Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физикохимия растворов полимеров и композиционных полимерных материалов. Методические указания
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
ФИЗИКОХИМИЯ РАСТВОРОВ
ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИЦИОННЫХ
ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Методические указания
Казань
Издательство КНИТУ
2018
УДК 678.01.002.6(07)
ББК Г713.6я7
Ф50
Ф50
Физикохимия растворов полимеров и композиционных полимерных
материалов : методические указания / сост.: А. А. Коноплева,
А. Р. Гатауллин, Ю. Г. Галяметдинов; Минобрнауки России, Казан.
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 68 с.
УДК 678.01.002.6(07)
ББК Г713.6я7
Содержат рекомендации по выполнению лабораторных работ по дис-
циплине «Физикохимия композиционных полимерных материалов».
Предназначены для магистрантов направления 18.04.01 «Химическая
технология» программы подготовки «Физико-химические основы инновационных технологий надмолекулярно-организованных систем».
Подготовлены на кафедре физической и коллоидной химии.
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ...................................................................................................... 4
Изучение концентрационной
зависимости вязкости растворов полимеров ........................................... 6
Определение молекулярной массы
полимера .................................................................................................... 15
Фракционирование полимеров
по молекулярной массе ............................................................................ 24
Эффективная вязкость растворов
полимеров .................................................................................................. 30
Исследование кинетики набухания
ограниченно набухающего полимера (полимерного композита) ........ 35
Определение изоэлектрической точки
полиамфолитов ......................................................................................... 42
Определение обменной емкости
катионита ................................................................................................... 50
Влияние концентрации
полиакриламидных флокулянтов на кинетику процесса
седиментации дисперсных систем .......................................................... 56
Библиографический список ..................................................................... 66
3
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания по выполнению лабораторных работ
способствуют выполнению задач, стоящих при изучении дисциплины
«Физикохимия композиционных полимерных материалов» по магистерской программе «Физико-химические основы инновационных
технологий надмолекулярно-организованных систем».
Методические указания направлены на выполнение лабораторных работ, посвященных исследованию растворов полимеров, их приведенной и характеристической вязкости (лаб. раб. 1), определению
молекулярной массы полимера (лаб. раб. 2) и фракционированию полимеров по молекулярной массе (лаб. раб. 3); эффективной (структурной) вязкости растворов полимеров (лаб. раб. 4). При исследовании
кинетики набухания полимерных композитов (лаб. раб. 5) магистрант
должен убедиться в том, что полимерный композит отличается от ненаполненного полимера степенью и константой скорости набухания.
В лабораторной работе 6 рассматриваются полимерные амфотерные полиэлектролиты, применяемые в качестве структурообразователей, а также флокулянтов и коагулянтов. Особенность строения полиамфолита дает возможность определить его изоэлектрическое состояние в определенной области pH, в которой макромолекулы представляют собой цвиттерионы. Приводятся два варианта выполнения
этой работы.
Лабораторная работа 7 «Определение обменной емкости катионита» посвящена полимерным композитам, способным обмениваться
ионами из раствора. Полимерные иониты широко используются для
очистки (деминерализации) воды, получении химически чистых реактивов, при крашении и др.
В лабораторной работе 8 магистранты должны исследовать
влияние полимерного флокулянта на кинетику процесса седиментации
дисперсных систем. Эта работа очень важна в понимании промышленных процессов очистки природных и сточных вод, осаждения и
концентрирования шламов в процессах угле- и рудообогащения и др.
В лабораторных работах четко ставятся цели, приводятся вопросы для самостоятельной проработки теоретического материала, дается
краткое теоретическое введение, содержащее сведения для выполнения лабораторной работы, подробно описан эксперимент и приводятся
вопросы для самоконтроля полученных знаний. Выполнение лабора-
4
торных работ способствует развитию творческого мышления студентов, формирует у магистрантов специальных знаний и компетенций
для выполнения научно-исследовательской и инновационной деятельности.
Сдача лабораторной работы заключается в предоставлении отчета о проведенном исследовании, и ее защите. Отчет должен иметь
следующую структуру:
1) номер лабораторной работы; название лабораторной работы;
2) цель работы;
3) краткий конспект по теории к лабораторной работе;
4) описание установок, материалов, реактивов;
5) методика выполнения работы;
6) обработка результатов исследования (таблицы, графики, под-
робные расчеты);
7) анализ результатов исследования, выводы по работе.
.
5
Лабораторная работа 1
ИЗУЧЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ ЗАВИСИМОСТИ
ВЯЗКОСТИ РАСТВОРОВ ПОЛИМЕРОВ
Цель работы: измерить время истечения растворов полимера
различной концентрации в неполярном и полярном растворителях,
построить зависимость приведенной вязкости растворов полимера от
концентрации, определить предельные числа вязкости в неполярном и
полярном растворителях.
Приборы и реактивы: термостат, вискозиметр, пипетки на 5 и
20 мл, исходный раствор полимера известной концентрации, раство-
ритель, резиновая груша.
Вопросы для подготовки к коллоквиуму: растворение полимеров;
вязкость растворов полимеров; приведенная вязкость и ее зависимость
от концентрации полимера в растворе; уравнение Хаггинса; характеристическая вязкость; зависимость приведенной вязкости от концентрации для растворов полиэлектролитов и уравнения, описывающие
эту зависимость.
Теоретическое введение
Процессы взаимодействия полимеров с низкомолекулярными
жидкостями имеют большое значение при синтезе полимеров, их переработке в изделия и в условиях эксплуатации этих изделий в различных жидких средах. При растворении полимеров в низкомолекулярных жидкостях прежде всего следует учитывать химическую природу взаимодействующих компонентов.
При взаимодействии полимера с низкомолекулярной жидкостью
могут образовываться истинные (гомогенные) растворы или коллоидные системы (латексы). обладают следующими
признаками: наличие сродства между компонентами, самопроизвольное образование, термодинамическая устойчивая однофазность, отсутствие поверхностей раздела, обратимость.
Вследствие огромной разницы в размерах молекул высокомолекулярных соединений и растворителя растворение полимеров имеет
свои специфические к которым относятся явление набу-
6
хания, предшествующее растворению; длительность установления
равновесия и высокая вязкость даже разбавленных растворов.
В любом истинном растворе, если он не бесконечно разбавлен, в
результате взаимодействия молекул растворенного вещества друг с
другом образуются ассоциаты, обратимо разрушающиеся под влиянием теплового движения. Полимер может быть диспергирован до молекул только при очень большом разбавлении.
Высокомолекулярные соединения так же, как и низкомолекулярные вещества можно разделить на электролиты и неэлектролиты.
Полимеры, содержащие в своем составе функциональные группы,
способные диссоциировать при растворении, называют
Для них характерно, что в одной макромолекуле возникает
большое число периодически повторяющихся зарядов. В зависимости
от природы функциональных групп различают поликислоты, полиоснования, полиамфолиты.
При растворении компонента происходит уменьшение химического потенциала (Δµi<0). Причем, чем больше абсолютные значения Δµi и ΔG, тем больше термодинамическое сродство между компонентами, тем лучше будет идти процесс взаимодействия (растворения) компонентов.
Характерным свойством растворов высокомолекулярных соединений является высокая которая значительно выше вязкости
растворов низкомолекулярных веществ и коллоидных систем тех же
концентраций. Для количественной оценки вязкости разбавленных
растворов полимеров часто пользуются не абсолютными значениями
коэффициента вязкости, а так называемой
раствора η
, т.е. отношением вязкости раствора η к вязкости раство-
отн
рителя η0:
η
η
η
Приращение вязкости, вызванное добавлением к растворителю
полимера, отнесенное к вязкости чистого растворителя, называется
раствора:
η η
η
η
η
7
а отношение удельной вязкости к концентрации –
или
η
η
уд
В сообщении Международного союза теоретической и прикладной химии о номенклатуре в области высокомолекулярных соединений рекомендовано наименование «число вязкости», однако у нас
в стране чаще пользуются термином «приведенная вязкость».
Зависимость значения приведенной вязкости от концентрации
полимера для вытянутых цепей выражается
η
где Км – константа для каждого полимер-гомологического ряда; М –
молекулярная масса растворенного полимера.
После преобразования этого уравнения получаем
η
т.е. приведенная вязкость не зависит от концентрации (рис. 1, прямая 1).
: 1
2
8
Однако уравнение (4) оказалось неточным. Во-первых, коэффициент КМ не всегда является постоянной величиной и в ряде случаев
зависит от молекулярной массы полимера. Во-вторых, уравнение
Штаудингера неправильно отражает концентрационную зависимость
приведенной вязкости.
Опытные данные показывают, что приведенная вязкость зависит
от концентрации: зависимость
графически изображается
прямой линией с определенным углом наклона (рис. 1, прямая 2). Это
связано с наличием взаимодействия макромолекул с молекулами растворителя (гидродинамическое взаимодействие). В этом случае зависимость числа вязкости от концентрации выражается уравнением Хаггинса:
η
где k´ – постоянная, зависящая от взаимодействия полимера с растворителем. Уравнение (6) является частным случаем более общего урав-
нения
щая взаимодействие макромолекул полимера друг с другом.
Тангенс угла наклона прямой
, где
– постоянная, отражаю-
(см. рис. 1) равен угло-
вому коэффициенту уравнения Хаггинса tgβ = k´[η]2, откуда можно
определить константу Хаггинса
.
В уравнении (6) величина [η], называемая
или представляет собой вели-
чину приведенной вязкости при бесконечно большом разбавлении:
Характеристическая вязкость имеет размерность, обратную концентрации (мл/г, дл/г), поскольку – величина безразмерная. Величина [η] связана с объемом макромолекулярного клубка.
Концентрационная зависимость приведенной вязкости определяется природой высокомолекулярного соединения. У полиэлектролитов в полярном растворителе наблюдается увеличение чисел вязкости
в зависимости от разбавления – который
заключается в разворачивании полимерных цепей за счет возрастания
9
электростатического отталкивания одноименно заряженных участков
полииона.
Возрастание приведенной вязкости по мере разбавления – один
из признаков, по которому полиэлектролиты были выделены в особый
класс соединений.
Существует несколько теорий, объясняющих явление полиэлектролитного набухания.
В первых теориях (Качальского и Лифсона) не учитывалось экранирование электростатических взаимодействий, обусловленное образованием дебай-гюккелевской атмосферы противоионов вокруг заряженных групп цепи. Предполагалось равномерное распределение противоионов в объеме разбавленного раствора, тогда как заряды сосредоточены в малых дискретных областях, занятых макромолекулами. Это предположение оказалось неверным, так как на самом деле противоионы не
распределены равномерно по объему раствора, а удерживаются электростатическим полем макромолекулярного клубка.
В дальнейшем учитывалось ослабление энергии взаимодействия
между зарядами цепи за счет образования облака противоионов вокруг
полииона, однако функция распределения расстояния между концами
заряженной цепи принималась за гауссову функцию, что при расчете
приводило к «вытягиванию» цепочки в жесткую палочку. Такие расчеты полностью расходились с опытом.
Лучше всего с опытными данными согласуется теория Птицына О.Б., в которой при расчете электростатической энергии заряженного клубка принимается во внимание реальное распределение противоионов внутри этого клубка, а также реальная функция распределения с учетом взаимодействий дальнего порядка.
Разворачивание полимерных цепей и связанное с этим увеличение объема макромолекулярного клубка по мере разбавления приводит к аномалиям концентрационных кривых приведенной вязкости
для полиэлектролитов. В частности, с разбавлением их растворов приведенная вязкость нелинейно возрастает вместо того, чтобы убывать
по закону Хаггинса (рис. 2).
Зависимость числа вязкости от концентрации для растворов полиэлектролитов подчиняется :
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]