1766

используются отпущенные и не отпущенные. Отпуск представляет собой процесс, при котором образец нагревают до определенной температуры, некоторое время выдерживают при ней, а затем постепенно понижают температуру до температуры окружающей среды. Такие операции позволяют снизить или полностью удалить внутренние напряжения в образце полимера, возникшие в момент ускоренной полимеризации в термопластавтомате. По стандарту ISO нагруженный испытуемый образец погружают в нагревательную ванну, заполненную силиконовым маслом.

Поверхностные напряжения образцов бывают низкими – 0,45МПа и высокими – 1,82 МПа.

Действие силы допускается в течение 5 минут. Однако, если испытуемые образцы полимеров не проявляют заметной ползучести в течение первых пяти минут, то этот период выдержки может быть пропущен. По

истечении 5 минут исходную температуру ванны 23 С повышают с

равномерной скоростью 2 С/мин.

За деформацией испытуемого образца ведется непрерывные наблюдение: температуру, при которой прогиб достигает 0,32 мм, регистрируют как деформационную теплостойкость под нагрузкой или температуру тепловой деформации полимера.

На рис 2.9.1 приборы для определения деформационной теплостойкости по Вика.

2.10. Определение физико-механических свойств битума

2.10.1. Определение твердости битума

Битумы, как природные, так нефтяные, представляют собой композиционные материалы, в которых в роли связующих выступают смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных с кислородом, азотом серой. В качестве наполнителей выступают наночастицы: асфальтенов, карбенов и карбоидов.

Порядок определения твердости битума по ГОСТ 11501-78. Перед определением твердости приготавливают пробу битума, которую обезвоживают. Для этого пробу битума помещают в сушильный шкаф или на песчаную баню и доводят до подвижного состояния, нагревая до температуры 120-180 С. Затем расплавленный битум процеживают через сито с отверстием 0,6-0,8 мм и тщательно перемешивают до полного удаления пузырьков воздуха. После остывания проба битума считается подготовленной к определению твердости. Твердость битумов или пенетрацию определяют по глубине проникания иглы стандартного прибора пенетрометра под действием груза массой 100г в течение 5 сек. при температуре 25 С. Глубину проникания иглы выражают в градусах,

51

определяемых по диску пенетрометра, причем каждый градус диска соответствует опусканию иглы на 0,1 мм.

Пенетрометр имеет опорную площадку с тремя установочными винтами для приведения ее в горизонтальное положение. К опорной площадке прикреплена стойка с кронштейном 1 и вращающийся предметный столик 8 для установки кристаллизатора с металлической чашкой, содержащей испытываемый битум. На верхнем кронштейне стойки установлены циферблат 2, разделенный на 360 , и контактная рейка 3 – кремальера, движение которой передается стрелке циферблата. На нижнем кронштейне закреплен свободно падающий стержень с иглой 6 и грузом массой 100 г, удерживаемый стопорной кнопкой 4. Несколько выше предметного столика к стойке шарниром прикреплено зеркало 5.

Предварительно приготовленный битум заливают в металлическую чашку и выдерживают при температуре 18-20 С в течение 1 часа, после чего помещают в ванну, наполненную водой при температуре 20 С и оставляют на 1 час до испытания. Через 1 час чашку с битумом помещают в кристаллизатор, наполненный водой с температурой

25 С.

Кристаллизатор устанавливают на столик пенетрометра и подводят острие иглы к поверхности битума, при этом игла должна слегка касаться битума, но не входить в него. Для облегчения этой операции служит зеркало. Кремальеру доводят до верхней площадки стержня, несущего

иглу, после чего пускают секундомер и нажимают кнопку, давая игле свободно входить в образец битума в течение 5 секунд. Стрелка, передвигающаяся вместе с кремальерой, показывает в градусах расстояние, пройденной иглой за 5 с (1 равен 0,1 мм). Пенетрацию повторяют 3 раза в различных точках на поверхности образца, отстоящих не менее чем на 10 мм от краев чашки и друг от друга. После каждого погружения иглу протирают бензином и вытирают насухо тряпочкой или ватой.

52

2.10.2. Порядок определения растяжимости битума по ГОСТ 11505-75

Растяжимостью или дуктильностью называется способность битумов вытягиваться в тонкие нити под действием приложенной растягивающей нагрузки. Величина растяжимости зависит от длины нити, см. до разрыва при температуре 25 С и скорости вытягивания 5 см/мин и выражается в см.

Растяжимость битумов определяют на приборе – дуктилометре, который представляет собой деревянный ящик, обитый внутри оцинкованной жестью. Ниже на рис. 2.10.2.1 представлен дуктилометр.

Рис. 2.10.2.1. Дуктилометр

В дуктилометре имеются две направляющие, по которым движутся салазки от маховичка. На ящике имеется шкала, по которой скользит указатель, прикрепленный к салазкам.

Подготовленный к испытанию битум расплавляют и заливают в формы; перед заливкой, формы следует смазать глицерином и установить их на металлическую пластину. Формы с битумом охлаждают в течение

30 минут при температуре 18-20 С, после чего срезают избыток битума. На рис 2.10.2.2 представлена форма для изготовления и испытания образцов на растяжимость.

Рис. 2.10.2.2. Форма для изготовления и испытания образцов на растяжимость

53

Формы с битумом и пластинкой помещают в ящик дуктилометра, предварительно налив в него воду с температурой 25 С, и выдерживают в ней в течение 1,5 часа. Слой воды над образцом должен быть не менее 25 мм. Образец снимают с пластины и закрепляют на дуктилометре, надев кольца формы на штифты его салазок, после чего включают мотор или вращают маховичок. Длину нити битума, отмеченную указателем в момент ее разрыва, принимают за растяжимость битума. Для каждого образца битума выполняют три определения. Конечный результат берут как среднее из трех определений.

2.11. Определение относительной плотности

Плотность вещества равна отношению его массы m к его объему V :

Vm .

Относительная плотность d определяется отношением плотности данного вещества к плотности другого при определенных условиях. Обычно относительную плотность вещества определяют по отношению к

плотности дистиллированной воды при 4 С: d .

H2O

Относительная плотность вещества зависит от температуры, при которой ее определяют. Обычно стандартная температура, при которой проводят определение, принимается равной 20 С. Относительную плотность органического вещества выражают отношением его массы к массе дистиллированной воды в том же объеме и при одинаковых условиях. Существует несколько способов определения относительной плотности: пикнометрический, весами Вестфаля и с помощью ареометра.

54

метр с водой помещают в водяную баню, имеющую температуру 20 С, и выдерживают в ней 15-20 минут, чтобы температура воды в пикнометре стала равной 20 С. При этой температуре уровень воды в пикнометре доводят точно до метки, отбирая излишек пипеткой или полоской фильтровальной бумаги. Затем пикнометр с водой выдерживают в бане еще несколько минут, проверяя. Не изменяется ли положение мениска воды по отношению к метке. Потом пикнометр вынимают из бани, вытирают досуха и взвешивают на аналитических весах.

После этого из пикнометра выливают воду, высушивают и наливают в него исследуемую органическую жидкость. Проводят те же операции, что и с дистиллированной водой. Относительную плотность вычисляют по формуле

d 20 m3 m1 , 20 m2 m1

где d2020 – относительная плотность исследуемой жидкости; m1 – масса

пустого пикнометра, г; m2 – масса пикнометра с дистиллированной водой, г; m3 – масса пикнометра с исследуемой органической жидкостью, г.

2.11.2. Определение относительной плотности твердых полимеров

Сухой и чистый пикнометр взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0002 г, заполняют до верха водой, закрывают стеклянной пробкой с капилляром и погружают в водяную баню с температурой

(20 0,1) С на 30 минут. После этого точно устанавливают уровень воды в пикнометре по метке, либо доливая воду, либо удаляя воду из капилляра фильтровальной бумагой. Пикнометр закрывают пробкой, вытирают снаружи мягкой тряпкой и взвешивают. Затем выливают воду из пикнометра, высушивают в сушильном шкафу, охлаждают в эксикаторе и помещают в него несколько кусочков полимера. Закрывают пикнометр пробкой и взбалтывают его содержимое для удаления приставших к стенкам пузырьков воздуха, доливают воду до верха, закрывают пробкой и по-

гружают на 30 минут в водяную баню с температурой (20 1) С. После выравнивания температур доливают воду до метки, закрывают пробкой, тщательно обтирают снаружи и взвешивают.

Относительную плотность вычисляют по формуле

где m0 – масса пикнометра, г; m1 – масса пикнометра с водой, г; m2 – масса пикнометра с полимером, г; m3 – масса пикнометра с водой и полимером, г.

55

Если полимер растворяется в воде, то ее заменяют жидкостью, в которой полимер не растворяется. Такой жидкостью является бензин. Если плотность полимера меньше плотности воды, то применяют смесь этилового спирта и четыреххлористого углерода. Наливают в цилиндр около 100 см3 этилового спирта, всыпают полимер и приливают по каплям четыреххлористый углерод до тех пор, пока не всплывет полимер. Смесь перемешивают и следят за тем, чтобы кусочки полимера распределились равномерно по всему объему и находились во взвешенном состоянии, после чего ареометром измеряют плотность смеси. Плотность смеси растворителей является плотностью полимера.

2.11.3. Определение плотности ареометром

Для быстрого определения плотности жидкости пользуются ареометром. Исследуемый жидкий углеводород наливают в цилиндр, измеряют температуру жидкости и осторожно опускают в нее ареометр, не выпуская последний из рук до тех пор, пока не станет ясно, что он плавает. При этом необходимо следить, чтобы ареометр не касался стенок и дна цилиндра. На рис. 2.11.3.1 показано правильное

положение ареометра.

Отсчет производят по делению шкалы ареометра, оказавшемуся на уровне поверхности жидкости. Ареометром можно определить плотность приближенно, с точностью до второго десятичного знака.

ромыслом 2, плечи которого не равны как по длине, так и по весу (рис. 2.11.4.1). На коротком плече коромысла имеется постоянный груз 3. Более легкое и длинное плечо разделено зарубками на 10 равных частей.

На уровне последнего десятого деления прикреплен крючок 4, к которому подвешен на тонкой платиновой проволоке стеклянный по-

56

плавок 5. Вес поплавка подобран так, что плечи весов могут быть приведены в равновесие при помощи регулировочного винта 6.

Рис. 2.11.4.1. Весы Вестфаля:

1 – штатив; 2 – коромысло; 3 – груз; 4 – крючок; 5 – поплавок; 6 – регулировочный винт; 7 – цилиндр; 8 – разновесы

Перед определением плотности каменноугольное масло выдерживают при температуре (20 0,5) С в течение 2 часов. Тщательно проверяют весы. Взвешиванием на аналитических весах проверяют правильность соотношения между разновесами, два их которых имеют массу, равную массе воды, вытесненной грузом при температуре 20 С (большие разновесы), а другие в 10, 100 и 1000 раз легче. Протирают спиртом платиновую проволоку и стеклянный поплавок. В стеклянный цилиндр наливают дистиллированную воду с температурой точно 20 С и опускают поплавок, подвешенный на нити за крючок, чтобы верхняя точка его была на 15 мм ниже уровня воды. На десятое деление длинного плеча навешивают самый большой разновес, который должен снова уравновесить весы. Отсутствие равновесия указывает на неточность весов. Если самый большой разновес недостаточен, коромысло уравновешивают, помещая на второе и третье деления более легкие разновесы. Если поплавок и единичный разновес тяжелее требуемого, большой разновес подвесить на девятое деление, а меньшие – на другие деления. Ошибку за счет неточности весов учесть с соответствующим знаком при определении плотности. Затем установить проверенные весы в рабочее состояние, то есть опустить поплавок, вымытый спиртом или ацетоном, в цилиндр, и регулировочным винтом привести коромысло в горизонтальное положение так, чтобы острие короткого плеча коромысла совпало с острием, укрепленным на дугообраз-

57

ной части штатива. По стеклянной палочке осторожно налить в цилиндр каменноугольное масло так, чтобы оно покрыло весь поплавок и 10 15 мм проволоки. Привести поплавок в равновесие навешиванием сначала более тяжелых, а затем более легких разновесов. Положение разновесов покажет плотность масла, то есть число, указывающее, во сколько раз масло легче или тяжелее воды в одном и том же объеме (в объеме данного стеклянного цилиндра). Если плотность исследуемого масла больше 1, сначала на десятое деление (крючок) навешивают самый большой разновес, а затем подбирают и навешивают остальные разновесы; если плотность материала меньше 1, большой разновес навешивают на девятое, восьмое и следующие деления, после чего также подбирают места для других разновесов. Высчитывают по разновесам плотность масла при температуре определения. Например, первый большой разновес (1,0) находится на десятом делении, второй большой разновес (1,0) находится на первом делении, разновес 0,01 – на втором делении, разновес 0,01 – на четвертом делении, разновес 0,001 – на шестом делении. Тогда плотность равна

t20 1,1246 г/см3. Определенная на весах Вестфаля плотность называется

"видимой", так как взвешивание производится на воздухе; плотность выражается по отношению к воде при температуре 4 С, а прибор юстируют при 20 С. Чтобы определить действительную плотность масла, вводят соответствующие поправки. Плотность каменноугольного пека определяют так же на весах Вестфаля по точно такой же методике.

2.11.5. Определение плотности пластификаторов ареометром

Плотность пластификаторов является показателем, характеризующим степень загрязненности примесями и качество пластификатора. Определение плотности пластификаторов производят с помощью стандартных проборов – ареометров. Ареометр – стеклянный цилиндрический сосуд, имеющий в нижней части балласт определенного веса. Форма ареометра должна быть строго симметрична по отношению к вертикальной оси. Градуировка ареометра произведена в соответствующем интервале для получения достаточной точности измерений и отнесена к плотности воды

на 4 С с тем, чтобы показания ареометра непосредственно давали плотность исследуемого пластификатора при 20 С. Для определения плотности пластификатор (дибутилфталат или трикрезилфосфат) тщательно перемешивают и помещают в стеклянный стандартный цилиндр высотой 280 мм и наружным диаметром 40 мм. Цилиндр с пластификатором помещают в термостат с водой при температуре 20 С. Уровень воды в термостате после погружения в него цилиндра должен быть выше уровня пластификатора в цилиндре на 15 20 мм. Когда пластификатор в цилиндре будет иметь температуру 20 С, в него осторожно погружают ареометр.

58

Когда ареометр займет постоянное положение в пластификаторе, записывают показание ареометра по нижней границе мениска, которое характеризует величину плотности.

2.12. Определение показателя преломления

Если луч света переходит из одной среды в другую, то направление его меняется, то есть луч света испытывает преломление (рис. 2.9.1).

Рис. 2.12.1. Преломление света (а) и полное внутреннее отражение (б)

Отношение синуса угла падения луча света к синусу угла его преломления называется показателем преломления n:

Если луч света переходит из воздуха в более преломляющую среду, то угол падения всегда больше угла преломления. Если луч света переходит из среды, более преломляющей, в среду, менее преломляющую, то угол падения оказывается меньше угла преломления и формула (1) принимает вид:

При увеличении угла падения может наступить такой момент, когда угол преломления окажется равным 90 , и луч света будет скользить по поверхности раздела сред. Угол падения, при котором луч скользит по поверхности раздела, называется углом полного внутреннего отражения.

При дальнейшем увеличении угла падения луч света уже не выходит из среды, а полностью отражается от поверхности раздела.

59

величину показателя преломления. Этот способ определения показателя преломления веществ используется во многих рефрактометрах. Показатель преломления используется для идентификации жидких органических веществ и характеристики их чистоты. Показатель преломления зависит от температуры, поэтому при его измерении она должна быть постоянной (20 С). Показатель преломления резко меняется при изменении длины волны света, поэтому измерения проводят при монохроматическом свете. Обычно измерения показателя преломления ведут при 20 С и при длине волны, соответствующей длине волны желтой линии натрия Д

( =589,3 нм). Символ nД20 означает, что показатель преломления определен

для линии Д при 20 С. Большинство жидких органических веществ имеют показатель преломления в пределах 1,3 1,8.

60