Предварительные испытания полимеров и полимерных материалов на их основе: основные этапы и последовательность

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ТАРАЗСКИЙ РЕГИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.М.Х.ДУЛАТИ

Кафедра: Химия и химическая технология

Реферат

По дисциплине: «Методы исследования полимеров»

На тему: «Предварительные испытания полимеров и полимерных материалов на их основе: основные этапы и последовательность»

Студента Аскаркызы А.

Курса 3

Группы 6В05314 Хим 2.4

Преподаватель Жарлыкапова Р.Б.

Тараз 2021

Содержание

Введение

1. Предварительные испытания полимеров

1.1 Внешний вид полимера

2. Определение физических характеристик полимера

2.1 Механические испытания

2.2 Определение плотности полимера

3. Проба в пламени

4. Определение растворимости полимеров

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время человечество работает с полимерными изделиями во всем: от микроскопических механизмов сложных электронно-вычислительных машин до создания гидроизоляции больших каналов и водоемов, покоряя космические высоты и сверхглубокие буровые скважины. Современный человек сталкивается с полимерными материалами не только в технике, но и в повседневной практике, поэтому знание основных свойств этих материалов и умение правильно использовать их постепенно становятся необходимыми все более широкому кругу людей. К настоящему времени открыты, модифицированы и синтезированы десятки полимеров и сотни полимерных композиций. Все они, так или иначе, нашли практическое применение. Перед специалистами в области технологии изделий промышленности стоит задача выбора из большого многообразия выпускаемых химической промышленностью синтетических материалов, таких полимеров, которые обладали бы оптимальным комплексом свойств в заданных условиях эксплуатации. Для того чтобы такой выбор оказался правильным и был научно обоснован, необходимо знать особенности поведения полимеров при действии различных механических нагрузок в широком интервале температуры, при воздействии различных агрессивных сред и растворителей, иметь чёткое представление о зависимости этого поведения от молекулярной массы и молекулярно-массового распределения полимеров, особенностей их молекулярного строения и характера надмолекулярной структуры, а также их изменения под действием различных термических, механических, электрических, химических и других воздействий. Иногда и у потребителя готовых изделий может возникнуть желание проверить, отвечает ли использованный материал заявленному типу полимера, и в этом случае можно провести простейшую идентификацию материала.

Создание новых материалов также требует развития методов идентификации. Для определения природы полимерного материала в готовом изделии проводят систематический качественный и количественный анализ материала и идентификацию его с известными типами полимеров. Для полимеров, как и для низкомолекулярных органических соединений, не существует единых схем систематического анализа, подобных схеме анализа неорганических веществ, поэтому при анализе полимеров необходимо проводить предварительные или ориентировочные опыты, которые позволяют выбрать направление дальнейших исследований. Главной целью данной работы является изучение этих предварительных испытаний для обнаружение основных элементов, типа структуры, функциональных групп, установление кислотного или основного характера исследуемого полимера.

1. Предварительные испытания полимеров и полимерных материалов

Полимеры, полученные в промышленности и выпускаемые на их основе продукции представляют собой материалы, содержащие смеси различного назначения, такие, как стабилизаторы, красители, наполнители, пластификаторы, катализаторы, сшивающие агенты, модификаторы, смазки и т.д. В большинстве случаев по внешнему виду полимера нельзя точно определять к какому классу принадлежит данный полимерный материал или продукция из этого полимера, особенно когда недостаточен опыт работы с высокомолекулярными соединениями различных классов. Для определения полимеров и полимерной основы материалов в настоящее время используются как простые мпособы, основанные на определении физико-химических и физико-механических свойств полимеров, которые не требуют применения сложных приборов и инструментов, так и сложные химические и физико-химические методы. Из инструментальных методов больше всего используют инфракрасная (ИК) спектроскопию, пиролитическую газовую хроматографию, тонкослойную и гельпроникающую хроматографию, хроматомасс-спектроскопию, пиролитическую масс-спектроскопию, ЯМР спектроскопию, термический анализ, а также различные комбинации других методов. При инструментальных способах значительно сокращается время анализа и повышается точность обнаружения многих элементов полимерных материалов, но этои методы требуют применения сложного и дорогостоящего лабораторного оборудования и работы высококвалифицированного персонала. Поэтому для идентификации образец полимера вначале подвергается предварительным испытаниям, которые приблизительно определяют класс высокомолекулярных соединений.

