Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия процессов горения. Практикум для СПО
.pdf
3. Исследование продуктов разложения полимеров.
Образец
Реакция
Щелочная
Кислая
1 2 3
4
Полимер
Реакция среды
Щелочная
Кислая
Полиэтилен
[—CH2—CH2—]n
-
-
Полипропилен
[-CH2-CH(CH3)-]n
-
-
Полистирол
[-СН2-СН(С6Н5)-]n-
-
-
Поливинилхлорид
[-CH2-CHCl-]n
-
+
Измельченные пробы поместить в пробирки, пробирки укрепить в
держателе. Нагреть пробирки на пламени горелки. Обратить внимание на
запах продуктов разложения. Внимание! Нюхать осторожно! Продукты
разложения могут быть ядовиты. Поднести к горлу пробирки смоченную в
воде универсальную индикаторную бумагу. Наблюдения записать в таблицу
(см. таблицу 4.4). Сделать вывод о природе полимера, пользуясь данными
таблицы 4.5.
Таблица 4.4 - Результаты испытаний полимеров при нагревании
Таблица 4.5 - Поведение полимеров при нагревании
71
Продолжение таблицы 4.5
Полимер
Реакция среды
Щелочная
Кислая
Политетрафторэтилен
[-C2F4-]n
-
+
Полиамид
[-NH-(CH2)5-CO-]n
+
-
Полиэтилентерефталат
[– О – СН2 – СН2 – О – С – С6Н4 – С
– ]
ll ll
O O
-
-
Полиметилметакрилат
О = С – О – СН
3
[– СН2 – С – ]
n
СН3
+ вначале
+ в конце
Полиуретан
[ —N(R)—C(O)O—], где R-алкил,
арил или ацил
+
-
Шерсть
+
Хлопок
+ слабая
4. Изучение растворимости полимеров.
Подготовить стеклянные пробирки, подписать на каждой название
растворителя и номер исследуемого образца. Таким образом, для каждого
вида растворителя потребуется по три пробирки. Полимер мелко размельчить
или (если это пленка) порезать ножницами. Поместить приблизительно по
72
0,02 г полимера в пробирки, прилить в них примерно по 5 см3 растворителя.
Образец
Растворимость
Ацетон
Толуол
Серная
кислота
Раствор
КОН
Раствор
CaCl2
Вывод
1 2 3
Полимер
Растворимость
Полиэтилен
Не растворяется при комнатной температуре ни в одном из
органических растворителей.
Полностью растворим при температуре кипения растворителя в
ксилоле (смесь орто-, мета-, пар- изомеров), в толуоле.
При температуре выше 70ºС набухает и растворяется в
хлорированных и ароматических углеводородах
Полипропилен
Растворяется в хлорированных и ароматических углеводородах при
температуре выше 80ºС.
Стоек к растворителям, бензину, керосину, спиртам
Полистирол
Хорошо растворяется в хлорированных и ароматических
углеводородах, сложных эфирах, кетонах (бензол, диоксан,
дихлорэтан, толуол, хлороформ, циклогексан)
Пробирки закрыть пробками. Оставить пробирки с полимерами
приблизительно на 30 минут, если образец не растворился при комнатной
температуре, то содержимое пробирки следует нагреть на пламени горелки,
осторожно взбалтывая содержимое пробирки.
Результаты эксперимента занести в таблицу 4.6. Для определения
природы полимера воспользоваться данными таблицы 4.7.
Таблица 4.6 – Результаты испытаний полимеров
Таблица 4.7 - Сведения о растворимости полимеров
73
Продолжение таблицы 4.7
Полимер
Растворимость
Поливинилхлорид
При нагревании растворяется в кетонах, хлорированных углеводородах
(диоксан, дихлорэтан, циклогексанон)
Стоек к действию бензина, нефти, керосина, фенола, разбавленных и
концентрированных солей, кислот, щелочей, газов. Под действием
серной, азотной и уксусной кислот при 60ºС деструктирует
Политетрафторэтилен
Имеет высокую химическую стойкость к воде, разбавленным и
концентрированным кислотам, солям, щелочам, бензину, нефти, спиртам,
кетонам.
Деструктирует под действием расплавленных щелочных металлов,
элементарного фтора при повышенных температурах
Полиамид
N,N-диметилформамид, N,N-диметилацетамид
Растворяется в концентрированных солях, серной, муравьиной кислотах,
бензиловом спирте, крезоле, концентрированном растворе хлорида
кальция
Полиэтилентерефталат
Растворим в N,N-диметилформамиде, о-дихлорбензоле и нитробензоле
при нагревании.
Стоек к неорганическим кислотам (кроме серной), бензину, нефти,
керосину, спиртам, кетонам, но не устойчив к действию щелочей
Полиметилметакрилат
Растворяется в сложных эфирах, хлорированных и ароматических
углеводородах, кетонах (бензол, ацетон, этилацетат, этиловый спирт,
диоксан, уксусная кислота)
Химически стоек к действию воды, растворов солей, кислот, щелочей,
бензина, керосина, нефти.
