Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Свойства компонентов полимерных композиционных материалов. Лабораторный практикум
.pdf
Лабораторная работа № 7
СВОЙСТВА ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ
ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Термореактивные полимеры (реактопласты) имеют сетчатую
структуру. Они затвердевают непосредственно в процессе их изготовления. Процесс затвердевания реактопластов необратим. Они остаются в твердом состоянии, несмотря на повторное нагревание.
Структура сетчатых полимеров образована ковалентными связями
между соседними цепями молекул. Эти связи не разрушаются при нагревании, поскольку не допускают движения молекул. Это позволяет
материалу оставаться твердым при повышении температуры [12, 13].
Термореактивная смола – это смола, которая при отверждении
под действием температуры и/или в результате химической реакции
необратимо превращается в твердый, неплавкий и нерастворимый
материал с трехмерной сетчатой структурой.
К термореактивным относятся ненасыщенные полиэфирные,
эпоксидные, фенольные и другие виды органических смол.
1. Идентификация компонентов термореактивного связующего
Цель работы – научиться визуально идентифицировать различ-
ные типы смол и компонентов для изготовления полимерных связующих.
Материалы и оборудование
1. Компоненты, необходимые для приготовления связующего.
1.1. Смолы:
– эпоксидно-диановая (ЭД),
– полиэфирная ненасыщенная (ПН),
– фенолоформальдегидная смола (ФФС).
1.2. Отвердители:
– гидроперекись изопропилбензола (гипериз),
– полиэтиленполиамин (ПЭПА),
91
– триэтаноламинотитанат (ТЭАТ),
– малеиновый ангидрид (МА).
1.3. Ускоритель: нафтенат кобальта (НК).
1.4. Пластификатор: дибутилфталат (ДБФ).
2. Мерные цилиндры.
3. Электронные весы.
Теоретическая часть
Термореактивное связующее представляет собой двух- или многокомпонентную систему, состоящую из синтетической смолы, отвердителей, катализаторов, ускорителей отверждения. Часто полимерные связующие содержат также пассивные или активные растворители (разбавители), пигменты и красители, пластификаторы, стабилизаторы и другие компоненты, вводимые с целью придания связующим и полимерным композиционным материалам необходимых
технологических и эксплуатационных свойств.
Для изготовления композиционных материалов наиболее часто
применяют полиэфирные и эпоксидные смолы, как наиболее эффективные, имеющие достаточно высокие прочностные показатели в отвержденном состоянии и не выделяющие большого количества вредных веществ.
Неотвержденные полиэфирные смолы в зависимости от состава,
химического строения и молекулярной массы представляют собой
вязкие жидкости или твердые вещества.
Отвердителями полиэфирных смол чаще всего используют:
– перекись бензоила или гидроперекись изопропилбензола (гипериз) – отвердители низкотемпературного отверждения,
– трет-бутилпербензоат – отвердители высокотемпературного отверждения.
Эффективным ускорителем, применяемым в сочетании с гидроперекисями являются кобальтовые соли нафтеновых и некоторых
других кислот, например, нафтенат кобальта.
92
Неотвержденные эпоксидные смолы представляют собой растворимые и плавкие вязкие жидкости или хрупкие твердые вещества, характеризующиеся хорошей адгезией ко многим материалам и небольшой усадкой при отверждении.
Отвердителями эпоксидных смол могут быть:
– амины (полиэтиленполиамин, гексаметилендиамин, пиридин) –
отвердители низкотемпературного отверждения,
– кислотные отвердители (малеиновый и фталевый ангидриды
и т.д.) – отвердители высокотемпературного отверждения [16].
Последовательность выполнения работы
1. Визуально изучить смолу и компоненты для изготовления по-
лимерных связующих.
2. Описать отличительные особенности смолы (цвет, запах, агре-
гатное состояние, плотность).
3. На электронных весах взвесить пустой мерный цилиндр m2.
4. Налить смолу в мерный цилиндр.
5. Определить объем смолы V (см3) по цене деления мерного ци-
линдра.
6. Взвесить на электронных весах мерный цилиндр со смолою m2.
7. Вычислить массу смолы mс (г), находящейся в мерном цилинд-
ре по формуле
, (7.1)
где m1 – масса пустого мерного цилиндра, г; m2 – масса мерного цилиндра со смолою, г.
8. Вычислить плотность смолы ρ (г/см3) по формуле
, (7.2)
где mс – масса смолы, г; V – объем смолы, см3.
9. Аналогично исследовать все смолы и компоненты для изготов-
ления полимерных связующих.
93
Получаемые результаты
Результаты испытаний и расчетов занести в таблицу 7.1.
Таблица 7.1
№
Смола Цвет Запах
образца
Агрегатное
mс, г V, мл
состояние
1
…
2. Приготовление связующего на основе
термореактивных олигомеров
Цель работы – научиться проводить расчет компонентов, необ-
ходимых для приготовления различных типов связующего.
ρ,
г/см3
Материалы и оборудование
1. Компоненты, необходимые для приготовления связующего.
1.1. Смолы:
– эпоксидно-диановая (ЭД),
– полиэфирная ненасыщенная (ПН),
– фенолоформальдегидная смола (ФФС).
1.2. Отвердители:
– гидроперекись изопропилбензола (гипериз),
– полиэтиленполиамин (ПЭПА),
– триэтаноламинотитанат (ТЭАТ),
– малеиновый ангидрид (МА).
1.3. Ускоритель: нафтенат кобальта (НК).
1.4. Пластификатор: дибутилфталат (ДБФ).
2. Электронные весы.
3. Ложка.
4. Керамическая чашка.
5. Термошкаф.
94
Теоретическая часть
Полимерное связующее состоит из нескольких компонентов:
– смолы,
– отвердителя,
– ускорителя,
– пластификатора.
Одним из основных показателей структуры композиционного материала, который влияет на свойства полученного изделия, является
соотношение компонентов. Массовое содержание компонентов определяется по методу выжигания или растворения, весовым методом,
гравиметрическим и по анализу микроструктуры.
Для приготовления определенного количества связующего необходимо с достаточной точностью определять массы соответствующих
компонентов. Только при точном соблюдении рецептуры и заданного
соотношения ингредиентов получают качественные материалы.
Необходимую массу, с учетом потерь (примерно 10 %), принимают равной сумме массовых частей всех компонентов. Расчет компонентов проводят путем составления соответствующих пропорций.
Основные составы связующих, наиболее часто применяемых в
промышленности, приведены в таблице 7.2.
Компоненты связующего тщательно перемешивают между собой
по очереди, а не все сразу. Это делается для равномерного распределения всех компонентов по объему. Перемешивание проводят осторожно,
чтобы предотвратить образование пузырьков воздуха. Отвердитель
вводят в композицию последним. При этом, необходимо соблюдать
осторожность, т. к. при прохождении реакции отверждения возможен
разогрев композиции до 200°С.
Высоковязкую смолу вначале подогревают до 80°С и только потом в нее вводят пластификатор.
95
№
п/п
Состав и режимы отверждения полимерных связующих
Смола
(мас. ч.)
Ускоритель
(мас. ч.)
Пластификатор
(мас. ч.)
Отвердитель
(мас. ч.)
Таблица 7.2
Отверждение
1,5 – 2 часа
при 100 °С
1 час
при 60 °С
1.
2.
ЭД-20
100
ПН-1
100
–
НК
10
ПН-1
20
–
ТЭАТ
10
Гипериз
5
1 – 1,5 часа
3.
ЭД-20
–
100
ДБФ
20
ПЭПА
10
при
комнатной
температуре
1 час
при 100 °С
4.
ФФС
100
– –
МА
3
Примечание: ЭД – эпоксидно-диановая смола, НК – нафтенат кобальта, ПН –
полиэфирная ненасыщенная смола, Гипериз – гидроперекись изопропилбензола,
ПЭПА – полиэтиленполиамин, ТЭАТ – триэтаноламинотитанат, ДБФ – дибутилфталат, ФФС – фенолоформальдегидная смола, МА - малеиновый ангидрид.
Последовательность выполнения работы
1. Расчет массы исходных компонентов связующего
1.1. Рассчитать массы компонентов для приготовления 100 г свя-
зующего на основе эпоксидно-диановой смолы по рецептуре №1– ЭД-20
– 100 мас. ч., ПН-1 – 20 мас. ч., ТЭАТ – 10 мас. ч. (таблица 6.2).
Для этого необходимо составить пропорции.
Зная, что масса связующего равна 100 г (плюс 10% от этой массы
за счет потерь), а это соответствует 130 мас. ч. связующего
(100+20+10), тогда получаются следующие пропорции:
а) 110 г (связующее) – 130 мас. ч.,
ЭД-20 – 100 мас. ч.
б) 110 г (связующее) – 130 мас. ч.,
ПН-1 – 10 мас. ч.
96
в) 110 г (связующее) – 130 мас. ч.,
ТЭАТ – 20 мас. ч.
Решая пропорции получаем, что для приготовления заданного количества связующего необходимо взять 84,6 г – ЭД-20; 8,5 г – ПН-1; 16,9 г –
ТЭАТ.
