Лабораторная работа №6 Исследование кинетики набухания высокомолекулярных соединений

Процесс взаимодействия полимерных веществ с растворителями при термодинамическом рассмотрении является самопроизвольным. Различают два вида взаимодействия высокомолекулярных соединений (ВМС) с тем или иным растворителем: ограниченное набухание и неограниченное набухание (растворение), при этом вид взаимодействия будет зависеть от сродства растворителя к ВМС (полимерные, волокнистые, пленочные).

Процесс набухания полимеров сопровождается необратимым проникновением (диффузией) молекул растворителя в структуру образца и последующим физико-химическим взаимодействием с функциональными группами поверхностного слоя данного полимера. Необходимо отметить, что этот процесс всегда сопровождается увеличением массы и объема исследуемого полимерного образца. Количественная оценка процесса набухания ВМС может быть охарактеризована гравиметрическим и объемным методами, на основании которых рассчитывается степень набухания по следующим формулам:

α_m = (m_н.п. - m_исх)/ m_исх (6)

α_v = (V_н.п. - V_исх)/ V_исх (7)

где α_m – гравиметрическая степень набухания

α_v – объемная степень набухания

m_н.п., V_н.п. – масса и объем набухшего полимера

m_исх, V_исх – масса и объем исходного полимера

Степень набухания можно рассматривать как структурный параметр, зависящий от энергии межмакромолекулярного взаимодействия, сродства растворителя к полимеру, pH, состава растворителя, температуры и др. Процесс набухания с физико-химической точки зрения можно рассматривать как реакцию первого порядка согласно уравнению:

dα/dτ = k(α_max-α_τ) (8)

где (dα/dτ) – скорость процесса набухания

k – константа скорости набухания

α_max – равновесная степень набухания

α_τ – степень набухания за время τ

При исследовании кинетики набухания полиамфолитов следует учитывать зависимость степени диссоциации основных и кислотных групп, входящих в структуру полимерного слоя от pH среды растворителя. Такая зависимость может быть охарактеризована определенным образом (рис.7). При равной степени диссоциации кислотных и основных групп фиксируемое изоэлектрическое состояние соответствует рН нейтральной среды, т.е. рН изоэлектрической точки (ИЭТ).

Рис. 7. Зависимость степени набухания полиамфолита от

pH исходной среды

Цель работы: Исследовать кинетику процесса ограниченного набухания высокомолекулярного объекта.

Задание:

1. Изучить кинетику процесса набухания материала (по заданию преподавателя)

2. Рассчитать степень набухания и заполнить табл. 9

3. Построить графическую зависимость α_m = f(τ)

4. При определенном значении τ построить графическую зависимость α_m = f(pH исходной среды)

Ход проведения работы:

Взять три образца полимера, взвесить каждый на технических весах (m~1г.), подготовить и пронумеровать три набухометра (рис.8):

Рис. 8. Набухометр ЛГУ

Набухометры заполнить: первый - дистиллированной водой, второй - 0.1м HСl, третий - 0.1м NaOH, при этом уровни растворов должны находиться чуть ниже уровня верхнего деления градуированной трубки. Затем отметить начальный уровень жидкости (h₀) в каждом набухометре, измерить и записать pH каждой среды по индикатору. Поместить подготовленный образец в открытую часть набухометра №1, закрыть прибор пробкой, а затем установить его таким образом, чтобы жидкость полностью покрывала полимерный материал (проделать то же самое для набухометров №2 и №3). Через заданный промежуток времени (по секундомеру) установить приборы в вертикальном положении, стеклянной палочкой отжать образцы в открытой части набухометров и отметить уровень жидкости (h_τ). При этом объем поглощенной жидкости можно определить по разности уровней (h₀ - h_τ). Гравиметрическую степень набухания рассчитать по следующей формуле:

α_m = V∙ρ/m_исх (9)

где V – объем поглощенной жидкости

ρ – плотность жидкости (из справочника)

После замера вернуть набухометры в горизонтальное положение и продолжать эксперимент в течение времени τ, по окончании представить данные в табл. 9:

Таблица 9

Водный раствор	pH исх. раствора	Время от начала опыта τ, мин	Объем поглощенной жидкости V, мл	Масса исходного образца mисх, г	Степень набухания αm
Дистил. вода		5 10 20 30 40 50 60
0.1м HCl		−ιι−
0.1м NaOH		−ιι−

По экспериментальным данным построить следующую кинетическую зависимость для трех водных растворов (рис.9):

Рис. 9. Зависимость гравиметрической степени ограниченного набухания

пористого объекта в различных средах

При определенном значении τ (50 или 60 мин.) привести графическую зависимость α_m = f(pH исходного раствора) как показано на рис. 7.

Форма отчета:

1. Заполнить табл.9

2. Привести графическую зависимость α_m = f(τ) в различных средах

3. При τ = const построить графическую зависимость α_m = f(pH исходной среды)

4. Сравнить протекание процесса ограниченного набухания ВМС в различных средах и записать основные выводы по работе