Механические свойства полимеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Химический факультет

Кафедра высокомолекулярных соединений и коллоидной химии

Отчёт

о выполнении лабораторной работы

«Механические свойства полимеров»

Выполнила:

студентка гр. 231(2)

Шилягина Ольга

Нижний Новгород 2011 год

Цель работы:

Изучить прочность полиэтиленовой плёнки при деформации растяжения и процесс релаксации напряжения. Построение деформационной и релаксационной кривой

Реактивы и оборудование:

Разрывная машина

Вырубной нож

Механический лабораторный пресс

Микрометр

Секундомер

Теоретическая часть:

Важнейшей характеристикой полимера является его молекулярная масса (ММ). От этой величины зависят размеры макромолекул, а также многие свойства полимеров (прочность, растворимость, вязкость растворов и т. д.). