Высокомолекулярные соединения Методические указания к лабораторным работам для бакалавров направления подготовки 18.03.01 Химическая технология

Порядок проведения работы. Навеску целлюлозы массой 5 г

и влажностью не выше 2 % при комнатной температуре погружают в 200 г нитрующей смеси. Процесс продолжают в течение 1 ч. После этого удаляют избыток нитрующей смеси, а продукт заливают большим количеством холодной воды, затем воду удаляют, а продукт обрабатывают на пористом стеклянном фильтре горячей водой и 1%-м раствором соды, после чего вновь промывают водой.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

АНАЛИЗ НИТРАТОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Цель работы

− определить выход нитрата целлюлозы; определить содержание

азота.

Определение выхода нитрата целлюлозы

Оборудование. Сушильный шкаф с регулятором температуры; аналитические весы с точностью взвешивания до 0,0002 г; эксикатор; бюксы.

Порядок проведения работы. Полученную нитроцеллюлозу высушивают в вакуум-сушильном шкафу при температуре 60…70 оС, при остаточном давлении 20…50 мм рт. ст. в течение 2 ч. Затем определяют выход нитрата целлюлозы от взятой навески целлюлозы в процентах.

Определение содержания азота

Метод определения азота по Кьельдалю основан на разложении азотсодержащего органического вещества концентрированной серной кислотой при нагревании в присутствии катализаторов. При этом азот переходит в аммиак, который связывается серной кислотой в гидросульфат аммония. При взаимодействии с гидроксидом натрия гидросульфат аммония разлагается с выделением аммиака, который отгоняется с паром и поглощается отмеренным количеством раствора соляной кислоты. Остаток соляной кислоты оттитровывают раствором гидроксида натрия.

Реактивы и оборудование. Колба Кьельдаля номинальной вместимостью 15 см3, установка для перегонки, гидроксид натрия 40 %-й концентрации, 0,1 н. раствор гидроксида натрия, 0,1 н. раствор серной кислоты, 0,15 %-й водно-спиртовый раствор смешанного индикатора (метиловый красный и метиленовый голубой в массовом соотношении 2 : 1).

Порядок проведения работы. Навеску измельченного материала массой порядка 0,1 г, взвешенного с точностью до 0,0002 г, помещают в колбу Кьельдаля. В нее добавляют катализатор – «тесную смесь», состоящую из сульфата калия и сульфата меди в массовом соотношении

21

5:1, тщательно растѐртых в ступке до однородного порошка светлоголубого цвета. Затем добавляют 10 см3 концентрированной серной кислоты (плотность 1,84 г/см3). Колбу устанавливают в наклонном положении, в горло колбы вставляют маленькую стеклянную воронку и затем смесь в колбе нагревают, поддерживая слабое кипение раствора.

Сжигание ведут до тех пор, пока содержимое колбы не будет прозрачным. После обесцвечивания раствора колбе Кьельдаля дают охладиться до комнатной температуры, осторожно по стенке добавляют 10 см3 дистиллированной воды и перемешивают. Если необходимо прервать анализ до следующего дня, колбу закрывают пробкой во избежание потерь аммиака.

Содержимое колбы Кьельдаля количественно переносят (используя 100…150 см3 дистиллированной воды) в круглодонную колбу номинальной вместимостью 500 см3 (перегонную колбу) и приливают по стенке 50 см3 40 %-го раствора гидроксида натрия.

К холодильнику через алонж присоединяют приѐмную колбу, содержащую точно отмеренные 10 см3 0,1 н. раствора соляной кислоты с 2…3 каплями 0,15 %-го водно-спиртового раствора смешанного индикатора. При этом конец алонжа должен быть погружен в раствор кислоты в приемной колбе.

Отгонку заканчивают тогда, когда проба конденсата парогазовых продуктов из алонжа на красной лакмусовой бумаге покажет отсутствие в отгоне аммиака (бумага не будет окрашиваться в синий цвет). После окончания отгонки титруют остаток соляной кислоты в приемной колбе 0,1 н. раствором гидроксида натрия до перехода раствора из красно-фиолетовой окраски в зеленую.

