Определение температурной зависимости деформации волокон

 

Цель работы: освоить термомеханический метод определения зависимости деформации волокон от температуры; построить термомеханическую кривую для исследуемого волокна и определить температуры переходов.

Прибор для термомеханических исследований (рис. 1.2) состоит из лабораторного штатива (1), электропечи (2), термометра (3), исследуемого волокна (4), деформирующего груза (5) и шкалы (6).

Рис. 1.2. Прибор для термомеханических исследований

Порядок выполнения работы

Получить у лаборанта образец волокна для исследований и рассчитать массу деформирующего груза, которая должна составлять 10 – 20 % от разрывной нагрузки, значение которой находится в справочных таблицах.

Собрав прибор, как показано на рис. 1.2, измеряют зажимную длину волокна, отмечают начальную длину волокна по шкале (6) и начальную температуру по термометру (3). Включают электропечь в сеть и отмечают длину волокна по шкале (6) через каждые 5°С. Нагревание продолжают до обрыва волокна. Результаты эксперимента заносят в таблицы 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1

Исследуемое волокно - ……………………
Температура, °С	25	30	35	40	45	50	……	200	205	210
Длина волокна, мм							……
Относительная деформация							……

 

Относительную деформацию рассчитывают по формуле:

Таблица 1.2

Исследуемое волокно –	Справочное значение параметра	Экспериментальное  значение параметра
Зажимная длина, мм
Разрывная нагрузка, сН/текс
Масса деформирующего груза, г.
Линейная плотность, текс
Температура стеклования, °С
Температура текучести, °С
Температура плавления, °С

 

По данным таблицы 1.1 строят термомеханическую кривую, по ней находят температуру стеклования и температуру текучести, как это показано на рис. 1.1.

 

Контрольные задания и вопросы

1. Рассчитайте молекулярную массу полимера (значение констант А, В и М_СГ  получите у преподавателя).

2. По характеру термомеханической кривой определите, к какому типу относится исследуемый полимер (аморфный, сшитый, кристаллический).

3. Чем отличается дифференциальная термомеханическая кривая от интегральной?

4. Какими показателями характеризуются деформационные (упругие и релаксационные) свойства полимеров в стеклообразном, высокоэластичном, вязкотекучем и кристаллическом состояниях? Объясните особенности деформирования полимеров в различных фазовых и физических состояниях.

 

 

Лабораторная работа № 1.2

 

Определение температур фазовых переходов в волокнах методом дифференциального термического анализа (ДТА)

 

Цель работы: изучить методику определения теплоты фазовых переходов в полимерах и найти температуры переходов; провести термический анализ полимера; по полученной термограмме определить теплоты и температуры переходов.

Дифференциальный термический анализ (ДТА) – один из чувствительных методов фазового анализа – получил в настоящее время широкое распространение для исследования полимеров. Этот метод позволяет определить температуру перехода, тепловой эффект процесса, исследовать влияние механических, термических, радиационных и других воздействий на полимеры и полимерные материалы (волокна, пленки, пластмассы).

Наблюдаемые в полимерах переходы можно разделить на переходы первого рода (эндотермические или экзотермические) и переходы второго рода при Т_с и Т_т . Для этих типов переходов на рис. 1.3 и 1.4 приведены графики температурной зависимости изменения энтальпии DH, удельной теплоемкости С_р и дифференциальные термограммы.

Измерения температуры в процессе нагревания или охлаждения полимера обычно осуществляются при помощи термопар или регистрирующих устройств с автоматической записью.

Вещество, которое необходимо исследовать, и вещество сравнения (эталон) помещают в два разных тигля 1 и 2, изготовленных из жаростойкого материала. Эти тигли размещают в соответствующих гнездах термоблока 3, позволяющего с помощью электронагревателя повышать его температуру (рис. 1.5). В тигли помещают “горячие” концы дифференциальной термопары 4 и 5, соединенные таким образом, что возникающие в них термо - э.д.с. имеют противоположные направления (например, при нагревании спая в правой термопаре ток идет от А к В, а во второй – от С к В). Эти термо - э.д.с. при равенстве температур будут взаимно компенсированы и на ленте потенциометра фиксируется нулевая линия, соответствующая отсутствию тока в цепи. В том случае, когда в исследуемом веществе будут происходить какие-либо превращения, сопровождающиеся тепловым эффектом, температура будет отличаться от температуры, задаваемой в общем термоблоке и, следовательно, в эталоне. В этом случае возникает разность термо-э.д.с. и во внешней цепи возникает ток (дифференциальный), фиксируемый на ленте потенциометра.

Одна из ветвей дифференциальной термопары (например 5) может служить в качестве простой термопары для фиксации температуры внутри тигля в процессе нагревания вещества.

Рис. 1.3. Зависимость ,  “а” и деффиренциальная термограмма “б” для аморфного полимера

Рис. 1.4. Зависимость ,   и деффиренциальная термограмма для кристаллического полимера

 

Порядок выполнения работы

Исследуемое волокно в количестве 50 мг помещают в тигель, а затем последний – в термоблок. Проверяют наличие эталонного вещества во втором тигле и его количество. В случае необходимости вносят дополнительно во второй тигель эталонное вещество в таком количестве, чтобы масса эталона была равна массе исследуемого вещества. В качестве эталона обычно применяют асбестовое волокно. Холодные спаи термопар помещают в сосуд с тающим льдом. Включают регистрирующее устройство. После проверки преподавателем правильности сборки включают прибор в сеть.

На ленте потенциометра появляется термограмма, характеризующая изменение температуры и разности потенциалов в процессе нагревания волокна, как показано на рис. 1.6.

Если в составе прибора отсутствует регистрирующее устройство (самописец), а прибор оборудован милливольтметром и термометром, то через каждые 5°С снимают показания термометра, милливольтметра, часов и заносят их в таблицу 1.3.

 

 

Таблица 1.3

Исследуемое волокно - ……………………
Температура, °С	5	10	15	20	25		290	295	300
Разность потенциалов, мВ
Время, мин

 

 

Для нахождения температуры и теплоты перехода необходимо предварительно провести калибровку прибора по эталонным веществам с известной температурой плавления и теплотой плавления (данные взять у преподавателя).

Для нахождения Т_пл волокна находят по кривой 2 (на рис. 1.6) температуру, соответствующую минимуму пика на кривой 1. Для количественного расчета теплоты перехода измеряют площадь пика (площадь фигуры АВС). Измерение площадей проводят при помощи интегратора прибора или путем взвешивания фигуры АВС, вырезанной из термограммы.

Отношение площади пика эталонного образца S₁ к площади пика для исследуемого полимера S₂ равно отношению тепловых эффектов соответствующих процессов:

 =

Отсюда находят .

При оформлении работы необходимо составить и заполнить таблицу 1.4.

 

 

Таблица 1.4

Название волокна:	Справочное значение	Практическое значение
Количество, г	-
Тпл, °С
Тс, °С
S1, см2	получить у преподавателя
S2, см2	-
Δ Hпл эталона кДж/моль	получить у преподавателя
Δ Hпл волокна кДж/моль

 

Контрольные вопросы и задания

1. В каких фазовых и физических состояниях существуют аморфные и кристаллические полимеры?

2. Влияет ли химическое строение, молекулярная масса, надмолекулярная структура на характер дифференциальных термограмм?

3. Как изменяется теплоемкость полимеров с увеличением температуры?

4. Какие переходы в физическом состоянии полимеров можно зарегистрировать при помощи ДТА?

5. Как выглядят на ДТА фазовые и релаксационные переходы?

 

 

Раздел II. Взаимодействие волокон с жидкостями и их парами

Адсорбция паров жидкостей

 

Адсорбция представляет собой концентрирование веществ на поверхности раздела фаз. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое из объемной фазы вещество называется адсорбатом. Чем больше активная поверхность адсорбента, тем больше адсорбция. Поверхность, приходящаяся на 1г адсорбента, называется удельной поверхностью.

Взаимодействие адсорбата и адсорбента может осуществляться за счет ионных, дисперсионных, индукционных и ориентационных сил. Кроме того, может происходить образование водородных связей между адсорбентом и адсорбатом. Если между адсорбентом и адсорбатом возникают химические связи, то процесс называется хемосорбцией.

В ряде случаев адсорбция описывается уравнением Лэнгмюра:

,

где  – адсорбция в молях на грамм адсорбента;

   - максимальная адсорбция, соответствующая количеству адсорбата в мономолекулярном слое. Эта величина называется емкостью монослоя.

 – равновесное давление или равновесная концентрация адсорбата в объемной фазе.

- константа равновесия процесса адсорбции.

Уравнение Лэнгмюра описывает локализованную мономолекулярную адсорбцию на однородной поверхности без учета взаимодействия между молекулами адсорбата. Этому уравнению можно придать линейный вид:

Из зависимости  можно найти константы уравнения и . В свою очередь, зная , можно рассчитать удельную поверхность адсорбента S_уд . Для этого нужно знать площадь, занимаемую молекулой адсорбата в плотном слое:

,

где N – число Авогадро

S₀ – площадь, занимаемая одной молекулой адсорбата.

Отличительной чертой адсорбции паров является переход к объемной конденсации (капиллярной конденсации) при давлениях, близких к давлению насыщенного пара. При более низких значениях относительной влажности адсорбция имеет мономолекулярный характер. Изотермы адсорбции имеют вид, представленный на рис.2.7, где 1 – изотерма мономолекулярной адсорбции, 2 и 3 – изотермы полимолекулярной адсорбции. Уравнение для полимолекулярной адсорбции на твердом адсорбенте было дано Брунауэром, Эмметом и Таллером (БЭТ):

,

где Р – давление пара сорбата

  P_S – давление насыщенного пара сорбата при температуре опыта;

   а – адсорбция;

  a_m – емкость монослоя;

  с – константа, связанная с теплотой адсорбции.

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: