Композиционные материалы. Учебное пособие

Высокое значение твердости свидетельствует о высокой жесткости и

стойкости пластмассы к воздействию механических сил. Низкое значение твердости, наоборот, указывает на более гибкий и деформируемый материал. При выборе пластмассы для конкретного применения необходимо учитывать требования к ее твердости, чтобы обеспечить нужные свойства и работоспособность изделия.

Методы измерения твердости основываются на различных принципах – вдавливания, царапания, прокола стандартной иглой и др. В России и большинстве европейских стран в лабораторных условиях твердость определяют по методу Бринелля – вдавливанием в образец стального шарика под заданной нагрузкой и измерением глубины его вдавливания в поверхность через определенное время

(ГОСТ 4670-91 Метод определения твердости вдавливания шарика под заданной нагрузкой).

Ход выполнения лабораторной работы

1. В работе проводится определение химической стойкости 5-10 фрагментов изделий из пластмасс, идентифицированных в предыдущей работе. В качестве реагентов используются: минеральная кислота разбавленная, щелочь разбавленная,

концентрированная; органические растворители: спирт, кетон, эфир;

хлорированный, циклический и ароматические углеводороды; мыльно-содовый раствор. Образцы пластмасс в виде мелких кусочков помещают в пробирки с соответствующим реагентом, выдерживают в течение двух часов при комнатной температуре, периодически помешивая стеклянной палочкой или встряхивая.

2. По окончании выдержки реагенты осторожно слить, вытряхнуть содержимое пробирки на керамическую или стеклянную пластинку и, при внешнем осмотре, установить изменения образцов (набухание, изменение характера поверхности, вымывание пластификатора, изменение цвета и др.).

71

3. Отчет оформить по результатам двух испытаний образцов пластмасс в виде таблицы, указывая твердость по шкале Мооса и изменения, которые произошли с образцами в соответствующих реагентах.

Сделать вывод о твердости и химической стойкости пластмасс, содержащих различные полимеры и наполнители.

5.3 Лабораторная работа № 3 Определение вязких свойств термореактивных полимерных связующих

Цель работы: определить влияние состава композиции и температуры на значение вязкости.

Термореактивные полимерные связующие обладают рядом важных свойств,

которые делают их применимыми в различных областях. Некоторые из этих свойств включают:

1.Вязкость: Термореактивные полимерные связующие обычно имеют высокую вязкость в исходном состоянии. Это позволяет им проникать в микроскопические поры материалов и хорошо сцепляться с поверхностью. Высокая вязкость также способствует формированию прочных связей между материалами.

2.Температурная устойчивость: Термореактивные полимерные связующие обычно выдерживают высокие температуры без значительного размягчения или деградации. Это позволяет использовать их в процессах, требующих высоких температур, таких как литейные операции или термическое отвержение.

3.Прочность связи: Термореактивные полимерные связующие образуют прочные связи с материалами, с которыми они взаимодействуют. Это обеспечивает прочность и долговечность конечного изделия.

4.Химическая стойкость: Так как термореактивные полимерные связующие образуют химические связи с материалами, они обычно обладают

72

хорошей химической стойкостью. Это позволяет им устойчиво функционировать в агрессивных средах, таких как кислоты, растворители или основные растворы.

5. Устойчивость к влаге: Термореактивные полимерные связующие обычно обладают хорошей устойчивостью к влаге. Они могут быть использованы в приложениях, требующих контакта с водой или влажными условиями, без значительного размягчения или деградации.

Полимерное связующее на стадии получения КМ (пропитка) представляет собой вязкую жидкость и основным параметром для описания поведения такой жидкости является вязкость, которая характеризуется коэффициентом вязкости .

Вязкость полимеров – это способность полимера сопротивляться деформации под воздействием приложенных сил и сохранять свою форму. Вязкость зависит от молекулярной структуры полимера, его температуры, давления и скорости деформации.

Выделяют два типа вязкости полимеров: динамическую и кинематическую.

- Динамическая вязкость полимера характеризует его способность сопротивляться деформации под воздействием приложенной силы. Она определяется релаксацией молекулярной структуры полимера и влияет на его текучесть и способность к формированию.

Кинематическая вязкость полимера определяется его способностью протекать через узкое отверстие или канал и характеризует его внешнюю текучесть.

Кинематическая вязкость полимера обратно пропорциональна его динамической вязкости и может быть определена путем деления динамической вязкости на плотность полимера.

Молекулярная структура полимера играет решающую роль в его вязкости.

Чем более длинные и сложные молекулы полимера, тем выше его вязкость. Кроме того, температура также существенно влияет на вязкость полимеров. При повышении температуры молекулы полимера приобретают больше энергии и могут легче двигаться, что уменьшает вязкость.