Массовую долю азота в пробе анализируемого материала выражают в процентах и вычисляют с точностью 0,01 % по формуле

где V1 – объем 0,1 н. раствора соляной кислоты, см3; V2 – объем 0,1 н. раствора гидроксида натрия, пошедший на титрование, см3; 1,4 – количество миллиграммов азота, соответствующее 1 см3 0,1 н. раствора соляной кислоты; g – масса абс. сух. навески материала, г.

5. АНАЛИЗ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ И ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ ПОЛИМЕРОВ

Определение текучести термопластов

В вязкотекучем состоянии полимер представляет собой вязкую жидкость и может течь при сравнительно малых внешних напряжениях. На

22

практике в качестве характеристики поведения термопластичного полимера при переработке его в изделия используют условный показатель – индекс расплава полимера (ИР). ИР определяется массой вещества, г, проходящей через стандартное сопло в течение 10 мин при температуре расплава, и выражается в г/10 мин.

В данной работе испытанию подвергаются два образца полиэтилена:

−полученный при высоком давлении и называемый полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП); он имеет молекулярную массу 30…400 тыс. а. е.

ихарактеризуется преимущественно разветвленной структурой макромолекул (см. нижеприведенную таблицу);

−полученный при низком давлении и называемый полиэтиленом высокой плотности (ПЭВП); он имеет молекулярную массу 50…800 тыс. а. е.

ихарактеризуется преимущественно линейной структурой макромолекул (см. нижеприведенную таблицу).

Физико-механические свойства полиэтилена

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДЕКСА РАСПЛАВА ПОЛИЭТИЛЕНА

Цель работы

− определить индекс расплава образцов ПЭНП и ПЭВП.

Материалы и оборудование. Полиэтилен гранулированный, стаканы лабораторные стеклянные вместимостью 20 см3, скальпель, прибор ИИРТ, секундомер, весы лабораторные технические с точностью взвешивания 0,01 г.

Порядок проведения работы. Прибор ИИРТ включают за несколько часов до начала работы, в испытательный канал прибора помещают контрольный термометр и ручкой корректора задают на основной шкале рабочую температуру 190 оС. После установления в испытательном канале постоянной температуры при необходимости проводят точную регулировку температуры до достижения заданного значения с помощью ЛАТРа. После того, как в испытательном канале заданная рабочая температура будет со-

23

храняться в течение 15 мин с точностью ± 0,5 оС, приступают к проведению испытаний.

В стакане вместимостью 20 см3 взвешивают 3…4 г полиэтилена. Из испытательного канала прибора извлекают контрольный термометр, заполняют канал гранулами полиэтилена и выдерживают в испытательном канале в течение 10 мин.

После прогрева полиэтилена выдавливающим устройством из канала выдавливают и удаляют порядка 1/3 массы образца. Затем поднимают втулку вверх до упора и, вращая штурвал по часовой стрелке, поднимают цангу вверх. При этом поршень с грузом (масса 5 кг) освободится и будет свободно опускаться вниз, создавая необходимое давление на образец. В результате начинается экструзия расплава полиэтилена через сопло. Первую порцию расплава, вытекшую за 2 мин, срезают и удаляют.

Последующие отрезки полиэтилена отбирают через равные промежутки времени в зависимости от текучести материала. Так, для ПЭНП отрезки расплава отбирают через 1 мин, в случае ПЭВП – через 3 мин. Для каждого из видов полиэтилена отбирают не менее трѐх отрезков расплава. Отрезки, содержащие пузырьки воздуха, отбрасывают.

Полученные отрезки взвешивают по отдельности с точностью ± 0,01 г и находят среднюю массу образца. Если разница между максимальной и минимальной массой образца превышает 10 % от среднего значения, то полученные данные отбрасывают и повторяют испытание на новой навеске материала.

После получения необходимого количества отрезков с помощью выдавливающего устройства из испытательного канала удаляют оставшуюся часть навески полиэтилена. Для этого винт опускают вниз так, чтобы сфера держателя вошла в цангу, опускают втулки и, вращая штурвал, выдавливают расплав. Затем, вращая штурвал по часовой стрелке, поднимают поршень с грузом и отводят кронштейн в сторону.

Индекс расплава образца рассчитывают по формуле

где m – средняя масса образца, г; τ – промежуток времени, мин.

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение из трех параллельных определений.

После проведения испытания испытательный канал очищают сначала латунным стержнем, а затем ершом. Сопло чистят медным стержнем. Через 6 мин, когда в испытательном канале снова установится рабочая температура 190 ± 0,5 оС, проводят испытания следующего образца.

По результатам выполненной работы сделать вывод о зависимости текучести расплава образцов от способа их получения и их надмолекулярной структуры.

24

Вопросы к коллоквиуму

1.Основные отличия термопластичных полимеров от термореактивных. Привести примеры термопластов и реактопластов.

2.Зависимость свойств полимеров от их молекулярных характеристик и надмолекулярной структуры.

Определение продолжительности отверждения термореактивных олигомеров

Отверждением термореактивного олигомера (смолы) называют образование поперечных связей между макромолекулами олигомера и переход в неплавкое и нерастворимое состояние. В общем случае отверждение смолы может быть осуществлено при нагревании и в присутствии катализаторов отверждения (отвердителей). Время отверждения смолы определяют, чтобы оценить ее реакционную способность, пригодность для изготовления конкретных материалов и установить основные технологические параметры процесса горячего прессования.

Отверждение карбамидоформальдегидной смолы (КФС) происходит при нагревании в присутствии отвердителей, снижающих значение рН. Продолжительностью отверждения КФС называют период времени, необходимый для желатинизации смолы под действием соответствующего отвердителя при температуре 100 оС. Желатинизация заключается в переходе смолы из текучего состояния в гелеобразное и определяется визуально по потере текучести.

Отверждение термореактивных резольных фенолоформальдегидных смол (ФФС) происходит при нагревании при температуре до 200 оС в присутствии отвердителей или без них. В качестве отвердителей применяют гексаметилентетрамин (уротропин), карбонат калия K2CO3, сульфат алюминия Al2(SO4)3 и др. Продолжительностью отверждения ФФС называют период времени, необходимый для потери смолой пластичности и определяемый визуально по потере способности расплава вытягиваться в тонкие нити.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ОТВЕРЖДЕНИЯ КАРБАМИДОФОРМАЛЬДЕГИДНОГО ОЛИГОМЕРА

Цель работы

− определить продолжительность отверждения растворов КФС. Материалы и оборудование. КФС товарной концентрации (66…68 %),

отвердитель хлорид аммония (NH4Cl), 20 %-й раствор, вода дистиллиро-

25

ванная, стаканы лабораторные стеклянные вместимостью 100 и 250 см3, пипетки лабораторные стеклянные вместимостью 2 и 10 см3, пробирки объемом 20 см3, диаметром 16 ± 1 мм, высотой 150 ± 5 мм и толщиной стенки 1,0 ± 0,2 мм, штатив для пробирок, держатель для пробирки, палочка стеклянная, металлическая спица, плитка электрическая нагревательная, секундомер 3-го класса точности, весы лабораторные технические с точностью взвешивания 0,01 г.

Порядок проведения работы. В стакане вместимостью 100 см3

взвешивают 10 г товарной смолы с точностью ± 0,01 г. К смоле добавляют расчетное количество дистиллированной воды для доведения ее концентрации до 52…58 % (концентрация связующего задается преподавателем) и перемешивают стеклянной палочкой. Затем добавляют 20 %-й раствор отвердителя – хлорида аммония из расчета 1…4 % абс. сух. соли от массы абс. сух. смолы (расход отвердителя задается преподавателем) и тщательно перемешивают стеклянной палочкой в течение 5 мин.

В стакан вместимостью 250 см3 наливают воду, устанавливают на электрическую плитку и доводят до кипения. Полученный раствор связующего в количестве 2 ± 0,01 г переносят в пробирку. Пробирку закрепляют в держателе, погружают в стакан с кипящей водой так, чтобы уровень раствора в пробирке был на 10…20 ниже уровня воды в стакане, и одновременно включают секундомер. Раствор связующего в пробирке непрерывно перемешивают металлической спицей до начала его желатинизации (потери текучести). Период времени от момента погружения пробирки в кипящую воду до момента потери текучести связующего считают продолжительностью отверждения смолы при температуре 100 оС.

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение из трех параллельных определений. Результаты определения представляют в виде таблицы и кривых зависимостей продолжительности отверждения связующего от его концентрации и расхода отвердителя.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ОТВЕРЖДЕНИЯ ФЕНОЛОФОРМАЛЬДЕГИДНОГО ОЛИГОМЕРА

Цель работы

− определить продолжительность отверждения растворов ФФС. Материалы и оборудование. Резольная ФФС товарной концентра-

ции (49…53 %), уротропин, карбонат калия K2CO3 или сульфат алюминия Al2(SO4)3, стаканы лабораторные стеклянные вместимостью 100 см3, шпатели, палочка стеклянная, полимеризационный диск, плитка электрическая нагревательная, штатив с лапкой, электромагнитное реле с контактным термометром, секундомер 3-го класса точности, весы лабораторные технические с точностью взвешивания 0,01 г.

26

Порядок проведения работы. Электрическую плитку устанавливают на штатив, на плитку помещают полимеризационный диск. На штативе с помощью лапки закрепляют контактный термометр, соединенный с электромагнитным реле, поместив ртуть термометра в углубление полимеризационного диска. Устанавливают контактный термометр на температуру 160 оС. Вилку шнура плитки вставляют в розетку электромагнитного реле, а вилку шнура реле подключают к электрической сети. Разогревают полимеризационный диск до температуры 160 ± 2 оС.

В стакане вместимостью 100 см3 взвешивают 50 г товарной смолы при комнатной температуре. К смоле добавляют сухой отвердитель – уротропин, карбонат калия или сульфат алюминия из расчета 1…3 % абс. сух. соли от массы абс. сух. смолы (расход отвердителя задается преподавателем) и тщательно перемешивают в течение 5 мин.

Навеску связующего массой 2 ± 0,01 г помещают на разогретый полимеризационный диск и одновременно включают секундомер. Расплав непрерывно перемешивают стеклянной палочкой и периодически проверяют его способность вытягиваться в тонкие нити на высоту не более 20 мм. При дальнейшем нагревании связующее теряет пластичность и нити обрываются. В момент потери способности расплава вытягиваться в нити секундомер останавливают. Время, прошедшее с момента нанесения навески связующего на полимеризационный диск до момента обрыва нитей, принимают за продолжительность отверждения связующего. Продолжительность отверждения также определяют для исходной ФФС (без отвердителя).

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение из трех параллельных определений. Расхождение между параллельными определениями не должно превышать 5 с. Результаты определения представляют в виде таблицы и кривых зависимостей продолжительности отверждения связующего от расхода отвердителей.

Вопросы к коллоквиуму

1. Влияние строения макромолекул (линейные, разветвленные, сшитые) на свойства полимеров.

2. Влияние технологических факторов на глубину отверждения термореактивных смол.

Библиографический список

1.Николаев, А. Ф. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе / А. Ф. Николаев. – СПб.: Альянс, 2014. – 779 с.

2.Тугов, И. И. Химия и физика полимеров: учеб. пособие для вузов / И. И. Тугов, Г. И. Кострыкина. – СПб.: Альянс, 2014. – 432 с.

3.Гамова, И. А. Химия синтетических полимеров. Синтетические полимеры в производстве и отделке древесных композиционных материалов: учеб. пособие / И. А. Гамова. – СПб.: СПбГЛТУ, 2014. – 50 с.

27

4. Химия, технология и применение синтетических полимеров: метод. указания к лаборат. работам / сост.: И. А. Гамова. – СПб.: СПбГЛТА,

2010. – 44 с.

5.Азаров, В. И. Практикум по химии древесины и синтетических полимеров: учеб. пособие / В. И. Азаров, В. А. Винославский, Г. Н. Кононов. − М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2006.− 249 с.

6.Физика и химия синтетических полимеров: метод. указания к лаборат. работам / сост.: А. А. Леонович, И. А. Гамова, А. В. Шелоумов. – СПб.: СПбГЛТУ, 2016. – 24 с.

Оглавление

28