Исследование кинетики набухания полимеров

Цель работы. Исследовать кинетику набухания каучука в толуоле. По полученным результатам измерений определить кинетические параметры набухания.

Ход работы.

Рис.2.

Кинетику набухания обычно изучают объемным или весовым методом. В приборе, разработанном на кафедре коллоидной химии Ленин­градского государственного университета (ЛГУ), скорость набухания определяют объемным методом по разности между пер­воначальным объемом взятой для опыта жидкости, и объемом оставшейся к данному моменту времени непоглощенной полимером жидкости (рисунок 9.1).

Прибор ЛГУ состоит из двух стеклянных резервуаров, соединенных между собой градуированной стеклянной трубкой С. Резервуар А имеет отверстие D, закрытое пришлифованной пробкой со стержнем на конце, тогда как резервуар В – замкнутый.

Перед началом опыта прибор необходимо хорошо промыть хромовой смесью, водопроводной водой, дистиллированной водой и высушить, чтобы исключить искажения за счет капель жидкости, задерживающихся на грязных стенках прибора.

Для исследования кинетики набухания каучука в толуоле берут кусок каучука с таким расчетом, чтобы он свободно проходил в отверстие D прибора и помещался без изгибов внутри шарообразного резервуара А. Затем этот кусок протыкают в середине шилом, взвешивают, определяя его массу m, и надевают на стержень пробки. Прибор заполняют толуолом, закрывают пробкой и закрепляют вертикально в штативе, устанавливая его резервуаром А кверху. Отмечают уровень толуола V₀ в измерительной трубке С (уровень должен быть немного ниже верхней границы шкалы), после чего поворачивают прибор в наклонное положение, так, чтобы каучук находился в объеме толуола. Этот момент t₀=0 соответствует началу эксперимента.

Через определенные промежутки времени (например, через 5, 10, 20, 30, 50, ... мин) регистрируют объем толуола V. Для этого, поставив прибор вертикально резервуаром А вверх, выжидают (~ 1 мин), пока вся жидкость не стечет из резервуара А. Затем отмечают уровень толуола в трубке С и сразу же переводят прибор в наклонное положение. Уменьшение объема жидкости V₀ V соответствует объему поглощенного толуола. Затем рассчитывают степень набухания (%)

= (V₀V)100/m, (9.4)

где  – плотность толуола, г/см³ (таблица 9.1).

Таблица 9.1 – Плотность толуола при различных температурах

t,°C	0	10	20	30	40	50	60	70
, г/см3	0,8846	0,8757	0,8667	0,8576	0,8483	0,8389	0,8294	0,8197

Примечание. Для температур, отсутствующих в таблице 9.1 плотность толуола рассчитывают методом интерполяции.

Результаты проведенных измерений и расчетов вносят в таблицу. 9.1.

Таблица 9.1 – Экспериментальные данные набухания каучука в толуоле при 295К

Время, мин	Объем толуола в момент времени t V, мл	Объем поглощенного толуола V0 V, мл	Степень набухания , %	Скорость набухания d/dt, %/мин
0
5
10
20
30
50
70
90
…

Обработка результатов измерений

Уравнение (9.2), которое описывает скорость набухания полимера, является линейным в координатах . Проверка применимости модели (9.2) для описания кинетики набухания полимера заключается в следующем. Во-первых, надо проверить, укладываются ли экспериментальные данные на прямую линию в указанных координатах. В случае выполнения линейной зависимости от  можно определить кинетические параметры процесса набухания: и_max, а затем решить обратную задачу, т.е. рассчитать по уравнению (9.3) теоретическую кривую =f(t) и сопоставить ее с экспериментальными данными.

С этой целью необходимо выполнить следующее: По данным таблицы 9.1 построить кривую зависимости степени набухания от времени (рисунок 9.2).

Рисунок 9.2 – Примерный вид кривой зависимости степени набухания каучука в толуоле от времени (₁, ₂, … - углы наклона касательных к кривой)

1. На этой кинетической кривой проводят касательные к нескольким точкам кривой в области ее наибольшей кривизны, причем тангенс угла наклона (_i) касательной к оси времени равен скорости набухания, а ордината точки касания соответствует степени набухания .

2. Найденные в п. 1 пары значений (d/dt, ) используют для построения рисунка 9.3. Если в координатах уравнения (9.2) экспериментальные точки укладываются на прямую DE (рисунок 9.3), то кинетику набухания каучука в толуоле можно описать уравнением (9.2). В этом случае отрезок ОD, отсекаемый прямой на оси ординат, равен k_набух._max, а отрезок ОЕ, отсекаемый прямой на оси абсцисс равен _max.

   W, мл/г

3. Найденные графически постоянные величины _max и k используют для расчета теоретической кривой =f(t). Расчеты проводят по уравнению (9.3) с начальным условием: t = 0,  = 0. Полученную экспоненциальную зависимость наносят на один график с экспериментальной зависимостью и затем анализируют, насколько хорошо она описывает реальный процесс.

4. Максимальное отклонение экспериментальных значений  от расчетных не должно превышать 10%.

Выводы

1. Установлено, что кинетика набухания описывается формальным уравнением первого порядка с параметрами _max = … % ; k_набух. =… мин^-1 ;

2. Интегральная форма уравнения =f(t) имеет вид: … . (Привести уравнение с рассчитанными с числовыми значениями).

3. Среднее отклонение расчетных данных от экспериментальных составляет …%.