Результаты исследования поведения образцов твердых полимеров в воде и в растворе тиосульфата натрия
Лекционный курс
по дисциплине:
«Анализ пластмасс. Стандартизация и Сертификация»
Составитель:
К.т.н. Ногачева Э.Р.
Введение. Пластмассы – как объект качественного и количественного анализа.
Раздел 1. Анализ свойств пластмасс
Тема 1.1 Анализ физических свойств пластмасс и внешнего вида
Оценка внешнего вида пластмасс.
Физические свойства пластмасс. Определение плотности жидких и твердых полимеров. Определение полимера по воздействию пламени и высокой температуры. Процессы, происходящие при сжигании полимера. Проведение анализа растворимости пластмасс. Схема идентификации полимеров по растворимости.
Качественные реакции полимеров: реакция Либермана–Шторха–Моравского.
Необходимость идентификации полимеров возникла практически одновременно с появлением промышленной полимерной химии. В настоящее время в связи с широким применением полимерных композиционных материалов (ПКМ) в различных областях народного хозяйства и в быту систематически приходиться анализировать полимерные продукты в зависимости от их целевого назначения. Число методов и их различных модификаций, которые можно использовать для решения различных аналитических задач, в настоящее время достигает нескольких десятков.
Для идентификации полимеров и полимерной основы композиций используются простые методы, основанные на физико-химических и физико-механических свойствах полимеров, химические методы и инструментальные. Наибольшее распространение из инструментальных методов получили ИК-спектроскопия, пиролитическая газовая хроматография, ЯМР-спектроскопия. Применяются газовая, тонкослойная, гельпроникающая хроматография, хромато-масс-спектроскопия, пиролитическая масс-спектроскопия, термический анализ, а также разнообразные комбинации этих и других методов. Инструментальные методы позволяют значительно сократить время анализа и снизить предел обнаружения ряда анализируемых компонентов. Понятно, что рассмотреть все существующие методы в одном пособии не представляется возможным. Поэтому наибольшее внимание уделено методам, которые являются сейчас наиболее массовыми и стандартными. Подробно также обсужден метод ИК спектроскопии, значительные успехи которого в идентификации ПКМ связаны с появлением приборов нового типа - ИК-Фурье спектрометров и разработкой нового поколения различных приставок к ним для неразрушающего контроля и анализа полимеров и ПКМ.
|
|
|
Современный специалист в области полимерных материалов должен обладать не только определенным комплексом и уровнем специальных знаний, но и определенным уровнем экологического мировоззрения и мышления, который позволит анализировать и оценивать собственную производственную деятельность относительно ее воздействия на природную среду и принимать обоснованные решения. Это связано с тем, что использование человеком ПКМ (пластмасс, резин), являющихся многокомпонентными системами, осложнено процессом выделения из них вредных низкомолекулярных веществ, которые могут привести к загрязнению воздуха, воды, пищевых продуктов, и, следовательно, представляют потенциальную опасность для здоровья человека и окружающей среды. Кроме того, использование ПКМ сдерживается из-за их горючести. В связи с этим необходимы мероприятия, обеспечивающие безопасное для здоровья производство и применение ПКМ. Идеальным решением вопроса экологической безопасности применения полимерных материалов является запрещение использования при их синтезе токсичных ингредиентов, что, однако, по разным причинам чаще всего невозможно. В большинстве же случаев следует провести необходимые качественные и количественные анализы токсичных ингредиентов полимерных композиций, оценить их экологическую опасность. Поэтому в учебное пособие включены разделы, посвященные анализу низкомолекулярных ингредиентов, содержащихся в полимерах, пожароопасным свойствам ПКМ и способам снижения их горючести, анализу летучих токсичных продуктов горения полимеров и ПКМ. Эти разделы представляют интерес с точки зрения оценки экологической безопасности полимеров в условиях эксплуатации и в экстремальных условиях (при горении).
|
|
|
|
|
|
Внешний вид и физические свойства полимеров
При первоначальном осмотре устанавливается визуально однородность или же отмечается число полимерных (неполимерных) слоев, составляющих образец. Если образец многослойный или неоднородный, то составляющие компоненты отделяют с учетом их свойств, и затем каждый из них идентифицируют отдельно. Физические свойства полимеров и их внешний вид во многом определяются структурой макромолекулярных цепей, которые могут быть гибкими или жесткими с линейной, разветвленной или сетчатой структурой. По физическому состоянию и внешнему виду образца (твердый, полужесткий, эластичный, воскообразный, дисперсный, прозрачный, мутный, и т.п.) можно сделать некоторые предположения о природе полимерной основы композиционного материала.
|
|
|
Полимерной основой эластичных образцов, как правило, являются полимеры-эластомеры: полибутадиеновые, полиизопреновые, полисилоксановые, полиуретановые каучуки. Из термопластов, которые при повышении температуры размягчаются, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние, чаще всего встречаются полиэтилен, полипропилен, полиамиды. Подобные изменения не характерны для термореактопластов, которые с изменением температуры практически не меняют агрегатного состояния, а при высоких температурах подвергаются пиролизу с выделением газообразных продуктов разложения. Характерные свойства термореактопластов – высокая твердость, жесткость, хрупкость, неплавкость, незначительная растворимость в органических растворителях. Их излом имеет характерную зернистую структуру. Типичные реактопласты – фенопласты, эпоксидные смолы.
Полимерной основой прозрачных твердых, полужестких образцов и пленок являются, как правило, термопласты. Образцы, содержащие в качестве полимерной основы полиолефины, имеют чаще всего воскообразный вид. В дисперсиях дисперсной фазой могут быть полиолефиныполивинилацетатные пластики, фтор-полимеры, а дисперсионной средой - органические растворители, вода или их смеси. Газонаполненные полимеры чаще всего представлены эластичными и жесткими пенополиуретанами на основе простых и сложных полиэфиров, пенополиолефинами, вспененными полистиролами, пенополивинилхлоридом, вспененными мочевиноформальдегидными смолами, пенополиэпоксидами, пенофенопластами.
Цвет образца не является достоверной характеристикой принадлежности полимера к тому или иному классу, поскольку красители, пигменты и добавки могут изменить собственную окраску полимера. Однако для фенопластов коричневый и черный цвета являются естественными, что отличает их от других полимерных композиций.
Определение плотности.
Плотность полимеров определяют с помощью пикнометра.
Метод заключается в определении массы полимера, находящегося в пикнометре известной емкости, при 20ºС.
Определение плотности жидких полимеров.
Массу полимера термостатируют при 20±0,1ºС. Пикнометр взвешивают с точностью до 0,0002 г, помещают в термостат, имеющий температуру 20±0,1ºС, и заполняют полимером с помощью воронки. Необходимо следить, чтобы в заполняемом пикнометре не образовывались пузырьки. Пикнометр заполняют до метки, вынимают воронку, выдерживают в термостате в течение 30 минут. Далее заполненный пикнометр тщательно вытирают снаружи и взвешивают с точностью до 0,0002 г.
Плотность полимера ρ вычисляют по формуле:
,
где m1 и m0 - массы наполненного и пустого пикнометра, г; V – объем пикнометра, мл; ρa – плотность воздуха, равная примерно 0,0012 г/мл.
Определение плотности твердых полимеров.
Сухой пикнометр, взвешенный с точностью до 0,0002 г, заполняют до верха водой, закрывают стеклянной пробкой с капилляром и погружают в водяной термостат, имеющий температуру 20±0,1ºС, на 30 минут. После этого точно доводят уровень воды до метки, либо осторожно доливая воду, либо удаляя с помощью фильтровальной бумаги. Пикнометр закрывают пробкой, тщательно вытирают снаружи и взвешивают с точностью до 0,0002 г. Выливают воду из пикнометра, высушивают его в сушильном шкафу, охлаждают в эксикаторе и помещают в него несколько кусочков полимера. Закрывают пикнометр пробкой, взвешивают, вливают немного дистиллированной воды. Закрывают пикнометр и сильно встряхивают для удаления пузырьков воздуха со стенок прибора и с поверхности кусочков полимера. Доливают воду до верха, закрывают пробкой и выдерживают в термостате 30 минут при температуре 20±0,1ºС. После термостатирования доводят уровень воды в пикнометре до метки, закрывают пробкой, вынимают из термостата, тщательно вытирают и взвешивают. Плотность полимера ρ вычисляют по формуле:
,
где m2 – масса пикнометра с полимером; m0 - масса сухого пикнометра; m1 – масса пикнометра с водой; m3 - масса пикнометра с водой и полимером, г.
В тех случаях, когда полимер растворяется в воде, ее заменяют жидкостью, в которой полимер не растворяется. Такой жидкостью в большинстве случаев является бензин. Для полимеров, плотность которых ниже плотности воды, применяют смесь этилового спирта и четыреххлористого углерода. В цилиндр наливают около 100 мл этилового спирта, всыпают полимер и приливают по каплям четыреххлористый углерод, пока полимер не всплывет. Смесь перемешивают, следя за тем, чтобы кусочки полимера распределились равномерно по всему объему и находились во взвешенном состоянии, после чего денсиметром измеряют плотность смеси растворителей - эта величина является плотностью полимера.
Твердые полимерные образцы (без наполнителя) можно различить по величине плотности следующими испытаниями. В один из подготовленных стаканов наливают 70 мл дистиллированной воды, в другой – раствор тиосульфата натрия (70 г. тиосульфата натрия и 60 мл воды). Образец размером не более 2х10х10 мм помещают в стакан с водой. В зависимости от плотности образец либо погрузится на дно стакана, либо будет плавать на поверхности воды. Образцы, погрузившиеся на дно, извлекают из воды и помещают в раствор тиосульфата. В таблице 1 приведены результаты подобных испытаний для некоторых полимеров.
Таблица 1
Результаты исследования поведения образцов твердых полимеров в воде и в растворе тиосульфата натрия
| Полимер | Плотность, г/см3 | Поведение в воде | Поведение в растворе тиосульфата натрия |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Полипропилен | 0,83 | Образец плавает | - |
| Полиэтилен ВД | 0,92 | Образец плавает | - |
| Полиэтилен НД | 0,95 | Образец плавает | - |
| Полистирол | 1,07 | Образец тонет | Образец плавает |
| Ударопрочный полистирол | 1,07 | Образец тонет | Образец плавает |
| Сополимер стирола с акрилонитрилом | 1,10 | Образец тонет | Образец плавает |
| АБС-пластик | 1,05 | Образец тонет | Образец плавает |
| Полиамид | 1,13 | Образец тонет | Образец плавает |
| Поликарбонат | 1,20 | Образец тонет | Образец тонет |
Продолжение таблицы 1
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Полиметилметакрилат | 1,20 | Образец тонет | Образец тонет |
| Пентапласт | 1,33 | Образец тонет | Образец тонет |
| Поливинилхлорид | 1,40 | Образец тонет | Образец тонет |
| Полиформальдегид | 1,40 | Образец тонет | Образец тонет |
| Поливинилфторид | 1,40 | Образец тонет | Образец тонет |
| Поливинилиденфторид | 1,70-1,80 | Образец тонет | Образец тонет |
| Политрифторхлорэтилен | 2,08-2,09 | Образец тонет | Образец тонет |
| Политетрафторэтилен | 2,20-2,30 | Образец тонет | Образец тонет |
Поведение полимеров при внесении в пламя
При сжигании полимера в синем конусе пламени горелки одновременно протекает ряд процессов: обезвоживание, термическое разложение, взаимодействие с водой, выделяющейся при высоких температурах, окислительно-восстановительные реакции. Наблюдение за поведением полимерного образца при сжигании может дать ценные сведения об его составе.
Выполнение анализа. Небольшую пробу полимера помещают на стеклянную лопаточку или на ушко прокаленной медной проволоки. Затем вносят пробу в синий конус пламени горелки и отмечают окраску пламени, запах выделяющихся газообразных продуктов и реакцию продуктов пиролиза, используя влажную универсальную индикаторную бумагу.
Характеристика наиболее распространенных полимеров по вышеперечисленным признакам представлена в таблице 2.
Таблица 2.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1055; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!