Главная задача предварительных испытаний это выявление основных элементов, которые входят в состав полимера, тип структуры, функциональные группы, установление характера исследуемого полимера. Вначале образец полимера подвергается предварительному визуальному осмотру и органолептическому анализу. К предварительным испытаниям относят: полимер растворимость пламя

- осмотр внешнего вида и определение цвета, запаха, прозрачности, твердости или эластичности;

- определение физических свойств - плотности, температуры плавления, стеклования, текучести, показатель преломления;

- способность плавиться или неплавкость;

- способность растворяться или набухать в различных растворителях либо отсутствие этой способности;

- проба в пламени [1].

1.1 Внешний вид полимера

Сначала образец полимера подвергается визуальному осмотру. При визуальном осмотре все внимание направляют на все внешние свойства такие как - общий вид материала или продукции, форму частиц, цвет, запах, прозрачность. Форма гранул образца служит признаком принадлежности полимера к определенному классу, например, округлая, без острых граней, приближающаяся к форме шара гранул является достаточно верным признаком принадлежности их к полиолефинам. Полиолефины обычно гранулируют методом экструзии прутков и разрезанием их в горячем состоянии непосредственно на формующей решетке. Разрезание неохлажденных прутков идет к образованию округлых, не имеющих острых граней гранул. В свою очередь полностью форма шара, свидетельствует об их получении способом суспензионной полимеризации, который является признаком, указывающим что данный полимер нельзя отнести к полиолефинам. Острые края гранул в местах излома указывают на дробление прутков после охлаждения и свидетельствуют об их принадлежности к полистиролу, полиметилметакрилату. Менее острые грани в местах излома указывают на возможную принадлежность к полиамидам, полиэтилентерефталату.

Прозрачность указывает на принадлежность образца к полистиролу, полиметилметакрилату или полиэтилентерефталату. Но не стоит забывать, что в состав материалов могут входить различные красители.

Органолептический анализ - это определениие влияния полимеров на органы чувств - осязание, обоняние, вкус. Осязательный анализ заключается в оценивании ощущения рук при контакте с полимером. Этот анализ позволит оценивать размеры частиц полимеров, трение при растирании между пальцами (маслянистость). Растирание между смоченными водой пальцами позволяет быстро оценить отношение полимера к воде. Некоторые полимерные материалы, которые содержат пластификаторы и примеси исходных веществ имеют резкий (характерный) запах. Полимеры медико-биологического назначения и допущенные для соприкосновения с продуктами питания можно проверить на вкус и отношение гранул (после протирки бинтом, смоченным этиловым спиртом) к "прикусу" зубами, что позволяет оценить прочность гранул.

Также не стоит забывать, что цвет образца не является точной характеристикой принадлежности полимера, поскольку красители, пигменты и добавки могут изменить собственную окраску полимера.

2. Определение физических свойств

Физические свойства полимеров, такие как плотность, температуры плавления и стеклования, механическая прочность, твёрдость, эластичность, растворимость, вязкость расплава и раствора и др. зависят от их химического состава, средней молекулярной массы, степени полидисперсности, наличия низкомолекулярных примесей и добавок. Однако высокомолекулярные соединения одинакового химического состава, но полученные в разных условиях отличаются по физическим и механическим свойствам, потому что они являются неоднородны по молекулярной массе и молекулярно-массовому распределению. Определение физических свойств полимеров и материалов на их основе могут позволить сделать выводы об их строении, составе, молекулярной массе и молекулярно-массовом распределении, а также с большой точностью выбрать способ и условия переработки в продукцию.

2.1 Механические испытания полимеров

Полимеры обладают отличной прочностью, гибкостью и универсальностью. Именно эти механические свойства делают полимеры универсальными и важными в любой крупной отрасли. По механическим предварительным испытаниям мы можем определить некоторые свойства полимеров. Например образцы термопластов в отличие от термореактопластов можно проткнуть насквозь нагретой металлической иголкой. После определения твердый образец, отнесенный к термопластам, можно испытать на изгиб, характер которого свойственен определенным видам полимеров. Для этого конец образца зажимают в тиски и изгибают под прямым углом. Образцы из полиэтилена, АБС-пластика (акрилонитрилбутадиенстирольного пластика) изгибаются и сохраняют изгиб; образцы из полистирола изгибаются с растрескиванием в месте изгиба и сохраняют изгиб; образцы из полиметилметакрилата и сополимеры стирола с метилметакрилатом растрескиваются при изгибе; образцы из жесткого поливинилхлорида, сополимеров этилена с пропиленом, композиции из смеси АБС-пластика и поливинилхлорида легко изгибаются и выпрямляются; образцы из политетрафторэтилена и полиамида изгибаются и пружинят при сгибании; образцы из полипропилена, пентапласта практически не изгибаются.