Вязкость полимера также зависит от скорости деформации. При быстрой деформации, например, при резком ударе или растяжении, полимер может проявлять

73

эффект подобия жидкости и утекать. При медленной деформации полимер обычно проявляет эффект упругой твердости.

Знание и контроль вязкости полимеров важно при их производстве и применении в различных отраслях, таких как пластиковая и резиновая промышленность,

текстильная и упаковочная промышленность, медицинская и косметическая промышленность и другие.

1 – опора; 2 – штатив; 3 – резервуар; 4 – сопло; 5 – приемный стакан Рисунок 28 – Схема вискозиметра для определения условной вязкости

жидкостей Для быстрого приближенного определения условной вязкости (времени

истечения) полимерных жидких связующих применяют вискозиметр ВЗ (рисунок

28). Вискозиметр представляет собой резервуар, имеющий форму воронки с тремя сменными соплами. Принцип действия вискозиметра основан на определении времени непрерывного истечения испытуемой жидкости в количестве 100 см3 через выходное отверстие вставки-сопла.

Для определения вязкости прозрачных олигомерных композиций

(термореактивных полимеров) наиболее точным методом является определение вязкости по шариковому вискозиметру Гепплера.

Основной частью прибора является пробирка с внутренним диаметром 20 мм,

которую помещают в стакан с термостатирующей жидкостью (глицерин). На

пробирке нанесены метки на расстоянии 100 мм друг от друга. Температуру жидкости

74

контролируют термометром. Принцип метода состоит в определении времени прохождения стальным шариком расстояния между метками. Прибор дает возможность определять вязкость при нормальных и повышенных температурах.

Вязкость полимерной композиции зависит от различных технологических параметров, один из основных - температура.

Температурная зависимость вязкости часто выражается уравнением типа уравнения Аррениуса

R T

где – вязкость;

0 – некоторый параметр;

Еав – энергия активации вязкого течения;

R – универсальная газовая постоянная (R = 8,314кДж/(моль К));

T – термодинамическая температура.

Из анализа приведенной формулы можно сделать вывод о том, что при увеличении температуры вязкость полимерного материала снижается.

Энергия активации вязкого течения возрастает с увеличением молекулярной массы, достигая некоторого предельного значения. Для определения энергии активации вязкого течения необходимо построить зависимость коэффициента вязкости от температуры. Из уравнения следует линейная зависимость логарифма вязкости от обратной температуры.

Ход выполнения лабораторной работы

3.1 Определение условной вязкости полимерных связующих

Оборудование и материалы: различные типы связующего, вискозиметр ВЗ,

секундомер с ценой деления 0,5 с, термометр с ценой деления 0,1 °С, емкость для

75

связующего, скребок, набор сопел.

Ход работы. Готовят 100 мл связующего по предложенным рецептурам преподавателем. Ввинчивают сопло с необходимым диаметром выходного отверстия (2 мм, 4 мм, 6 мм) в резервуар. Устанавливают резервуар в штатив,

предусмотрев установку приемной емкости для вытекающей из резервуара жидкости. Штатив прибора помещают на стол со строго горизонтальной поверхностью. Закрывают выходное отверстие вставки-сопла резервуара для исключения вытекания жидкости. Медленно, во избежание образования пузырьков,

наливают в резервуар до верхней кромки жидкость. Мениск удаляют стеклянной пластиной. Приемный сосуд устанавливают так, чтобы расстояние между выходным отверстием и приемным сосудом было не менее 100 мм.

Открывают выходное отверстие вставки-сопла и при начале движения жидкости из отверстия резервуара вискозиметра, одновременно включают секундомер. Во время первого прерывания струи останавливают секундомер и отсчитывают время t. Время истечения определяют с погрешностью не менее 0,5 с.

Повторное измерение проводят сразу после окончания предыдущего без очистки вискозиметра. За результат испытаний принимают среднее арифметическое результатов 3-5 измерений времени истечения в секундах.

3.2 Определение вязкости на вискозиметре Гепплера

Оборудование и материалы: различные типы связующего, шариковый вискозиметр, секундомер с ценой деления 0,5 с, термометр с ценой деления 0,1°С.

Ход работы. Готовят 50 мл связующего по предложенным рецептурам преподавателем.

Экспериментально или по правилу смеси определяют плотность композиции.

Исследуемую жидкость заливают в пробирку до уровня выше верхней метки,

закрепляют в лапке штатива и опускают в термостатирующую жидкость. При этом дно пробирки не должно касаться дна стакана. Уровни исследуемой и

76

термостатирующей жидкостей должны совпадать. При необходимости проводят термостатирование жидкости при заданной температуре в течение нескольких минут.

Определяют время прохождения стальным шариком расстояния между метками. При проведении эксперимента пробирка должна находиться строго

вертикально, а шарик должен опускаться по оси пробирки, не касаясь стенок.

где dш – диаметр шарика, м;

ш – плотность материала шарика (для стали 7856 кг/м3), кг/м3;

св – плотность связующего, определяется расчетным путем по правилу смеси или экспериментально, кг/м3;

D – диаметр пробирки, м;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

tср – среднее значение времени прохождения шариком расстояния между метками, с;

L – расстояние между метками, м.

По предложенной методике определяют вязкость полимерного связующего не менее чем при трех значениях температуры, различающихся более чем на 10 °С, за результат измерений принимают среднее значение не менее трех экспериментов при каждой температуре.

По результатам эксперимента строят зависимости вязкости от температуры и lg –1/Т. По наклону прямой на последнем графике рассчитывают энергию активации вязкого течения, используя формулу:

77

где R – универсальная газовая постоянная (R = 8,314 кДж/(моль К));

1, 2 – экспериментальные значения динамической вязкости, Па с;

Т1, Т2 – значения температуры, при которых определена вязкость, К.

По результатам экспериментов и расчетов заполняют таблицу 6.

Таблица 6 – Результаты испытаний образцов

5.4 Лабораторная работа № 4 Изучение методов идентификации термопластичных материалов

Цель работы: научиться определять основные характерные особенности полимерных гранулированных материалов различной природы.

Для установления природы полимерного материала в готовом изделии проводят систематический качественный и количественный анализ материала и идентификацию его с известными типами полимеров.

Существует несколько методов идентификации термопластичных материалов,

которые включают в себя:

1. Методы определения химического состава:

-инфракрасная спектроскопия: идентификация материала по его инфракрасному спектру, который отражает характерные вибрационные и вращательные колебания молекул;

-ядерный магнитный резонанс (ЯМР): анализ молекулярной структуры и

78

состава материала с помощью ЯМР-спектроскопии;

2. Физические методы идентификации:

-термический анализ (ТА): определение температурных характеристик материала, таких как точка плавления, температура стеклования, температура разложения и т.д.;

-дифракция рентгеновских лучей (ДРЛ): определение кристаллической структуры и ориентации молекул в материале;

-микроскопия: изучение морфологии поверхности и внутренней структуры материала при помощи оптического или электронного микроскопа.

3. Механические методы:

- измерение механических свойств: определение твердости, прочности,

упругих свойств материала, используя методы испытаний на растяжение, изгиб или ударную нагрузку;

- реологический анализ: изучение поведения материала при деформации и изменении температуры, позволяющее определить его реологические свойства

(вязкость, пластичность и т.д.).

Ход выполнения лабораторной работы

4.1Определение растворимости полимерных материалов

Оборудование и материалы: полимерные материалы различной природы;

растворитель - бензин, ацетон, вода, этиловый спирт, уксусная кислота, соляная кислота.

Ход работы. Для определения растворимости 0,5 г измельченного образца помещают в пробирку, добавляют 5-10 мл растворителя, встряхивают и оставляют стоять на несколько часов; отмечают степень растворения - полное, частичное,

набухает, не растворяется. Если образец растворяется частично, определяют растворимость при нагревании используя колбу с обратным холодильником.

4.2Определение поведения материала в пламени горелки

79

Оборудование и материалы: полимерные материалы различной природы;

горелка, шпатель, пинцет длинный.

Ход работы. Небольшое количество материала осторожно и ненадолго вносят на шпателе в верхнюю часть высокотемпературной зоны пламени газовой горелки.

Выносят пластмассу из пламени и смотрят, будет ли она гореть дальше. При этом отмечают характерные особенности горения: воспламеняемость, обугливание,

плавление, запах, цвет пламени, наличие копоти, дыма, самогашения, наличие золы,

ее окраску и т. п.

4.3 Цветная реакция на полимеры

Оборудование и материалы: полимерные материалы различной природы;

фарфоровая пластина, уксусный ангидрид, концентрированная серная кислота,

пипетка.

Ход работы. На фарфоровую пластинку помещают небольшой кусочек исследуемого полимера и наносят на него несколько капель уксусного ангидрида, а

затем каплю концентрированной серной кислоты. В течение 30 мин наблюдают за окраской жидкости и поверхности смолы, отмечая цвета и последовательность их изменения.

4.4 Определение температуры размягчения

Оборудование и материалы: полимерные материалы различной природы;

металлический или фарфоровый тигель, термометр, кварцевый песок,

металлическая или асбестовая подставка.

Ход работы.

Проба на плавление. Вносят образец пластмассы в струю горячего воздуха,

нагретого горелкой, или нагревают исследуемый образец на металлической или асбестовой подставке.

В зависимости от того, что будет происходить с пластмассой, можно отнести

80