Шерсть
В концентрированной азотной кислоте набухает и окрашивается в
желтый цвет, разрушается в концентрированной серной кислоте,
растворяется в щелочах
Хлопок
Растворяется в концентрированной азотной кислоте, образуя бесцветный
раствор, растворяется в концентрированной серной кислоте, в щелочах
набухает, не растворяясь.
Контрольные вопросы:
1. Что такое полимерные вещества? Реакции полимеризации и
поликонденсации. Привести примеры этих реакций.
74
2. Почему структурным звеном полиэтилена считают (-CH2-CH2-), а не
– СН2 –?
3. Полиэтилен с молекулярной массой около 500 представляет собой
вязкую жидкость. Вычислить степень полимеризации такого
полиэтилена.
4. Какими признаками должны характеризоваться вещества, вступающие
в реакцию полимеризации, поликонденсации?
5. Что является сырьем для получения ацетатного волокна? Каковы его
свойства, в чем сущность переработки целлюлозы?
6. Сколько м3 продуктов сгорания образуется при сгорании 20 м3 бутана
при температуре Т=1350 К?
7. Записать уравнение реакции по цепочке: бутан → бутадиен →
полибутадиен.
8. Записать уравнение реакции получения терефталевой кислоты из n-
ксилола, области применения этой кислоты.
9. Определить количество в кг сгоревшего бутадиена, если для его
сгорания потребовалось 20 м3 воздуха. Температура =27°С, Р=750 мм
рт. ст.
10. Области применения полимерных материалов в профессии.
Специальные полимерные материалы.
11. Классификация волокон.
12. Технологическая схема получения ацетатного волокна, пожарная
опасность процесса.
13. Применение различных волокон в профессии.
14. Почему для изготовления пожарных рукавов используются
натуральные волокна?
15. Какие вредные газы могут образовываться при горении
поливинилхлорида и чем они опасны для здоровья человека? ПДК для
этих вредных газов.
75
Вариант 2
Изучение термической деструкции материалов на полимерной
основе.
Цель работы: изучить термическую деструкцию оконных профилей на
основе поливинилхлорида.
Задачи:
1. Изучить воздействие температуры на фрагмент оконного профиля.
2. Экспериментальным путем установить состав продуктов разложения
пластмассы.
3. На основании данных химического эксперимента и спектрального
анализа установить состав материала оконного профиля.
Теоретическая часть.
Пластмассы (пластические массы) или пластики — органические
материалы, основой которых являются синтетические или природные
высокомолекулярные соединения (полимеры). Исключительно широкое
применение получили пластмассы на основе синтетических полимеров.
Название «пластмассы» означает, что эти материалы под действием
нагревания и давления способны формироваться и сохранять заданную
форму после охлаждения или отвердения. Процесс формования
сопровождается переходом пластически деформируемого (вязкотекучего)
состояния в стеклообразное (твѐрдое) состояние.
По структуре пластмассы делят на гомогенные (однородные) и
гетерогенные (неоднородные). Структура пластмасс зависит от введения в
нее наряду с полимером других компонентов. Последнее позволяет делить
пластмассы на ненаполненные, газонаполненные, наполненные и составные.
Ненаполненные пластмассы состоят из полимера, иногда из красителя,
пластификатора и стабилизатора. В газонаполненные кроме указанных
материалов входят также воздух или другой газ путем использования
добавок газообразующих или воздухововлекающих веществ. В большинстве
76
случаев для изготовления пластмассовых строительных материалов и
изделий используют наполненные пластмассы, состоящие из полимера и
наполнителя.
Наполнители бывают порошкообразные, волокнистые и слоистые.
Порошкообразные наполнители — кварцевая мука, мел, барит, тальк — и
органические (древесная мука) придают пластмассам ценные свойства
(теплостойкость, кислотостойкость и т. д.), а также повышают твердость,
увеличивают долговечность, снижая стоимость. Волокнистые наполнители
— асбестовое, древесное и стеклянное волокно — широко используют в
производстве пластмасс; они повышают прочность и снижают хрупкость,
повышают теплостойкость и ударную вязкость пластмасс. Слоистые
наполнители — бумага, хлопчатобумажная и стеклянная ткани, асбестовый
картон, древесный шпон и другие — придают высокую прочность
пластмассам. Например, асбестовый картон придает пластмассе не только
высокую прочность, но и теплостойкость и кислотостойкость. Наполнители
намного дешевле полимеров. Поэтому чем больше введено наполнителя, тем
дешевле изделие из пластических масс.
Наряду с наполнителями в пластмассы вводят пластификаторы,
красители, смазки, катализаторы и другие вещества. Для изготовления
пористых пластических масс используют порообразователи.
Пластификаторы применяют для придания пластмассе большей
пластичности при нормальной температуре, облегчают переработку их,
снижая температуру перехода полимера в вязкотекучее состояние (например,
глицерин, диокрилфталат). Количество пластификатора в пластмассе может
достигать 30...50% от массы полимера. Они должны быть химически
инертными, мало летучими и нетоксичными веществами.
В производстве полимеров и пластмасс применяют стабилизаторы и
отвердители; первые способствуют сохранению свойств пластмасс во
времени, а вторые сокращают время отверждения пластмасс, что важно в
технологии производства изделий.
77
Красители применяют для придания пластмассам определенного
цвета. Они должны быть стойкими во времени, не должны выцветать под
действием света и т. д. В качестве красителей используют как органические
(нигрозин, пигмент желтый, хризоидин и др.), так и минеральные пигменты
(охра, мумия, сурик, белила, оксид хрома, ультрамарин и др.).
Катализаторы вводят для сокращения времени отверждения
пластмасс, например, для фенолоформальдегидного полимера ускорителем
являются известь и уротропин. Смазывающие материалы применяют для
предотвращения прилипания пластмасс к формам, в которых изготовляют
изделия. В качестве смазки используют стеарин, олеиновую кислоту и др.
По отношению к нагреванию пластмассы делят на термопластичные
и термореактивные.
Термопластичные материалы (полиэтилен, поливинилхлорид,
полистирол и др.) при нагревании размягчаются и приобретают
пластичность, а при охлаждении отвердевают. Из этих материалов можно
отливать, вытягивать и штамповать различные изделия. Недостатком этих
пластмасс являются незначительная прочность и теплостойкость.
Термореактивные материалы (реактопласты) при нагревании
переходят в неплавкое, нерастворимое твердое состояние и безвозвратно
утрачивают свойства плавиться. Эти материалы обладают повышенной
теплостойкостью. К ним относятся аминопласты и пластмассы на основе
полиэфирных и эпоксидных смол.
Термическая деструкция полимеров.
Термическая деструкция полимера начинается с отщепления
наименее термостойких фрагментов макромолекулы и деструкции
соответствующих структурных групп. Происходит это за счет разрыва связей
С-N, С-HAl, С-О. У отдельных полимеров термическая деструкция включает
и процесс деполимеризации.
78
Термостойкость полимеров снижается при разветвлении цепи
полимера, наличии в главной цепи макромолекул ненасыщенных связей,
кислорода.
Температура начала процесса термической деструкции у ряда полимеров довольно низка. Так, например, термическое разложение поливинилхлорида начинается с его дегидрохлорирования (отщепления хлористого водорода) при 240 ºС. У хлорированного полиэтилена эта реакция
протекает при 135-168 ºС; у сульфохлорированного полиэтилена (хайпалона)
разложение начинается с выделения сернистого ангидрида и хлористого
водорода в интервале температур 125-150 ºС. Поливинилхлорид к 260 ºС
теряет за счет разложения 50 % своей массы. У полистирола, например, такая
степень разложения достигается при нагреве до 364ºС, у
полиметилметакрилата (оргстекла) - до 327 ºС.
В результате термической деструкции полимеров образуется, как
правило, две группы продуктов - низкомолекулярные летучие продукты
(осколки макромолекул) и твердый (угольный, коксовый) остаток.
О природе продуктов деструкции можно судить по цвету дыма и
пламени. Коптящее пламя с высокой относительной излучающей
способностью дают газообразные продукты деструкции полимеров,
содержащие молекулы ароматических углеводородов. Последние, кстати,
образуются не только при сгорании полимеров, содержащих ароматические
структуры (например, бензол и стирол при сгорании полистирола), но и при
горении обугленного остатка полимеров алифатической природы (бензол,
образующийся при горении поливинилхлорида). Большое количество копоти
и дым обильного черного цвета образуется при сгорании саженаполненных
эластомеров (резин).
Рыжий цвет дыма свидетельствует о присутствии в продуктах сгорания
окислов азота и является признаком горения азотсодержащих полимеров,
например, полиуретана или нитрованной целлюлозы (коллоксилина).
79
Исследование процессов термической деструкции полимеров
Волновое число, см
-1
Структурный фрагмент
2968
1252
СН
2917
2853
1437
965
СН2
1332
СН2+СН
1097
С-С
688
607
С-Сl
методом ИК-спектроскопии.
Данные спектральных линий приведены в таблице 4.8.
Таблица 4.8 - Спектральные линии структурных фрагментов молекул ПВХ
Поскольку при нагревании пластмасс на основе ПВХ происходит
изменение их структуры, изменяются также ИК-спектры этих образцов изменения заключаются в исчезновении одних линий, например,
отвечающих колебаниям С-Сl, и появлении других линий, связанных с
протеканием окислительных процессов, например, 3445, 3060, 1710, 1230,
750 см-1. Если в состав пластмассы входит наполнитель или пластификатор,
это также можно установить по ИК-спектру: мел дает характерную линию в
области 870 см-1. Полоса в области 1720 см-1, характерная для карбонильных
(С=О) групп, свидетельствует о наличии в материале пластификаторов.
Экспериментальная часть.
Оборудование и материалы:
Приборы:
- ИК-Фурье спектрометр
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]