Для пленочных материалов проводят пробу на раздирание. Кусочек пленки слегка надрезают с любой стороны ножницами и тянут в противоположные стороны за края надреза, пытаясь разорвать пленку. Это же испытание проводят при надрезе пленки с другой стороны, перпендикулярно первому. Легко и прямо разрываются пленки, изготовленные из ацетата целлюлозы и целлофана. Также без особых усилий рвутся пленки из полистирола с образованием неровных краев. Пленки из полиэтилена и полипропилена при разрыве становятся вязкими, растягиваются перед разрывом (сильнее - полипропиленовые пленки), образуют при обрыве волнистые края. Пленки из поливинилхлорида растягиваются и разрываются с образованием рваных краев; пленки из поливинилового спирта растягиваются, затем под влиянием усилия разрыв сдвигается в сторону; пленки из фторполимеров разрываются с треском. Для высокопрочных ориентированных пленочных материалов это испытание не подходит [2].

2.2 Определение плотности полимера

Плотностью полимера с называется отношение его массы, выраженной в килограммах (граммах), к объёму, выраженному в кубических метрах (сантиметрах), или масса единицы объёма. Плотность выражается в кг/м³. Полимеризационные пластические массы являются сравнительно лёгким материалом. Плотность их находится в пределах 0,9 г/см³ (полипропилен) до 2,35 г/см³ (фторопласты). Большинство полимеров легче металлов в 5-6 раз. Поро- и пенопласты имеют плотность значительно менее 1 г/см³.Плотность полимера является одной из его важнейших физических характеристик.

Плотность высокомолекулярных соединений обычно определяют методом гидростатического взвешивания образцов, который основан на определении объёма тела путём взвешивания тела в воде. Вес тела в воде уменьшается согласно закону Архимеда, на величину веса, вытесненного телом объёма воды. Учитывая, что плотность воды приблизительно равна 1 г/см³, величина выталкивающей силы в г, т.е. разность между весом тела в воздухе и весом в воде будет численно равна объёму тела в см³.

Методом взвешивания образца в воде можно определять плотность полимеров и полимерных материалов, имеющих с более 1 г/см³. Плотность полимеров, имеющих величину с менее 1 г/см³ и всплывающих в воде, можно определить путём взвешивания в жидкости, обладающей плотностью меньшей, чем предполагаемая плотность полимера. В выбранной жидкости образец полимера не должен растворяться или набухать. Чаще всего для указанной цели используют этиловый спирт (с = 0,7936 г/см³) или петро- лейный эфир (лёгкий бензин), имеющий плотность около 0,7000 см³. Образец полимера (брусок или изделие из полимера), имеющий комнатную температуру, прикрепляют с помощью тонкой металлической проволоки к коромыслу лабораторных весов, обладающих точностью до 0,01 г, и выполняют взвешивание [3].

Следует учитывать, что проволоку необходимо прикреплять не к самому коромыслу, а к подвеске чашки весов. Затем производят взвешивание образца в воде. Для этого стакан, наполненный дистиллированной водой устанавливают на специальную подставку, которая не должна касаться чашки весов. Образец погружают в подставленный стакан. При погружении образца в воду следят за тем, чтобы на его поверхности и на проволоке не было пузырьков воздуха, а сам образец был погружён в воду полностью и не касался дна и стенок стакана.Плотность образца полимера рассчитывают по формуле (1.1):

Также можно орпделить приблищзительную плотность.Образцы погружают в дистиллированную воду, соляной раствор известной плотности, в растворители, что позволяет приблизительно оценить плотность полимеров. Приблизительные плотности неккоторых полимеров даны в таблице 1.

Таблица 1. Плотности и поведения образцов твердых полимеров в воде

3. Проба в пламени

Проба в пламени - один из важнейших видов предварительных испытаний, позволяющий получить большую информацию о свойствах, составе и строении полимерного образца. В ходе испытаний в пламени определяют: горит ли полимер в пламени горелки; продолжает ли гореть после выноса его из пламени или затухает; плавится или обугливается без плавления, цвет пламени; запах, возникающий при горении образца или его внесении в пламя; вид образующейся при горении золы, специфические реакции паров, образующихся при термическом разложении полимера при его горении, а также при нагревании образца в пробирке с газоотводной трубкой и пропускании паров через растворы индикаторов или реактивы для качественных реакций.

Если полимер плавится и течёт при нагревании, то он относится к линейным или разветвлённым. Если обугливается и разлагается без плавления, то этот полимер чаще всего имеет сетчатое строение. Хорошо горят после выноса из пламени полиолефины (полиэтилен, полипропилен), полистирол, полиамиды, полиметилметакрилат, резина и др. Полимеры, содержащие галогены, после выноса из пламени самозатухают (ПВХ, политетрафторэтилен, хлоропреновый каучук и резины на его основе). Полимеры, способные к деполимеризации при высокой температуре (пиролиз), выделяют при горении значительное количество паров мономера, которые, как правило, обладают характерным запахом (стирол, метилметакрилат и др.). Полимеры, содержащие в своём составе бензольные кольца или сажу (как наполнитель), горят сильнокоптящим пламенем (полистирол, бутадиен-стирольный каучук, термоэластопласт, резина). Идентификация неоторых полимеров представлена в таблице 2.

Таблица 2. Идентификация полимеров по их поведению в пламени

Распознавание полимеров по характеру поведения при нагревании и горении является довольно простым, и в то же время достаточно точным методом качественного определения природы полимеров. Метод основан на визуальном наблюдении за поведением образца при внесении его в верхнюю часть пламени. По мере нагревания образцы термопластов постепенно размягчаются и плавятся, а реактопласты не размягчаются и не плавятся. Поэтому по отношению к нагреванию можно определить класс полимеров (термопласты или реактопласты). При дальнейшем нагревании образца происходит его загорание, сопровождающееся выделением продуктов разложения, которые обладают специфичным для отдельных полимеров запахом, позволяющим определять вид полимеров. Для быстрого и качественного распознавания различных видов пластмасс достаточно не большого практического опыта [4].

При осуществлении процедуры идентификации полимеров не следует забывать о соблюдении правил техники безопасности. Капли, падающие с горящего образца, могут быть очень горячими и легко прилипать к любой поверхности. После того как образец потухнет, очень осторожно удалите дым. Некоторые пластмассы, например полиацетали, при горении образуют токсичный формальдегид, который, попадая вдыхательные пути, вызывает ощущение жжения.

4. Определение растворимости полимеров

Несмотря на большой молекулярный вес полимеров и часто высокую полярность их макромолекул, большинство высокомолекулярных веществ сравнительно легко растворяется во многих растворителях, и теплоты растворения полимеров близки к теплотам растворения низкомолекулярных соединений. Это объясняется гибкостью цепей полимеров, благодаря которой макромолекулы изогнуты, что придает полимеру разрыхленную структуру с большими межмолекулярными пустотами. При растворении полимера в образовавшиеся пустоты диффундирует растворитель. Чем более гибки цепи макромолекул, тем больше в полимере свободных межмолекулярных пространств и тем быстрее происходит растворение полимера. Для полимеров с высокой полярностью макромолекул и, следовательно, с малой подвижностью их отдельных сегментов диффузия растворителя в полимере более затруднена и процесс растворения протекает медленно. После заполнения свободных пространств молекулы растворителя начинают раздвигать цепи полимеров, и расстояние между цепями увеличивается. Когда молекулы полимера достаточно отодвинутся, они начинают отрываться друг от друга и переходить и раствор.

Первой стадией растворения любого полимера является его набухание. Набухание -- это процесс поглощения полимером низкомолекулярной жидкости, сопровождающийся увеличением объема полимера и изменением конформаций его макромолекул. Большие молекулы полимера характеризуются низкими значениями коэффициентов диффузии. Поэтому смешение осуществляется медленно, и его промежуточные стадии легко фиксируются. При этом благодаря способности макромолекул изменять свою форму растворитель на промежуточных стадиях растворения не только заполняет пустоты между отдельными звеньями (процесс, аналогичный капиллярной конденсации в твердых пористых телах), но и увеличивает эффективные радиусы полимерных клубков и расстояния между их центрами масс, не нарушая при этом сплошности полимерного тела. Последнее приводит к значительному увеличению объема полимерной фазы по сравнению с исходным. Набухший полимер фактически представляет собой раствор низкомолекулярной жидкости в полимере [5].

