7 семестр - ЭТИ СГТУ

Саратовский государственный технический университет
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра химической технологии
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине СД01 «Технология переработки полимеров», ч. 1
для студентов специальности 250600 – Технология
переработки пластмасс и эластомеров (ТППЭ
Курс 4
Семестр 7
Часов в неделю - 3
Лекции 34 час.
Практические 17 час.
СРС 51 час.
Всего - 102 часа
Экзамен 7 семестр
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры ХТ
«______» _____________ 2004, протокол №
Зав. кафедрой ХТ
Т.П.Устинова
Рабочая программа утверждена учебно-методической комиссией по
специальности ТППЭ «______» __________2004, протокол №
Председатель УМКС
Т.П.Устинова
Энгельс 2004
1. Цель преподавания дисциплины,
ее место в учебном процессе
Целью курса «Технология переработки полимеров» ч. 1., является
выделение того общего, что объединяет все процессы переработки
высокомолекулярных соединений вне зависимости от их химического
строения и рассмотрение общих физико-химических явлений, процессов и
закономерностей, которые лежат в основе самых различных
технологических процессов производства на основе полимеров огромного
количества изделий, материалов и конструкций самого различного типа и
назначения, работающих в разнообразных условиях и режимах
эксплуатации.
Преподавание дисциплины базируется на знании студентами физики и
классической термодинамики, физической химии и химии полимеров.
2. Задачи изучения дисциплины
- приобретение студентами общего понимания процессов переработки
полимеров с учетом их особенностей и получение знания общего подхода
к созданию и организации в каждом конкретном случае технологических
процессов производства тех или иных материалов из полимеров и
композиций на их основе, опираясь на полученные при изучении других
курсов знания особенностей строения, структуры и проявления физикохимических и механических свойств полимеров;
- изучение и научное обоснование физико-химических процессов,
позволяющих обеспечить получение материалов заданного строения и
структуры и, как следствие, обладающих требуемым комплексом
свойств в каждом конкретном случае;
- подготовка студентов к изучению следующих курсов по различным
специализациям, связанным с созданием технологических процессов и
разработкой новых материалов и изделий различного назначения из
полимеров.
2
3. Распределение времени по темам и видам занятий
Мод
уль
№
1
Тема Наименование темы
№
1
2
1
3
2
4
2
5
2
6
3
7
3
8
1
Физико-химич. основы переработки по
лимеров через
расплавы
Физико-химич. осн
овы переработки по
лимеров через
растворы и дисперс
сии
Физико-химич. осн
овы переработки по
лимеров в кристал
лич., стеклообразн
ом и высокоэластич
состоянии
Физико-химич. осн
овы химического
сшивания линейных
полимеров и олиго
меров
Теоретические осно
вы создания полиме
рных композицион
ных материалов
Физико-химия про
цессов склеивания,
проклеивания
и
пропитывания
Взаимосвязь структ
уры и комплекса сво
йств полимерных ма
териалов
Реакционная способ
ность полимеров. Те
оретич. основы стар
ения, деструкции и
стабилизации полим
ерных материалов
Всего
час.
11
Лекции
час.
4
Практич СРС, Призан., час. час. меч.
2
5
9
4
5
10
4
1
5
13
2
1
10
13
4
6
3
10
2
2
6
11
4
2
7
16
6
3
7
3
3
9
Совмещение компо
нентов полимерных
материалов
7
4
3
4. Содержание учебных занятий
Наименование тем, их объем в часах, содержание лекций
Модуль 1
Лекция 1 (2 часа). Введение: назначение, экономическая
эффективность, основные исторические этапы развития и объемы выпуска
полимерных материалов.
Тема 1. Физико-химические основы переработки полимеров через
расплавы.
Обратимые и необратимые деформации полимеров. Основные способы
формования изделий из расплавов полимеров. Закон Ньютона и причины
отклонения реальных жидких полимеров от закона Ньютона.
Литература: 1, 2.
Лекция 2 (2часа). Классификация полимеров по величине индекса
течения и по распределению градиента скорости в канале. Факторы,
влияющие на вязкость полимера. Закон Пуазейля. Изменение
характеристик струи по мере удаления от фильеры при формовании из
расплава. Условия стабильного формования из расплава.
Литература: 1, 3.
Тема 2. Физико-химические основы переработки полимеров через
растворы и дисперсии.
Лекция 3 (2 часа). Фазовое разделение по механизму спинодального
распада.
Термодинамика
фазового
разделения
по
механизму
зародышеобразования. Критический размер зародышей.
Литература: 1, 3.
Лекция 4 (2часа). Компоненты полимерных материалов. Назначение
пластификаторов и требования, предъявляемые к пластификаторам.
Основные типы веществ, применяемых в качестве пластификаторов при
получении различных материалов.
Литература: 1, 4.
Тема 3. Физико-химические основы переработки полимеров в
кристаллическом, стеклообразном и высокоэластическом состоянии.
Лекция 5 (2 часа). Физические состояния полимеров. Деформационные
свойства полимеров в различных физических состояниях. Сущность
4
явления вынужденной эластичности. Влияние условий деформирования и
характеристик полимера на предел вынужденной эластичности. Связь
между физическими состояниями полимеров и молекулярной массой
полимеров.
Литература: 1,2.
Лекция 6 (2 часа). Термодинамика деформации эластомеров.
Соотношение между энергетической и энтропийной составляющими
напряжения. Влияние температуры на напряжение образца эластомера с
закрепленными концами. Причины отличия температурной зависимости
реальных эластомеров от идеальной зависимости.
Литература: 1, 2.
Рубежный контроль по плану-графику (см. приложение)
Модуль 2
Тема 4. Физико-химические основы химического сшивания линейных
полимеров и олигомеров.
Лекция 7 (2 часа). Зависимость модуля упругости сетчатых полимеров
от концентрации межузловых цепей. Поправка на неидеальность сетки.
Способы сшивания линейных макромолекул. Компоненты резиновых
смесей. Основные параметры пространственного сшивания олигомеров.
Химический механизм сшивания.
Литература: 1, 2, 4, 5.
Тема5. Теоретические основы создания полимерных композиционных
материалов.
Лекция 8 (2 часа). Основные стадии традиционной технологии
волокнонаполненных (армированных) полимерных композиционных
материалов (ПКМ). Недостатки традиционной технологии.
Литература: 1, 6.
Лекция 9 (2 часа). Новые приемы в технологии армированных ПКМ:
регулирование структуры и свойств ПКМ при помощи магнитных
обработок, увеличение допустимых сроков хранения препрегов способами
раздельного и слоевого нанесения компонентов, полимеризационное и
поликонденсационное наполнение связующих. Влияние наполнителей на
структуру и характеристики ПКМ.
Литература: 1, 6.
Тема 6. Физико-химия процессов склеивания, пропитывания и
проклеивания.
Лекция 10 (2 часа). Связь между работой адгезии, удельной свободной
поверхностной энергией и поверхностным натяжением. Физический смысл
5
поверхностного натяжения. Связь между работой адгезии и смачиванием.
Структура поверхности наполнителей, кинетика заполнения пор
наполнителей. Приемы увеличения работы адгезии.
Литература: 1, 4, 7, 8.
Рубежный контроль по плану-графику (см. приложение)
Модуль 3
Тема 7. Взаимосвязь структуры и комплекса свойств полимерных
материалов.
Лекция 11 (2 часа). Сущность характеристик ПКМ, единицы их
измерения. Влияние структуры сетчатых полимеров на их прочностные
характеристики: на разрушающее напряжение при растяжении,
статическом изгибе, на ударную вязкость.
Литература: 1, 6.
Лекция 12 (2 часа). Виды и назначение термообработок полимерных
изделий. Связь между химической структурой, составом и
проницаемостью полимерных материалов.
Литература: 1,4.
Тема 8. Реакционная способность полимеров. Теоретические основы
старения, деструкции и стабилизации полимерных материалов.
Лекция 13 (2 часа). Причины композиционной неоднородности
полимеров. Классификация химических реакций в полимерах. Примеры
полимераналогичных превращений поливинилацетата, целлюлозы,
поливинилового спирта, стирола, полиамидов, полиэтилена. Циклизация
полиизопрена, полиакрилонитрила.
Литература: 1, 9.
Лекция 14 (2 часа). Основные реакции при термической деструкции
полимеров; на примерах: полиметилметакрилат – полиметилакрилат,
полиметилстирол – полистирол демонстрируется конкуренция реакций
образования полимеров с пониженной
молекулярной
массой
и
мономеров. Старение полимеров под действием излучений.
Литература: 1, 9.
Лекция 15 (2часа). Старение полимеров в результате механических
воздействий, под влиянием химически активных веществ и кислорода.
Принципы стабилизации полимеров.
Литература: 9.
Тема 9. Совмещение компонентов полимерных материалов .
Лекция 16 (2 часа). Характеристики процесса смешения, режимы
смешения. Статистические критерии процесса смешения.
Литература: 10.
6
Лекция 17 (2 часа). Выборочные и генеральные параметры распределения
частиц диспергируемой фазы в дисперсионной среде. Механизм
ламинарного смешения как наиболее применимого в технологии
полимерных материалов.
Литература: 10.
Рубежный контроль по плану-графику (см. приложение).
5. Перечень практических занятий
№
темы
1
Всего
часов
2
3
4
1
1
5
6
5
5
6
2
7
8
2
3
8
№
Тема практического занятий
занятия
1
Расчеты по обобщенному закону течения
жидкостей.
2
Модуль упругости полимеров.
2
Расчет средней массы межузловых цепей
сетчатых полимеров.
3
Характеристики переходных слоев в системе
связующее-наполнитель.
4
Кинетика отверждения связующего.
5
Диффузионные процессы в ПКМ.
6
Тепловые эффекты взаимодействия между
связующим и наполнителем.
7
Расчет прочностных характеристик ПКМ.
8
Сорбционная способность и проницаемость
полимерных материалов.
9
Кислотно-основное
взаимодействие
при
отверждении реактопластов.
6.Самостоятельная работа студентов – 51 час
Самостоятельная работа студентов (СРС) по данному курсу включает в
себя выполнение заданий по практическим занятиям и регулярную
подготовку к рубежному контролю с изучением следующих тем и
вопросов:
Тема 1. Физико-химические основы переработки полимеров через
расплавы.
1.1. Основные способы формования изделий из расплавов [1, 4].
1.2. Деформация твердых полимеров [1, 2].
1.3. Деформация жидких полимеров. Закон Ньютона [1, 2].
1.4. Течение реальных полимерных жидкостей [1,2].
7
1.5. Обобщение закона течения жидкостей [2,3].
1.6. Изменение свойств и структуры полимеров при формовании из
расплава [1].
1.7. Условия стабильного формования из расплава [1].
Тема 2. Физико-химические основы переработки полимеров через
растворы и дисперсии
2.1. Агрегатные и фазовые изменения при переработке жидких полимеров
[1, 11].
2.2. Фазовое разделение по механизму зародышеобразования [1, 3].
2.3. Фазовое разделение по механизму спинодального распада [1, 2].
2.4. Обратимые и необратимые деформации полимеров [1, 2].
2.5. Пластификаторы полимерных материалов [1, 4].
2.6. Требования, предъявляемые к пластификаторам [1, 4].
2.7. Механизм действия пластификаторов [1, 4].
Тема 3. Физико-химические основы переработки полимеров
кристаллическом, стеклообразном и высокоэластическом состоянии
3.1. Физические состояния аморфных полимеров [1, 2].
3.2. Вынужденная эластичность полимеров [1, 2].
3.3. Хрупкое состояние полимеров [1, 2].
3.4. Термодинамика деформирования эластомеров [1, 2]
3.5. Влияние температуры на напряжение эластомера [1, 2].
3.6. Причины отличия реальных эластомеров от идеальных [1, 2].
в
3.7.Кристаллизация полимеров [1,2,11].
Тема 4. Физико-химические основы химического сшивания линейных
полимеров и олигомеров
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
Модуль упругости и напряжение идеальных эластомеров [1, 2].
модуль упругости и напряжение реальных эластомеров [1, 2].
Основы технологии резины как типичных эластомеров [1, 4].
Сшивание олигомеров [1, 5].
Влияние параметров сетчатой структуры на прочностные
характеристики полимеров [1, 2, 5].
Механизм действия отвердителей [1, 5].
Основные параметры процесса отверждения [1, 5].
Тема 5. Теоретические основы создания полимерных композиционных
материалов
5.1. Основы традиционной технологии армированных сетчатых
полимеров [1, 6].
8
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
Некоторые направления совершенствования традиционной
технологии армированных сетчатых полимеров [1].
Механизм влияния магнитных обработок на структуру и
свойства ПКМ [1].
Переходные
слои
в
системе
связующее-волокнистый
наполнитель и их влияние на свойства материалов [1, 7].
Характеристики переходных слоев [1, 7].
Влияние дисперсных наполнителей на структуру и свойства
полимерных материалов [1, 6, 7].
Дефектность наполненных полимерных материалов [1, 6, 7].
Тема 6. Физико-химия процессов склеивания, пропитывания и
проклеивания.
6.1. Физический смысл поверхностного натяжения, единицы измерения
поверхностного натяжения [1, 8].
6.2. Заполнение пор наполнителей связующим [1, 6].
6.3. Связь между работой адгезии и смачиванием [1, 6, 7].
6.4. Приемы увеличения работы адгезии [1, 6].
6.5. Склеивание термопластов [1, 4].
6.6. Склеивание реактопластов [1, 4].
6.7. Основные закономерности склеивания полимерных материалов
[1, 4].
8
Тема 7. Взаимосвязь структуры и комплекс свойств полимерных
материалов.
7.1. Основные характеристики полимерных материалов [1, 6].
7.2. Влияние микродефектов и топологической структуры на
прочностные характеристики [1, 6].
7.3. Влияние кристаллизации и ориентации макромолекул на свойства
ПМ [1, 2, 11].
7.4. Виды и назначение термообработок изделий из полимеров [1, 4, 5,
11].
7.5. Влияние термообработок на структуру и свойства ПМ [1, 4, 5, 11].
7.6. Проницаемость полимерных материалов [1, 6].
7.7. Связь между макроструктурой и проницаемостью наполненных
полимерных материалов [1, 6, 7].
Тема 8. Реакционная способность полимеров. Теоретические основы
старения, деструкции и стабилизации полимерных материалов.
9
8.1. Специфика химических процессов в полимерах. Классификация
реакций с участием полимеров [1, 9].
8.2.Полимераналогичные превращения [1, 9].
8.3. Внутримолекулярные превращения [1, 9].
8.4. Межмолекулярные реакции [1, 9].
8.5.Термодеструкция и термостабильность полимеров [1, 9].
8.6. Старение полимеров под влиянием механических воздействий и
химически активных веществ [9].
8.7. Принципы стабилизации полимеров [9].
Тема 9. Совмещение компонентов смешением.
9.1. Характеристики процесса смешения [10].
9.2. Режимы смешения [10].
9.3. Статистические критерии процесса смешения [10].
9.4. Выборочные и генеральные параметры распределения частиц
диспергируемой фазы в дисперсионной среде [10].
9.5. Механизм ламинарного смешения [10].
7. Контрольные работы - предусмотрена одна контрольная.
8. Экзаменационные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Назначение,
экономическая
эффективность,
основные
исторические этапы развития и объемы выпуска полимерных
материалов.
Основные способы формования изделий из расплавов полимеров.
Обратимые и необратимые деформации полимеров.
Закон Ньютона и причины отклонения реальных жидких
полимеров от закона Ньютона.
Классификация полимеров по величине индекса течения и по
распределению градиента скорости в канале.
Факторы, влияющие на вязкость полимера.
Закон Пуазейля.
Изменение характеристик струн по мере удаления от фильеры при
формовани и из расплава.
Условия стабильного формования из расплава.
Термодинамика
фазового
разделения
по
механизму
зародышеобразования. Критический размер зародышей.
Фазовое разделение по механизму спинодального распада.
10
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
Компоненты
полимерных
материалов.
Назначение
пластификаторов
и
требования,
предъявляемые
к
пластификаторам.
Основные
типы
веществ,
применяемых
в
качестве
пластификаторов при получении различных материалов.
Физические состояния полимеров. Деформационные свойства
полимеров в различных физических состояниях.
Сущность явления вынужденной эластичности. Влияние условий
деформирования и характеристик полимера на предел
вынужденной эластичности.
Связь между физическими состояниями полимеров и
молекулярной массой полимеров.
Термодинамика деформирования эластомеров. Соотношение
между
энергетической
и
энтропийной
составляющими
напряжения.
Влияние температуры на напряжение эластомера. Причины
отличия (зависимости f(Т) реальных эластомеров от идеальных.
Зависимость модуля упругости сетчатого полимера от частоты
сшивки. Поправка на неидеальность сетки.
Способы сшивания линитных макромолекул.
Компоненты резиновых смесей.
Основные параметры пространственного сшивания олигомеров.
Химический механизм сшивания.
Основные стадии традиционной технологии вылокнонаполненных
композиционных
полимерных
материалов.
Недостатки
традиционной технологии.
Новые приемы в технологии волокнонаполненных ПКМ.
Влияние наполнителей на структуру и характеристики ПКМ.
Связь между работой адгезии, удельной свободной поверхностной
энергией и поверхностным натяжением. Физический смысл
поверхностного натяжения и единицы его измерения.
Связь между работой адгезии и смачиванием.
Структура поверхности наполнителя и кинетика заполнения пор
наполнителя.
Приемы увеличения работы адгезии.
Склеивание термопластов.
Склеивание реактопластов.
Сущность характеристик ПКМ, единицы их измерения.
Влияние структуры сетчатых полимеров на их прочностные
характеристики (р, и, уд).
Виды и назначение термообработок полимерных изделий.
Связь между химической структурой, составом и проницаемостью
полимерных материалов.
11
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
Причины композиционной неоднородности полимеров.
Классификация химических реакций в полимерах. Примеры
полимераналогичных
превращений
поливинилацетата,
целлюлозы, поливинилового спирта, стирола, полиамидов,
полиэтилена.
Циклизация полиизопрена, полиакрилонитрила.
Основные реакции при термической деструкции полимеров. На
примерах
полиметилметакрилат-полиметилакрилат,
поли-метил-стирол-полистирол
показать
конкуренцию
реакций
образования мономеров и полимеров пониженной молекулярной
массы.
Старение полимеров под действием излучений.
Старение полимеров в результате механических воздействий.
Старение полимеров под действием химически активных веществ.
Старение полимеров под влиянием кислорода.
Принципы стабилизации полимеров.
Влияние волокон-наполнителей на кинетику отверждения
связующих. Причины ускоряющего и замедляющего влияния
наполнителей.
Факторы, влияющие на инверсию характера влияния наполнителя.
Степень превращения термореактивного связующего и ее
вычитание.Параметр влияния наполнителей. Экспериментольное
определение массы переходных слоев на основе кинетических
данных.
Основные параметры топологической структуры сетчатых
полимеров, получаемых сшиванием олигомеров.
Влияние волокон-наполнителей на температуру стеклования и
структуру сетчатых полимеров при ускорении и замедлении
отверждения волокнами.
Изменение массы золя, молекулярной массы и размеров ячеек
сетки по ходу отверждения.
Влияние волокон-наполнителей на дефектность структуры
полимерных материалов.
Диффузионные процессы в системе волокнистый наполнитель –
связующее.
Характеристики переходных слоев в системе наполнитель –
связующее.
Вывод зависимости модуля упругости сетчатого полимера от
концентрации межузловых цепей.
Методы определения показателя оптической анизотропии
волокон.
12
9. Л И Т Е Р А Т У Р А
Основная
1. Студенцов В.Н. Теоретические основы переработки полимеров и
эластомеров: Учебное пособие. Саратов. Госуд. технический ун-т,
Саратов, 1995. – 70 с.
2. Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства
полимеров. М.: Высшая школа, 1979. – 350 с.
3. Перепелкин К.Е. Физико-химические основы процессов формования
химических волокон. – М.: Химия, 1978. – 320 с.
4. Гуль В.Е., Акутин М.С. Основы переработки пластмасс. – М.:
Химия, 1985. – 400 с.
5. Иржак В.И., Розенберг Б.А., Ениколопян Н.С. Сетчатые полимеры.М.: Наука, 1979. – 248 с.
6. Принципы создания композиционных полимерных материалов/
Ал.Ал.Берлин, С.А.Вольфсон, В.Г.Ошмян, Н.С.Ениколопов. – М.:
Химия, 1990. – 240 с.
7. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров.
М.: Химия, 1991. – 264 с. Межфазные явления в полимерах.
8. Вакула В.Л., Прыткин Л.М. Физическая химия адгезии полимеров. –
М.: Химия, 1984. – 224 с.
9. Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров. – М.:
Высшая школа, 1988. – 312 с.
Дополнительная
10. Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров
(механика процессов). – М.: Химия, 1977. – 462 с.
11. Янков В.И. и др. Процессы переработки волокнообразующих
полимеров. – М.: Химия, 1989. – 320 с.
9. Использование наглядных пособий,
ТСО, вычислительной техники
Дисциплина «Технология переработки полимеров», ч.1 обеспечивает
теоретическую подготовку к изучению конкретных технологий.
Необходимые для этого химияческие формулы, физико-математические
соотношения и графики, принципиальные технологические схемы
преподаватель воспроизводит мелом на доске традициолнным способом.
Электронно-микроскопические снимки структуры полимеров и внешний
13
вид некоторых аппаратов можно демонстрировать на фотографиях, т.к.
аудитория не велика (не превышает 50 чел.). Демонстрируются также
образцы полимерных материалов и изделия из них.
Вычислительную технику – калькуляторы и персональные
компьютеры – студенты используют на практических занятиях и при
выполнении расчетных заданий.
ПЛАН – ГРАФИК
рубежного контроля по курсу
«Технология переработки полимеров»
Модуль 1. Физико-химические основы переработки полимеров
через расплавы. Физико-химические основы переработки полимеров через
растворы и дисперсии. Физико-химические основы переработки
полимеров в кристаллическом, стеклообразном и высокоэластическом
состоянии: 02.10-07.10.
Модуль 2. Физико-химические основы химического сшивания
линейных полимеров и олигомеров. Теоретические основы создания
полимерных композиционных материалов.
Физико-химия
процессов
склеивания,
пропитывания
и
проклеивания: 06.11-11.11.
Модуль3. Взаимосвязь структуры и комплекса свойств полимерных
материалов. Реакционная способность полимеров. Теоретические основы
старения, деструкции и стабилизации полимерных материалов.
Совмешение компонентов
смешением: 18.12-23.12.
Распределение преподавателей
Должность, Ф.И.О.
преподавателя
Профессор Студенцов В.Н.
Лекции
Лабор.
занятия
34
Рабочую программу составил профессор
Практич.
занятия
17
Примечание
В.Н.Студенцов
14