1.2. Аналогичным образом провести расчет компонентов свя-
зующих по рецептурам №2 и №3.
2. Приготовление связующего
2.1. Керамическую чашку взвесить на электронных весах.
2.2. Влить в керамическую чашку рассчитанное количество смо-
лы, затем постепенно вводить необходимое количество компонентов,
тщательно перемешивая композицию ложкой.
2.3. Поместить связующее на необходимое для его отвержения
время в термошкаф, в котором поддерживается заданная температура
(для рецептуры №1 и №4 – 100 °С, для рецептуры №2 – 60 °С).
Получаемые результаты
Результаты расчетов занести в таблицу 7.3.
Таблица 7.3
Результаты расчета массы исходных компонентов связующего
Смола Пластификатор Отвердитель Ускоритель №
рецептуры
1
2
3
4
мас. ч. г мас. ч. г мас. ч. г мас. ч. г
3. Определение плотности связующего
Цель работы – теоретически и экспериментально определить
плотность связующего на основе различных термореактивных полимеров.
97
Материалы и оборудование
1. Связующие, приготовленные по рецептурам №1 – №4.
2. Электронные весы.
3. Мерные цилиндры.
Теоретическая часть
Для расчета состава композиционных материалов необходимо
знать плотность связующего, состоящего из нескольких компонентов.
Плотность такого связующего можно определить теоретически,
зная плотности исходных компонентов и их массовые доли в композиции, используя правило смесей. Правило смесей (аддитивность) –
это свойство, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величины его частей.
Для экспериментальной проверки полученного значения плотности применяют метод массы и объема, где плотность определяют как
соотношение массы композиции к ее объему.
Последовательность выполнения работы
1. Теоретически определить плотность связующего ρсв (г/см3),
полученного по рецептуре №1, используя правило смесей:
, (7.3)
где
ρ
ρ
,
ρ
1,
– плотности компонентов (см. таблицу 7.4); С1, С2, Сn –
2
3
массовые части соответствующих компонентов.
2. Экспериментально определить плотность связующего ρэ (г/см3),
полученного по рецептуре №1.
2.1. Взвесить пустой мерный цилиндр на электронных весах m1.
2.2. Поместить в мерный цилиндр связующее, полученное по ре-
цептуре №1 и определить занимаемый ею объем. Следят, чтобы связующее не распределялось по стенкам емкости и не образовывалось
большое количество воздушных пузырей.
2.3. Взвесить мерный цилиндр вместе со связующим m.
98
2.4. Вычислить плотность связующего ρэ (г/см3) по формуле
, (7.4)
где m – масса мерного цилиндра со связующим, г; m1 – масса пустого
мерного цилиндра, г; V – объем, занимаемый связующим, см3.
Таблица 7.4
Плотность полимерных материалов
Вещество Плотность, г/см3
Полиэфирная смола (ПН-1) 1,148
Эпоксидная смола (ЭД) 1,166
Фенолоформальдегидная смола (ФФС) 1,132
Триэтоламинотитанат (ТЭАТ) 1,370
Полиэтиленполиамин (ПЭПА) 1,076
Гидроперекись изопропилбензола (гирпериз) 1,060
Дибутилфталат (ДБФ) 1,042–1,049
Нафтенат кобальта (НК) 0,920
3. Эксперимент провести не менее 3-х раз на одном образце связующего. Рассчитать среднее арифметическое значение измеряемых и
рассчитанных показателей.
4. Аналогично исследовать образцы связующих, полученные по
рецептурам №2-№4.
Получаемые результаты
Результаты испытаний и расчетов занести в таблицу 7.5. Результаты плотности рассчитанной теоретически и полученной экспериментально сравнить и сделать выводы.
99
№
рецептуры № опыта
1
Определение плотности связующего
Плотность
Эксперимент
компонентов, г/см3
ρ
св
г/см
,
3
m, г m1, г V,
1 2 3
Таблица 7.5
ρ
,
э
см3
г/см
3
1
2
3
Среднее арифметическое значение
1
…
2
3
Среднее арифметическое значение
4. Определение поверхностного натяжения
полимерного связующего
Цель работы – изучить методики определения поверхностного
натяжения полимерных композиций.
Материалы и оборудование
1. Связующие, приготовленные по рецептурам №1 – №4.
2. Катетометр.
3. Прибор для определения поверхностного натяжения методом
капиллярного поднятия.
4. Прибор для определения поверхностного натяжения методом
Дю-Нуи.
Теоретическая часть
Для характеристики свойств неотвержденных связующих на основе
термореактивных олигомеров определяют несколько основных показа-
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]