Растворение аморфных полимеров рассматривают как про цесс смешения двух жидкостей; это подтверждается и сопоставлением теплот растворения полимеров с теплотами смешения жидкостей. Для растворения кристаллических веществ требуется затратить дополнительную энергию для разрушения кристаллической решетки, что значительно изменяет величину теплоты растворения. Действительно, растворение кристаллических полимеров проходит значительно труднее и требует большей затраты энергии. Растворимость кристаллических полимеров уменьшается с повышением температуры плавления кристаллитов. Многие кристаллические полимеры (полиэтилен, политетрафторэтилен, поливини-лиденхлорид) удается перевести в раствор только при температуре, близкой к температуре их плавления. Растворимость некоторых полимеров дана в таблице 3:

Таблица 3 Растворимость некоторых полимерных материалов

Примечание. Р - растворим, НР - нерастворим, НБ - набухает

При осуществлении процедуры идентификации полимеров не следует забывать о соблюдении правил техники безопасности. Капли, падающие с горящего образца, могут быть очень горячими и легко прилипать к любой поверхности. После того как образец потухнет, очень осторожно удалите дым. Некоторые пластмассы, например полиацетали, при горении образуют токсичный формальдегид, который, попадая вдыхательные пути, вызывает ощущение жжения.

Заключение

В современном мире практически нет человека, который бы не имел хоть какого то представления о полимерах. Полимеры идут по жизни вместе с человеком, делая его жизнь все более удобной и комфортной. Трудно переоценить их значение в нашей жизни. Полимеры окружают нас буквально со всех сторон: из них состоят пакеты в супермаркетах и одноразовая посуда, корпуса телефонов и другой бытовой техники,автомобильные шины и оконные рамы. Это важнейший материал, из которого сделаны постоянно используемые нами предметы. С другой стороны, полимеры являются естественными компонентами всех живых организмов, в том числе и человека.

Полимерные материалы часто представляют собой сополимеры, смеси, а их свойства модифицируются использованием различных добавок или смешением с такими компонентами, как огнезащитные добавки, пенообразователи, лубриканты и стабилизаторы. Для полимеров, как и для низкомолекулярных органических соединений, не существует единых схем систематического анализа, подобных схеме анализа неорганических веществ, поэтому при анализе полимеров необходимо проводить предварительные или ориентировочные опыты, которые позволяют выбрать направление дальнейших исследований. К предварительным испытаниям относят:

- осмотр внешнего вида и определение цвета, запаха, прозрачности, твердости или эластичности;

- определение физических свойств - плотности, температуры плавления, стеклования, текучести, показатель преломления;

- способность плавиться или неплавкость;

- способность растворяться или набухать в различных растворителях либо отсутствие этой способности;

- проба в пламени.

Итак, перед любым систематическим анализом, следует проводить предварительные испытания для определения примерного состава полимера и полимерных материалов на их основе.

Список использованной литературы

1. Орлинсон Б. С. Электрохимические методы анализа [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пособие / Б. С. Орлинсон, Е. А. Потаенкова; ВолгГТУ. - Волгоград: ВолгГТУ, 2018. - 84 с.

2. Волынский, В. Н. Технология древесных плит и композитных материалов: учебно-справочное пособие / В. Н. Во-лынский. -Санкт-Петербург: Лань, 2010. -330 с.

3. Высокомолекулярные соединения: учебное пособие /М. В. Кузьмин [и др.] ; М-во образования и науки Рос.Феде-рации, ФГБОУ ВПО «Чуваш. гос. ун-т им. И. Н. Ульянова» ; [отв. ред. Н. И. Кольцов]. -Чебоксары: Изд-во Чуваш. гос. ун-та, 2015. -141 с.

4. Гросберг, А. Ю. Полимеры и биополимеры с точки зрения физики / А. Ю. Гросберг, А. Р. Хохлов ; пер. с англ.А. А. Аэрова. -Долгопрудный: Интеллект, 2010 (Чебоксары). -303 с.

5. Физико-химические методы исследования материалов и изделий легкой промышленности. Лабораторный практикум. [Электронный ресурс] / - А.А. Тартанов, П.Н. Козаченко.- г. Шахты: изд. ДГТУ, 2014.-56 с.

Размещено на Allbest.ru