойства?