Лабораторная работа 4 (4.1+4.2) . Температурные характеристики высокомолекулярных соединений

Лабораторная работа 4 (4.1+4.2)
Тема. Температурные характеристики высокомолекулярных соединений
1. Теоретические основы анализа
Полимеры являются полидисперсными продуктами и поэтому не имеют четко выраженной
точки плавления. Температура размягчения – это температура, при которой полимер (смола,
битум) из относительно твёрдого переходит в жидкое текучее состояние. Температура
размячения косвенным образом характеризует вязкостные свойства полимера, позволяет
приблизительно судить о них при температуре его применения, например, при производстве
резино-технических
изделий
и
шин,
изготовлении
кровельных
материалов
и
асфальтобетонных смесей.
Температуру размягчения в лабораторных условиях определяют по стандартам ISO 4625,
ASTM D 36-95 методом «кольца и шара» (КиШ) в диапазоне температур от 25 до 200ºС.
Данные стандарты предназначены для определения температуры размягчения твердых смол и
битумов. Сущность метода заключается в определении температуры, при которой продукт,
находящийся в кольце заданных размеров, размягчается в условиях испытания и
перемещается под действием массы стального шара до соприкосновения с нижней
пластинкой. Температура, при которой происходит деформация или разрыв слоя
полимера, отмечается как температура размягчения.
Прибор состоит из двух стеклянных стаканов, помещенных один в другой.*.
* Так как смолы резорцино-формальдегидные (СФ) растворимы в глицерине, то вместо
одного стакана с глцерином дополнительно использован внутренний стакан
Наружный стакан (диаметр 100 -120 мм, высота 120-130 мм), заполненный глицерином,
служит термостатом. Во внутренний стакан (воздушная баня)
с диаметром 85-90 мм и
высотой не менее 120 мм. помещают штатив-подвеску с двумя пластинками. Верхняя
пластинка имеет (3)5 отверстий: (Два) четыре из них предназначены для колец, одно – для
термометра. В качестве верхней пластины может быть латунный кронштейн с отверстиями
для колец. Нижняя пластинка служит для смягчения удара при падении шарика на дно
1
стакана. На залитые смолой и подготовленные к испытанию кольца укладывают стальные
шарики. Вес шариков 3,45 – 3,55 г, диаметр 9,53 мм. Размеры колец: внутренний диаметр
15,875 мм, высота 6,35 мм, толщина 2,25 мм. Для центрирования шариков при их установке
на кольца со смолой используют направляющие из латуни, по одной на каждое кольцо.
Штатив-подвеска (кронштейн) с кольцами, залитыми смолой, зафиксированными шариками
помещают в полый внутренний стеклянный стакан. Этот внутренний стакан опускают во
внешний стакан, заполненный глицерином. Заполнение глицерином должно быть на высоту
не менее 105 ± 3 мм. Нагревают на электрической плитке со скоростью 5ºС в минуту до тех
пор, пока смола с находящимся в ней шариком не коснется нижней пластинки прибора,
которая находится ниже верхней пластинки на расстоянии 25 мм.
Рис.1. Прибор для определения температуры размягчения (битумов)
1 – стеклянный стакан; 2 – штатив; 3 – накладка; 4 – латунное кольцо; 5 – верхняя пластинка;
6 – нижняя пластинка; 7 – шарик; 8 – крышка; 9 - термометр
2
а
в
Рис.2 Прибор для определения температуры размягчения с двумя кольцами (а) и кронштейн
кольца (в)
Температурой каплепадения называют температуру, при которой капля полимера
отделяется от равномерно нагретой массы испытуемого вещества под действием
собственнного веса.
Этот параметр не характеризует эксплуатационные свойства полимера. Его можно
рассматривать как ориентировочную цифру, дающую приближенное представление о
верхнем пределе работоспособности смолы.
Определение температуры каплепадения производят с помощью прибора Уббеллоде по
ГОСТ 6793, ISO 6299.3, ASTM D2265.
3
Рис. Прибор для определения температуры каплепадения по Уббеллоде:
1 – трубка; 2 – отверстие; 3 – ограничительные штифты, 4 – стеклянная капсула
Для определения температуры каплепадения используют термометр со шкалой от 0 до 125ºС
или от 80 до 200ºС с ценой деления в 1ºС. Нижняя часть термометра наглухо вмонтирована в
металлическую гильзу, имеющую нарезку, на которую навинчивается трубка 1 с отверстием
2. Общая длина гильзы с термометром – 45 мм. В нижней части трубки имеются три
ограничительных штифта 3. Шарик термометра устанавливают на одном уровне с нижним
концом трубки. В пространство, образованное гильзой и термометром, вставляют
стеклянную капсулу 4 с отшлифованными краями отверстия. Эта конструкция помещают при
помощи пробковых уплотнений в стеклянную пробирку диаметром 40-45 мм и длиной 180200 мм, служащую воздушной баней. На дно пробирко обычно кладут кусок фильтровальной
бумаги, на который будет падать капля смолы. Пробирку с термометром закрепляют в
штативе в вертикальном положениии и устанавливают в стакан, наполненный глицерином,
погружая её на высоту 10-20 мм от дна стакана. Перед определением стеклянную чашечку
4
плотно заполняют расплавленной смолой, срезая выступающую смолу скальпелем. Чашечку
со смолой устанавливают в трубку 1 до выступающих штифтов 3. Излишек смолы
выдавливает термометр. Его необходимо удалить аккуратно скальпелем..
После установки прибора в стакан глицерин подогревают со скоростью 1ºС в минуту.
Температура, при которой начинает выступать смола из отверстия чашечки, называется
точкой каплепадения, а температура, при которой падает первая капля – температурой
каплепадения. Расхождение между двумя параллельными определениями не должно
превышать 1ºС.
Метод пригоден для испытания полимеров только сравнительно низкой молекулярной массы
(до 10 000).
Практическая часть
Цель работы: Определение температуры размягчения и температуры каплепадения
резорцино-формальдегидной смолы СФ-281
1. Определение температуры размягчения
Приборы и посуда:

электроплитка

прибор для определения температуры размягчения по методу КиШ

термометр Уббеллоде

масляная баня

скальпель

пинцет

фарфоровая или металлическая чашка

стеклянная или металлическая пластинка

термометр
Реактивы:

ацетон

смола резорцино-формальдегидная СФ-281
5
Ход работы:
Перед испытанием образец смолы необходимо обезводить осторожным нагреванием (без
перегрева)!

В фарфоровую чашку поместить около 10 г смолы, медленно нагреть её до текучего
состояния,
не доводя до кипения, перемешивая стеклянной палочкой для удаления
пузырьков воздуха

Кольца нагревают до 50˚С в термостате или на электроплитке. Затем их помещают на
стеклянную
или
стальную
полированую
пластинку,
смазанную
предварительно
глицерином, и заливают до краев расплавленным полимером.

После охлаждения смолы в кольцах в течение 30 минут при температуре 25 ± 10ºС
избыток полимера срезают нагретым ножом или скальпелем.

Установив на поверхность смолы шарик, переносят кольца с шариками в отверстие
верхней пластинки 5 подвески. Фиксируют шарики с помощью специального
кронштейна. В среднее отверстие верхней пластинки устанавливают термометр 9.
Нижняя часть термометра должна быть на одном уровне с нижней поверхностью
смолы в кольцах..

Штатив 2 с крышкой 8 и установленной на нём верхней пластинкой с кольцами
испытуемой смолы, накладками 3 и нижней пластинкой 6, а также термометром 9,
6
помещают во внутренний стеклянный стакан 1. На дно стакана кладут лист
фильтровальной
бумаги.
Внутренний
стакан
опускают
во
внешний
стакан,
заполненный глицерином (минеральным маслом.), который устанавливают на
электроплитку.

Стеклянные
стаканы
вместе
с
помещенным
штативом
устанавливают
на
электроплитку так, чтобы плоскость колец была строго горизонтальна. Баню
нагревают со скоростью ± 5ºС в минуту.

Для каждого кольца и шарика отмечают температуру, при которой выдавливаемая
шариком смола коснется нижней пластинки 6. Если шарик в период испытания
передавливает смолу, то испытания повторяют.

За температуру размягчения смолы принимают среднее арифметическое значение
двух параллельных определений, округленное до целого числа.
NB! Для получения более достоверных результатов на подвеску ставят сразу до
четырех колец, залитых смолой
7
2. Определение температуры каплепадения

Перед определением стеклянную чашечку вынимают из гильзы, ставят на стекло и
вливают в нее расплавленный полимер.

В расплавленный полимер помещают термометр, и чашечку закрепляют в обойме
гильзы.

Когда полимер хорошо застынет, собирают прибор и производят нагревание, повышая
температуру со скоростью 1˚С в минуту.

Температура, при которой капля расплавленного полимера проходит через
отверстие в дне чашечки и падает на дно пробирки, считается температурой
каплепадения.
8