2.3 Лабораторные занятия

Лабораторная работа №1. Электронная микроскопия полимеров. Растровая электронная микроскопия

Цель работы:

Знакомство с принципами работы современнейших электронных микроскопов: УЭМВ-100 В и растрового электронного микроскопа (РЭМ); изучение методов электронной микроскопии, прямой электронной микроскопии на просвет, микродифракция, муаров и сканирования по поверхности образца; определение морфологии полимеров в размеров структурных образований в зависимости от условий кристаллизации.

Задание: Провести анализ микрофтографии и микродифракции полимерных кристаллов.

Образцы и реактивы:

Полиэтилен низкой плотности (Атырауского химического завода); полистирол Актауского пластмассового завода; 20%-ный раствор желатины.

Приборы и принадлежности:

Порядок работы:

Электронные микроскопы УЭМВ-100 В и РЭМ; вакуумная установка ВУП-4; чашки Петри, скальпель, пинцет, термошкаф.

1. изучение принципов работы электронных микроскопов УЭМВ-100 В и РЭМ;

2. приготовление образцов полимеров;

3. проведение электронно-микроскопических исследований полимеров;

4. анализ микрофотографий, микродифракций, сканированных снимков

поверхностей образцов.

Способ выполнения работы: Горючий 5%-ный раствор полиэтилена в ксилоле охлаждают до комнатной температуры. Затем суспензии кристаллов наносят на электронно-микроскопические сетки, констрастируют тяжелыми металлами (окисью вольфрама) на установке ВУП-4 и просматривают на УЭВМ/100В. Фотографируют изображение монокристаллов полиэтилена. Прибор переводят на микродифракцию, фотографируют микродифракции кристаллов и анализируют.

Основная литература [4] (4-9)

Контрольные вопросы:

1. Что понимают под надмолекулярной структурой полимеров?

3. Какие типы кристаллических структур полимеров Вы знаете?

4. Расскажите принцип действия электронных микроскопов УЭМВ и РЭМ.

5. Что такое микрофотографии, микродифракции и сканирование снимка полимеров?

Лабораторная работа №2. Определение ударной вязкости

Цель работы:

Ознакомиться с принципом работы маятниковых копров и методикой определения ударной вязкости.

Задание.Определить ударную вязкость образца.

Сущность метода:

Состоит в определении ударной вязкости образца, т.е. величины работы, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечного сечения.

Испытания проводят на маятниковых копрах (согласно ГОСТу 14235-69), описание которого представлено в [4] (27-30).

Подготовка к испытанию:

Образцы для испытания в форме брусков прямоугольного сечения с надрезом и без надреза должны быть длиной 151мм, шириной 100,5мм, толщиной от 1,5 до 4,5мм. Количество образцов для испытания от одной партии материала должно быть не менее пяти. Образцы подвергаются кондиционирование.

Проведение испытаний:

Сначала проводят замер толщины и ширины образцов со средней части с точностью до 0,1 мм. Испытывают образцы при температуре 202⁰С. При данной температуре они должны находиться в помещении не менее 16 часов. Расстояние между опорами для образцов толщиной 5мми менее должно быть 402мми 0,2ммдля образцов толщиной более пятимм.

Образцы устанавливаются так, чтобы удар приходился по широкой стороне (рисунке 2.1). Маятник поднимают до верхнего положения на угол 90⁰с, в котором он удерживается защёлкой. Устанавливают стрелку шкалы в начальное положение, освобождают маятник, давая ему свободно падать. Скорость движения маятника в момент удара должна знать 30,1; 3,50,1; 40,2м/сек. Выбор одной из скоростей предусматривается в ТУ на материал. Центр тяжести маятника должен совпадать с центром удара и приходиться на середину ширины образца. Нож маятника должен вписываться в угол 451⁰С и оканчиваться закруглением радиуса 3мм.

Рисунок 2.1

После разрушения образца маятник останавливают рукой и по шкале проводят по образцу только один раз. Образец, на разрушившийся при испытании, должен быть заменен другим.

Обработка результатов:

Ударная вязкость образца вычисляется по формуле=где А – работа, израсходованная на разрушение образца,кДж;b– ширина образца,см;h– толщина образца,см.

За результаты испытания принимают среднее арифметическое всех определений. Результаты испытаний наносят в протокол, который должен содержать следующие данные: наименование и марку материала, число образцов, взятых на испытания, форму и размеры образцов, условия их изготовления, значение показателей каждого образца и количество неразрушившихся образцов, среднее арифметическое значение определяемого показателя, наименование испытания и номер ГОСТа.

Основная литература [4] (27-30)

Контрольные вопросы:

1. Что такое молекулярное строение макромолекул?

2. Какие надмолекулярные структуры наблюдаются?

3. Что такое механическая прочность?

4. Что такое разрушение тела?

5. Фазовые, физические, агрегатные состояния полимеров.

6. Что такое удельная ударная вязкость?

7. Что такое напряжение, деформация?

8. Объясните деформационную кривую растяжении полимера.

9. Что такое время релаксации?

10. Что такое вынужденная эластичность?

11. Особенности деформации полимеров.

12. Механизм разрушения полимеров.

13. Типы деформаций.

14. Устройство разрывной машины.

Лабораторная работа №3. Определение характеристической вязкости полистирола в циклогексане

Цель работы:

Определение [] ПС в хорошем растворителе.

Задание. Объяснить влияние температуры на качество растворителя и размер макромолекул.

Реактивы:

Раствор фракции ПС в циклогексане с концентрацией 0,5 г/дл, циклогексан.

Приборы и посуда:

Термостат, вискозиметр Уббелоде, секундомер, груша резиновая, пипетка на 10 мл (2 шт), магнитная мешалка.

Методика работы:

Определяют характеристические вязкости полистирола в циклогексане при -температуре (для системы полистироциклогексан= 34⁰С) при 34⁰С. При каждой температуре измеряют сначала время истечения чистого растворителя, затем раствора полимера на каплллярном вискозиметре Уббелоде. Время истечения измеряют не менее 3 раз, причем отсчеты по секундомеру не должны расходиться более чем на 0,4с. Выливают растворитель из вискозиметра, помещают в него 7млисходного раствора и измеряют его время истечения. Разбавление раствора проводят непосредственно в вискозиметре, последовательно добавляя 7; 7 и 14млчистого растворителя. Полученные данные вносят в таблицу.

Формула записи результатов:

Температура измерения:

Время истечения чистого растворителя:

Объем раствора, мл	Концентрация раствора, г/дл	Время истечения раствора t,c			[]

Обработка результатов

Строят зависимости приведенной вязкости от концентрации раствора для двух температур и экстрополяцией их к нулевой концентрации находят характеристические вязкости при каждой температуре.

Основная литература [4] (41, 42)

Контрольные вопросы:

1. Что такое удельная ударная вязкость?

2. Устройство и принцип действия маятникового копра КМ-С,5.

3. Определение прочности на разрыв.

4. Определение ударной вязкости.

5. Зависимость механических свойств полимеров от молекулярного строения полимеров.

6. Влияние конформаций полимеров на различные свойства полимеров и полимерных композиционных материалов.

7. Принцип работы электронной микроскопии.

8. Методы электронно-микроскопических исследований.

9. Морфология полимеров, обнаруженных в электронном микроскопе.

11. Принцип работы электронографа - электронного микроскопа.

Лабораторная работа №4. Термический анализ полимеров

Экспериментальная часть

Цель работы:

Определить температуру физических и химических превращений полимера (температура плавления, стеклования, окисления, деструкции) по кривой ДТА и термогравиметрической кривой ТГ.

Задание. Проанализировать кривые ДТА, ДТГ и ТГ.

Образцы и реактивы:

Образец полиэфира, полиамида и полипропилена, оксид алюминия, проявитель и закрепитель для фотобумаги.

Приборы:

Дериватограф, тигли - 2шт.; фотобумага.

Порядок работы:

1. проведение ДТА и ТГ образца на приборе;

2. определение по кривым ДТА и ТГ температур физических и химических превращений полимера.

Методы работы:

Навеску полимера (0,1 г) помещают в тигель, а в другой – такую же навеску эталонного вещества. Оба тигля помещают в дериватограф на термопары, накрывают кварцевым стаканом, опускают печь и образцы подвергают анализу.

Обработка результатов:На дериватографе записывают кривые ДТА, ТГ, Т в виде функции определяемой величины от времени (рисунок 4.1).

Дериватограмма полиэтилена

Рисунок 4.1

Кривая зависимости изменения массы от температуры называется термографической или кривой ТГ. По кривой ТГ можно определить термостабильность (ДТГ) (термостойкость) полимера. Деривативная термогравиметрия (ДТГ) регистрирует скорость изменения массы по времени. Кривая ДТГ записывается в виде пиков, положения которых совпадают по температурной шкале со ступенью кривой ТГ.

Для обработки дериватограмм осуществляют перевод в кривые зависимости от температуры. Это осуществляется при помощи кривой Т, показывающей изменение температуры исследуемого образца по времени. Для нанесения на ось абсцисс температурной шкалы через точки пересечения горизонтальных калибровочных линий температуры и кривой Т опускают перпендикуляры на ось абсцисс и наносят соответствующие значения температур. На основании полученной температурной шкалы определяют температуры перехода на кривых ДТА, ДТГ, ТГ проектируя характерные точки перегиба на ось абсцисс. Кроме того, проектируя минимумы кривой ДТГ на кривую ТГ, можно определить изменение массы, вызванного какими-либо переходами. Потерю массы образца (%) находят на кривой ТГ, пользуясь штриховальной сеткой. Определяют температуры начала деструкции Т_н, а также температуры, соответствующие потере 10, 20 и 50% массы образца Т₂₀, Т₁₀, Т₅₀.

Основная литература [4] (46-50)

Контрольные вопросы:

1. Какую группу методов объединяет термический анализ?

2. В чем сущность ДТА?

3. Какие физические и фазовые переходы и химические превращения в полимерах можно исследовать методом ДТА?

4. Какую информацию можно получить из ТГА полимеров?

5. Как определить по кривым ДТА степень кристалличности полимера?

Лабораторная работа №5. Изучение термомеханических свойств полимеров

Цель работы:

Получение термомеханических кривых полимеров, определение температур переходов из одного фазового или физического состояния в другое.

Задание:

Проанализировать характер полученной термомеханической кривой; определить температуры переходов из данного физического состояния в другое.

Реактивы и образцы:

Резины на основе бутадиеновых каучуков (пластины толщиной 2 мм), полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, жидкий азот.

Приборы:

Весы Каргина, сосуд Дюара с нагревательным элементом, криостат, метроном, штанцевой вырубной нож, пресс-форма с обогревом, гидравлический пресс (школьный), электронный потенциометр типа ЭПВ-2 с термопарой, лабораторный трансформатор, вентилятор.

Методика работы:

Снимают термомеханическую кривую на весах Каргина.

Обработка результатов:

Результаты измерений деформации в зависимости от температуры под действием постоянной нагрузки вносят в таблицу:

Образец полимера	Масса груза
Температура, 0С	Деформация

Строят график зависимости деформации от температуры.

Основная литература [4] (34-36)

Контрольные вопросы:

1. Как изменяется температурный интервал Т_т – Т_с с увеличением молекулярной массы полимера?

2. При каких условиях в кристалических полимерах реализуется высокоэластическое состояние:

   1. Т_с Т_пл Т_т?

   2. Т_с Т_т Т_пл?

   3. Т_с Т_т Т_пл?

   4. Т_пл Т_с Т_т?

3. Объясните закон Гука.

4. Что такое вынужденно-эластическая деформация?

5. Проанализируйте кривую растяжения стеклообразного полимера выше и ниже температуры хрупкости.

6. Что такое шейка?

7. Что такое температурно-временная суперпозиция?

8. Проведите анализ термохимических кривых полимеров при различных временах воздействия постоянного напряжения.

9. Равновесие и неравновесие конформации макромолекул?

Лабораторная работа №6. Изучение связи между структурой и физико-механическими свойствами полимеров

Цель работы:

Изучение зависимости ударной вязкости от размеров сферолитов поликапроамида.

Задание:Получить образцы с разными размерами сферолитов, определить их ударную вязкость и построить зависимость ударной вязкости от размеров сферитов.

Образцы и реактивы:

Поликапроамид, полиэтиленгликоль, 6%-ный раствор фенола в воде.

Приборы:

Микроскоп МИМ-7, маятниковый компер МК-0,5-1, термостат.

Схема строения «ламели»

Рисунок 6.1

Методика работы:

Получить образцы с разными размерами сферолитов, определить их ударную вязкость и построить зависимость ударной вязкости от размеров сферитов.

Основная литература [4] (38, 39)

Контрольные вопросы:

1. Какой из кристаллических полимеров имеет наиболее высокие значение энтроии плавления в расчете на мономерное звено?

Полиэтилен (Т_пл = 137⁰С, Н_м= 4012,8 Дж/моль)?

Полипропилен (Т_пл = 176⁰С, Н_м= 10868 Дж/моль)?

Полистирол (Т_пл = 239⁰С, Н_м= 8360 Дж/моль)?

Полиизопрен (Т_пл = 28⁰С, Н_м= 4389 Дж/моль)?

2.Что такое «ламели», дендриты, фибриллы, сферолит?

Лабораторная работа №7 Определение параметров К и а уравнения Марка-Куна-Хаувинка

Цель работы:

Определение константы и а уравнения Марка-Куна-Хаувинка для системы полистирол-циклогексан при 34⁰.

Задание: Сделать выводы о форме макромолекул ПС в растворе.

Реактивы:

Растворы трёх фракций полистирола в циклогексане с концентрацией 0,5 г/дл, циклогексан.

Приборы и посуда:

Термостат, вискозиметр Уббелоде, секундомер, резиновая груша, пипетка на 10 мл (2шт), магнитная мешалка.

Методика работы и обработка результатов:

Определяют характеристическую вязкость трёх фракций полистирола при 34⁰С, как описано в работе №1. Строят график зависимости g[] отlgM, по которому согласно уравнениюlg[] =lgK+аlgM(7.1) определяют параметрыи. Применяют метод наименьших квадратов (МНК) и ЭВМ.

Форма записи результатов:

Молекулярная масса фракции

lgM

[]

lg[]

А

Основная литература [4] (42-45)

Контрольные вопросы:

1. Что такое -растворитель для полимера?

2. Что такое разбавленный, умеренно концентрированный и концентрированный растворы полимеров?

3. Положительное и отрицательное отклонения от закона Рауля.

4. Напишите энтропию смешения для идеального раствора.

5. Напишите уравнение состояния полимера в растворе.

6. Нарисуйте диаграмму системы полимер-растворитель с ВКТР и НКТР и укажите соответствующие им две -температуры.

7. Что такое невозмущённые размеры макромолекул?