ИздательствоСанкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. КироваISBNГод2016Страниц24Уровень образованияБакалавриат. Физика и химия синтетических полимеров

тельном канале заданной рабочей температуры, осуществляется с помощью электрической спирали. Температура в канале измеряется платиновым термометром сопротивления.

На опорной плите установлена труба, в верхней части которой закреплен подвижный кронштейн. Кронштейн фиксируется в определенном положении фиксатором. На свободном конце кронштейна смонтировано выдавливающее устройство, состоящее из штурвала и винта. На нижнем конце крепится цанга, соединяющая винт и груз с поршнем. В цангу входят втулка и шарики, которые при поднятии втулки освобождают держатель.

Выдавливающее устройство работает следующим образом. При вращении штурвала против часовой стрелки винт вместе с цангой и укрепленным в цанге поршнем с грузом опускается в испытательный канал и выдавливает находящийся там расплав. При вращении штурвала по часовой стрелке винт поднимается вверх. В нерабочем положении кронштейн может быть отведен в сторону.

Регулятор температуры обеспечивает нагрев испытательного канала в интервале рабочих температур 100…300 оС и поддержание установленной температуры с точностью ± 0,5 оС. На передней панели имеются выключатель, шкала температуры, осветитель и ручка корректора. Для точной регулировки температуры служит регулятор напряжения (ЛАТР).

Порядок проведения работы

Прибор ИИРТ включают за несколько часов до начала работы, в испытательный канал прибора помещают контрольный термометр и ручкой корректора задают на основной шкале рабочую температуру 190 оС. После установления в испытательном канале постоянной температуры при необходимости проводят точную регулировку температуры до достижения заданного значения с помощью ЛАТРа. После того, как в испытательном канале заданная рабочая температура будет сохраняться в течение 15 мин с точностью ± 0,5 оС, приступают к проведению испытаний.

В стакане вместимостью 20 см3 взвешивают 3…4 г полиэтилена. Из испытательного канала прибора извлекают контрольный термометр и заполняют канал гранулами полиэтилена. По мере заполнения канала гранулы уплотняют с помощью специального латунного стержня для удаления пузырьков воздуха. Поворачивают кронштейн влево до щелчка, указывающего, что фиксатор вошел в гнездо. В этом положении оси нагревательной головки и винта совпадают. Затем, поворачивая штурвал против часовой стрелки, конец поршня вводят сверху в испытательный канал. Допускается направление поршня рукой до его вхождения в канал. Затем образец выдерживают в испытательном канале в течение 10 мин.

После прогрева полиэтилена выдавливающим устройством из канала выдавливают и удаляют порядка 1/3 массы образца. Затем поднимают

11

втулку вверх до упора и, вращая штурвал по часовой стрелке, поднимают цангу вверх. При этом поршень с грузом (масса 5 кг) освободится и будет свободно опускаться вниз, создавая необходимое давление на образец. В результате начинается экструзия расплава полиэтилена через сопло. Первую порцию расплава, вытекшую за 2 мин, срезают и удаляют.

Последующие отрезки полиэтилена отбирают через равные промежутки времени в зависимости от текучести материала. Так, для ПЭНП отрезки расплава отбирают через 1 мин, в случае ПЭВП – через 3 мин. Для каждого из видов полиэтилена отбирают не менее трех отрезков расплава. Отрезки, содержащие пузырьки воздуха, отбрасывают.

Полученные отрезки взвешивают по отдельности с точностью ± 0,01 г и находят среднюю массу образца. Если разница между максимальной и минимальной массой образца превышает 10 % от среднего значения, то полученные данные отбрасывают и повторяют испытание на новой навеске материала.

После получения необходимого количества отрезков с помощью выдавливающего устройства из испытательного канала удаляют оставшуюся часть навески полиэтилена. Для этого винт опускают вниз так, чтобы сфера держателя вошла в цангу, опускают втулки и, вращая штурвал, выдавливают расплав. Затем, вращая штурвал по часовой стрелке, поднимают поршень с грузом и отводят кронштейн в сторону.

Индекс расплава образца рассчитывают по формуле ИР = 10·m/τ,

где m – средняя масса образца, г; τ – промежуток времени, мин.

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение из трех параллельных определений.

После проведения испытания испытательный канал очищают сначала латунным стержнем, а затем ершом. Сопло чистят медным стержнем. Через 6 мин, когда в испытательном канале снова установится рабочая температура (190 ± 0,5) оС, проводят испытания следующего образца.

При оформлении отчета требуется провести анализ полученных результатов и сделать письменный вывод о влиянии способа получения и надмолекулярной структуры полиэтилена на текучесть его расплава.

Вопросы к коллоквиуму

1.Основные отличия термопластичных полимеров от термореактивных. Привести примеры.

2.Зависимость свойств полимеров от их молекулярных характеристик

инадмолекулярной структуры.

12

Лабораторная работа № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ РАСТВОРОВ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ ОЛИГОМЕРОВ

Вязкостью называют свойство газов или жидкостей оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и других видах деформации. Вязкость характеризуют интенсивностью работы, затраченной на осуществление течения газа или жидкости с определенной скоростью. Для жидкостей вязкость возрастает с увеличением молекулярной массы вещества (растворенного вещества) и снижается с повышением температуры.

Растворы термореактивных олигомеров (смолы) используются для отделки материалов при производстве древесных композиционных материалов и др. Истинные растворы полимеров подчиняются законам Ньютона и Пуазейля. У ньютоновских жидкостей при ламинарном (послойном) движении слой, к которому приложена сила, увлекает за собой соседние слои, но вследствие существования в жидкости внутреннего трения (вязкости) каждый слой движется все с меньшей скоростью. Внутреннее напряжение измеряется динамической вязкостью – коэффициентом пропорциональности η между напряжением сдвига τ и скоростью сдвига v в законе Ньютона

τ = ηv.

Динамическая вязкость служит качественной характеристикой разбавленных растворов полимеров. В системе СИ динамическая вязкость измеряется в Па·с. Для ее определения чаще всего пользуются капиллярным методом. Определяют время истечения определенного объема жидкости под действием силы тяжести через капилляр вискозиметра. При определении динамической вязкости абсолютных измерений не производят, а сравнивают время истечения испытываемой жидкости (раствора полимера) с временем истечения жидкости с известной вязкостью и плотностью (калибровочной жидкости). Расчет проводят по закону Пуазейля:

η = πr 4 pt , 8Vl

где r – радиус капилляра; p – давление столба жидкости; l – длина капилляра; V – объем жидкости, вытекающей за время t.

Давление выражают через высоту столба жидкости H, ее плотность ρ и ускорение свободного падения g: p = gHρ. Величины, постоянные для данного вискозиметра, объединяют в константу и получают уравнение

η = Kρt,

13

где K – константа, определяемая по времени истечения из вискозиметра калибровочной жидкости (константа вискозиметра).

Высокая вязкость разбавленных растворов полимеров обусловлена ее зависимостью от молекулярной массы. Для жесткоцепных макромолекул эту зависимость приближенно можно охарактеризовать уравнением Штаундигера:

ηуд = KmcM,

где ηуд – удельная вязкость раствора полимера; c – концентрация раствора; M – молекулярная масса; Km – вязкостно-молекулярная константа (величина, постоянная для раствора данного полимера в данном растворителе).

Удельная вязкость ηуд = (η – ηо)/ηо показывает увеличение вязкости раствора η по сравнению с вязкостью растворителя ηо, отнесенное к вязкости растворителя. Отношение удельной вязкости к концентрации ηуд/с на-

зывают приведенной вязкостью, или числом вязкости.

У реальных гибкоцепных полимеров приведенная вязкость линейно зависит от концентрации. С увеличением концентрации вязкость раствора возрастает, так как увеличивается межмолекулярное взаимодействие, и цепи становятся более жесткими. При уменьшении концентрации цепи становятся все более гибкими, свертываются в более плотные клубки, занимая при этом меньший объем в растворе, и вязкость понижается.

При изготовлении и применении синтетических смол в производстве древесных композиционных материалов обычно используется показатель условной вязкости, определяемый как время истечения определенного объема смолы через калиброванное сопло воронки вискозиметра. Условная вязкость позволяет судить о степени поликонденсации смолы и ее пригодности для технологической переработки.

Определение вязкости растворов полиакриламида капиллярным методом

Цель работы:

–определить динамическую вязкость растворов полиакриламида (ПАА) различной концентрации;

–показать зависимость динамической вязкости растворов ПАА от их концентрации.

Материалы и оборудование

ПАА порошкообразный; вода дистиллированная; стаканы лабораторные стеклянные вместимостью 50 и 100 см3; магнитная мешалка; штатив; вискозиметр типа ВПЖ-4 с диаметром капилляра 0,56…1,12 мм; стеклян-

14

ный стакан вместимостью 2000 см3; термометр лабораторный с пределами измерения температуры 0…100 оС; цилиндр мерный стеклянный вместимостью 100 см3; набор ареометров стеклянных общего назначения типа АОН-1; секундомер 3-го класса точности; весы лабораторные технические с точностью взвешивания 0,01 г.

Описание вискозиметра типа ВПЖ-4

Вискозиметр типа ВПЖ-4 представляет собой стеклянную U-образную трубку, имеющую два колена – широкое и узкое. В нижней части широкого колена имеется расширение. В узкое колено впаян капилляр, переходящий в два резервуара – верхний и нижний. Между этими двумя резервуарами находится отметка М1. Ниже нижнего резервуара находится отметка М2. При измерении вязкости жидкость течет по капилляру из нижнего резервуара в расширение широкого колена.

Порядок проведения работы

В стакане вместимостью 50 см3 взвешивают расчетное количество ПАА. В стакан вместимостью 100 см3 помещают расчетное количество дистиллированной воды при комнатной температуре для получения раствора с концентрацией 0,5…3,0 % (концентрации растворов ПАА задаются преподавателем). Стакан с водой устанавливают на магнитную мешалку, включают ее и начинают постепенно небольшими порциями всыпать ПАА

вводу по мере его растворения. Образовавшуюся смесь перемешивают до

полного растворения ПАА.

Стеклянный стакан вместимостью 2000 см3 заполняют дистиллированной водой с температурой (20 ± 1) оС. Он будет использоваться в качестве термостата для вискозиметра. Для контроля температуры в термостате

вштативе закрепляют термометр так, чтобы ртуть была погружена в воду. На отводную трубку широкого колена вискозиметра надевают рези-

новый шланг. Далее, зажав пальцем широкое колено и перевернув вискозиметр, опускают узкое колено в стакан с раствором и засасывают его с помощью груши или водоструйного насоса до отметки М2, следя за тем, чтобы в жидкости не образовались пузырьки воздуха. В тот момент, когда уровень жидкости достигнет отметки М2, узкое колено вынимают из стакана и быстро переворачивают вискозиметр в нормальное положение. Снимают избыток жидкости с внешней стороны конца узкого колена и надевают на него резиновую трубку.

Вискозиметр закрепляют в вертикальном положении в штативе и устанавливают в термостате так, чтобы верхний резервуар узкого колена был ниже уровня воды в термостате. После выдержки в термостате не менее 15 мин раствор засасывают в узкое колено примерно до одной трети высоты

15

верхнего резервуара. Затем сообщают узкое колено вискозиметра с атмосферой и в момент прохождения мениска раствора отметки М1 включают секундомер. В тот момент, когда мениск раствора достигнет отметки М2, секундомер останавливают и отсчитывают время истечения раствора τ с точностью ± 0,2 с.

Кинематическую вязкость ν раствора ПАА выражают в м2/с и рассчитывают по формуле

ν = 10Kτ6 ,

где К – константа вискозиметра (указывается в паспорте на прибор); τ – время истечения раствора, с.

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение из трех параллельных определений. По окончании работы вискозиметр промывают водой и заливают хромовой смесью не менее чем на 5…6 ч. Затем вискозиметр тщательно промывают дистиллированной водой и сушат в шкафу при температуре 100…105 оС.

Затем раствор ПАА наливают в мерный цилиндр вместимостью 100 см3. В жидкость в цилиндре осторожно опускают ареометр. Он должен плавать, не касаясь дна, и находиться в центре цилиндра, не касаясь его стенок. Плотность раствора ρ определяют по делению шкалы ареометра, против которого установился мениск жидкости, и выражают в кг/м3. После определения плотности ареометрпромываютдистиллированнойводойивытираютнасухо.

Динамическую вязкость η раствора ПАА выражают в Па·с и рассчитывают по формуле

η = ρ·ν,

где ρ – плотность раствора, кг/м3; ν – кинематическая вязкость раствора, м2/с. Результаты определения представляют в виде таблицы и кривой зави-

симости динамической вязкости раствора ПАА от его концентрации.

При оформлении отчета требуется провести анализ полученных результатов и сделать письменный вывод о влиянии концентрации раствора ПАА на его динамическую вязкость.

Определение условной вязкости растворов карбамидоформальдегидного олигомера

Цель работы:

–определить условную вязкость растворов КФС различной концентрации;

–показать зависимость условной вязкости растворов КФС от их концентрации.

16

Материалы и оборудование

КФС товарной концентрации (66…68 %); вода дистиллированная; стаканы лабораторные стеклянные вместимостью 200 см3; пипетки лабораторные стеклянные вместимостью 10 см3; палочка стеклянная; вискозиметр ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм; секундомер 3-го класса точности; весы лабораторные технические с точностью взвешивания 0,01 г.

Порядок проведения работы

В стакане вместимостью 200 см3 взвешивают 140 г товарной смолы при комнатной температуре. К смоле добавляют расчетное количество дистиллированной воды для доведения ее концентрации до 51…58 % (концентрация рабочего раствора задается преподавателем) и тщательно перемешивают стеклянной палочкой.

Пример расчета для приготовления рабочего раствора.

Исходные данные для расчета:

–концентрация товарной смолы 67,5 %;

–концентрация связующего 55 %;

67,5 г сух. КФС – 100 г товарной КФС.

Хг сух. КФС – 140 г товарной КФС.

Х= 94,5 г сух. КФС.

55 г сух. КФС – 100 г раствора КФС. 94,5 г сух. КФС – Х г раствора КФС.

Х = 171,82 г раствора КФС.

Масса воды: 171,82 г – 140 г = 31,82 г.

Под сопло вискозиметра устанавливают стакан вместимостью 200 см3. Отверстие сопла снизу закрывают пальцем. В воронку вискозиметра наливают смолу с избытком, так чтобы над верхним краем воронки образовался выпуклый мениск. Избыток смолы и образовавшиеся пузырьки воздуха удаляют, сдвигая их стеклянной палочкой по верхнему краю воронки вискозиметра в горизонтальном направлении. Затем открывают отверстие сопла и одновременно включают секундомер. В тот момент, когда смола перестанет вытекать из сопла сплошной струей, секундомер останавливают и отсчитывают время истечения смолы с точностью ± 0,2 с.

17

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение из трех параллельных определений. Результаты определения представляют в виде таблицы и кривой зависимости условной вязкости раствора смолы от его концентрации.

При оформлении отчета требуется провести анализ полученных результатов и сделать письменный вывод о влиянии концентрации смолы на условную вязкость ее растворов.

Вопросы к коллоквиуму

1.Основные отличия олигомеров и полимеров.

2.Термореактивные смолы и их применение в технологии древесных композиционных материалов.

Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ОТВЕРЖДЕНИЯ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ ОЛИГОМЕРОВ

Отверждением термореактивного олигомера (смолы) называют образование поперечных связей между макромолекулами олигомера и переход в неплавкое и нерастворимое состояние. В общем случае отверждение смолы может быть осуществлено при нагревании и в присутствии катализаторов отверждения (отвердителей). Скорость отверждения смолы увеличивается при повышении концентрации смолы, температуры отверждения и расхода отвердителя.

Время отверждения смолы определяют для оценки ее реакционной способности. Это необходимо для определения пригодности смолы для изготовления конкретных материалов, а также установления основных технологических параметров процесса горячего прессования. Различают в зависимости от температуры определения два параметра продолжительности отверждения: для КФС при температуре 100 оС и для ФФС при температуре 200 оС.

Отверждение КФС происходит при нагревании в присутствии кислых отвердителей. Без нагревания отверждение КФС с отвердителем также происходит, но гораздо медленнее. Продолжительностью отверждения КФС называют период времени, необходимый для желатинизации смолы под действием соответствующего отвердителя при температуре 100 оС. Желатинизация заключается в переходе смолы из текучего состояния в гелеобразное и определяется визуально по потере текучести. Период времени, за который наступает желатинизация смолы, в которую введен отвердитель (так называемого рабочего раствора связующего), при температуре

20 оС, называют жизнеспособностью КФС.

18

Отверждение термореактивных (резольных) ФФС происходит при нагревании при температурах до 200 оС в присутствии отвердителей или без них. В качестве отвердителей применяют карбонат калия K2CO3, сульфат алюминия Al2(SO4)3 и др. Продолжительностью отверждения ФФС называют период времени, необходимый для потери смолой пластичности, и определяемый визуально по потере способности расплава вытягиваться в тонкие нити.

Цель работы:

–определить продолжительность отверждения растворов КФС и ФФС различной концентрации;

–показать зависимость продолжительности отверждения растворов термореактивных олигомеров от их концентрации и расхода отвердителей.

Определение продолжительности отверждения карбамидоформальдегидного олигомера

Материалы и оборудование

КФС товарной концентрации (66…68 %); отвердитель хлорид аммония NH4Cl, 20%-ный раствор; вода дистиллированная; стаканы лабораторные стеклянные вместимостью 100 и 250 см3; пипетки лабораторные стеклянные вместимостью 2 и 10 см3; пробирки объемом 20 см3, диаметром (16 ± 1) мм, высотой 150 ± 5 мм и толщиной стенки (1,0 ± 0,2) мм; штатив для пробирок; держатель для пробирки; палочка стеклянная; металлическая спица; плитка электрическая нагревательная; секундомер 3-го класса точности; весы лабораторные технические с точностью взвешивания 0,01 г.

Порядок проведения работы

В стакане вместимостью 100 см3 взвешивают 50 г товарной смолы с точностью ± 0,01 г при комнатной температуре. К смоле добавляют расчетное количество дистиллированной воды для доведения ее концентрации до 52…58 % (концентрация связующего задается преподавателем) и перемешивают стеклянной палочкой. Затем добавляют 20%-ный раствор отвердителя – хлорида аммония из расчета 1…4 % абс. сух. соли от массы абс. сух. смолы (расход отвердителя задается преподавателем) и тщательно перемешивают стеклянной палочкой в течение 5 мин.

Пример расчета для приготовления связующего.

19

Исходные данные для расчета:

–концентрация товарной смолы 67,5 %;

–концентрация связующего 55 %;

–плотность 20 %-ного раствора NH4Cl 1,057 г/см3;

–расход отвердителя – 1 % абс. сух. соли от массы абс. сух. КФС.

67,5 г сух. КФС – 100 г товарной КФС.

Хг сух. КФС – 50 г товарной КФС.

Х= 33,75 г сух. КФС.

Масса сух. NH4Cl: 0,01·33,75 г = 0,338 г.

20 г сух. NH4Cl – 100 г 20%-го раствора NH4Cl. 0,338 г сух. NH4Cl – Х г 20% -го раствора NH4Cl.

Х = 1,69 г 20%-го раствора NH4Cl.

Объем 20%-го раствора NH4Cl: 1,69 г/1,057 г/см3 = 1,60 см3. Масса воды в растворе NH4Cl: 1,69 г – 0,338 г = 1,352 г.

55 г сух. КФС – 100 г связующего. 33,75 г сух. КФС – Х г связующего.

Х = 61,36 г связующего.

Масса воды: 61,36 г – 50 г – 1,352 г = 10,01 г.

В стакан вместимостью 250 см3 наливают воду, устанавливают на электрическую плитку и доводят до кипения. Полученный раствор связующего в количестве (2 ± 0,01) г переносят в пробирку. Пробирку закрепляют в держателе, погружают в стакан с кипящей водой так, чтобы уровень раствора в пробирке был на 10…20 мм ниже уровня воды в стакане, и одновременно включают секундомер. Раствор связующего в пробирке непрерывно перемешивают металлической спицей до начала его желатинизации (потери текучести). Период времени от момента погружения пробирки в кипящую воду до момента потери текучести связующего считают продолжительностью отверждения смолы при температу-

ре 100 оС.

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение из трех параллельных определений. Результаты определения представляют в виде таблицы и кривых зависимостей продолжительности отверждения связующего от его концентрации и расхода отвердителя.

20