Контроль качества полимерных связующих

Цель работы: изучить основные методы контроля качества полимерных связующих.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Контроль качества полимерного связующего состоит в определении следующих его основных характеристик: вязкости, времени гелеобразования, теплоты отверждения, температуры стеклования и состава методом хроматографии или ИК-спектроскопии.

4.1. Определение вязкости полимерных связующих

Вязкость полимерных связующих (η, пуаз П в системе СГС или паскаль-секунды Па·с в системе СИ ) – свойство связующих оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Определение вязкости полимерных связующих осуществляют, в частности, на ротационных вискозиметрах. Сущность метода определения вязкости на ротационном вискозиметре состоит в регистрации момента сопротивления вращению ротора вискозиметра с испытуемым материалом при одинаковой скорости вращения ротора и различных температурах.

Типичная кривая вязкости как функции температуры для клеевого эпоксидного связующего показана на рис. 1.

Рис. 1. Типичная зависимость вязкости от температуры для эпоксидного связующего

Как видно на рисунке, вязкость принимает минимальное значение при температуре ~160С. Именно при этой температуре необходимо выдерживать полимерное связующее для наиболее эффективного смачивания наполнителя полимерного композита.

4.2. Определение времени гелеобразования полимерных связующих

Время гелеобразования полимерного связующего определяется как время от начала смешивания реагентов термореактивной пластической композиции до момента, когда начинается ее затвердевание при условиях, близких к условиям использования связующего.

4.3. Определение теплового эффекта процесса отверждения и температуры стеклования полимерных связующих

Тепловой эффект процесса отверждения полимерного связующего (ΔН, Дж/г) – количество теплоты, отнесенное к единице массы связующего, выделенное в связующем, в котором прошел процесс отверждения.

Температура стеклования полимерного связующего (T_g, ºC) – температура, при которой полимерное связующее переходит при охлаждении из высокоэластичного или вязкотекучего в стеклообразное состояние.

Теплоту отверждения и температуру стеклования полимерных связующих определяют методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).

Сущность метода заключается в нагревании изучаемого образца полимерного связующего и образца сравнения с постоянной скоростью при контролируемой скорости потока продувочного газа и непрерывном измерении разности тепловых потоков через образец изучаемого связующего и образец сравнения. Выделению (поглощению) тепла соответствует экзо- (эндо-)термический пик на ДСК-кривой. Площадь под пиком сравнивается с площадью под соответствующим пиком ДСК-кривой эталонного образца с известным тепловым эффектом, откуда определяется тепловой эффект процесса отверждения связующего (рис. 2).

Рис. 2. ДСК-кривая для определения температуры

стеклования и теплового эффекта процесса отверждения

полимерного связующего

Общепринятым значением температуры стеклования является среднее значение интервала температур, при которых происходит перехода полимерного связующего в стеклообразное состояние (рис. 3).

Рис. 3. ДСК-кривая в области температур, при которой

происходит стеклование полимерного связующего

4.4. Определение количественного и качественного состава полимерного связующего методом хроматографии

Метод хроматографии – динамический сорбционный метод разделения и анализа смесей веществ. Основан на распределении веществ между двумя фазами: подвижной и неподвижной. Неподвижной (стационарной) фазой служит сорбент (сорбенты – твердые тела или жидкости, избирательно поглощающие из окружающей среды газы, пары или растворенные вещества). Подвижная фаза (элюент) представляет собой жидкость, которая проходит через неподвижную фазу под давлением. Компоненты анализируемой смеси (сорбаты) вместе с подвижной фазой передвигаются вдоль стационарной фазы, помещенной в металлическую трубку (хроматографическую колонку). В зависимости от силы взаимодействия с поверхностью сорбента компоненты перемещаются вдоль колонки с разной скоростью. После прохождения колонки происходит непрерывное детектирование выходящих веществ, которое позволяет определять концентрацию веществ по интенсивности сигнала и качественный состав по УФ-спектру выходящих веществ.

Типичная зависимость сигнала детектора от времени удержания для эпоксидного связующего приведена на рис. 4.

Рис. 4. Хроматограмма эпоксидного связующего

Соединения I, VI и VII относятся к эпоксидным смолам, а соединение V является отвердителем.

Для каждого образца анализируемой смеси проводят не менее двух анализов.

4.5. Определение количественного и качественного состава полимерного связующего методом ИК-спектроскопии

Другим методом для анализа качественного и количественного состава полимерных связующих является метод ИК-спектроскопии.

Инфракрасная спектроскопия занимается, главным образом, изучением молекулярных спектров испускания, поглощения и отражения, так как в инфракрасной области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул. Оптические спектры молекул получаются при изменении трех видов внутренней энергии молекул: энергии электронов Еэл, энергии колебания атомов в молекуле относительно некоторого положения равновесия Ек и энергии вращения всей молекулы вокруг своей собственной оси Евр., то есть

Е = Еэл + Ек + Евр.

Для возбуждения вращательного спектра нужна небольшая энергия – 0,005-0,025 эВ, для колебаний атомов в молекуле – 0,05-0,5 эВ, а для возбуждения электронных спектров – 5-10 эВ. Однако в чистом виде не удается получить электронные и колебательные спектры. Одновременно с возбуждением колебаний атомов изменяется и скорость вращения всей молекулы. Поэтому спектр получается колебательно-вращательным.

Для получения спектров поглощения надо на вещество направить излучение, необходимое для возбуждения того или иного вида спектра. Возбуждение электронных спектров осуществляется ультрафиолетовым (5-400 нм) и видимым (400-750 нм) излучениями, колебательные спектры требуют квантов ИК-излучения (760 нм-300 мкм), а вращательные - квантов микроволнового излучения (300 мкм-300 мм) или дальнего ИК-излучения.

В методе ИК-спектроскопии изучают ИК-спектры поглощения, возникающие при прохождении ИК-излучения через вещество. Каждое вещество имеет свой колебательный спектр. Число полос поглощения в спектре, а также ширина, форма и интенсивность полос поглощения определяются структурой и химическим составом вещества. Это дает возможность по ИК-спектрам проводить качественный и количественный анализы вещества во всех агрегатных состояниях. По числу и положению пиков в ИК-спектрах поглощения можно судить о природе вещества (качественный анализ), а по интенсивности полос поглощения – о количестве вещества (количественный анализ). Идентификация неизвестного соединения по инфракрасному спектру осуществляется сравнением его спектра с эталонными спектрами индивидуальных соединений.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назвать основные методы контроля качества полимерных связующих.

2. Сформулируйте понятие вязкости полимерных связующих. Как определяют вязкость полимерных связующих на ротационных вискозиметрах?

3. Что означает термин «время гелеобразования полимерного связующего»?

4. На чем основан метод дифференциальной сканирующей калориметрии? Как с его помощью определяют тепловой эффект процесса отверждения и температуру стеклования полимерных связующих?

5. В чем сущность метода хроматографии как метода определения количественного и качественного составов полимерных связующих?

6. Метод ИК-спектроскопии и его применение для определении количественного и качественного составов полимерных связующих.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК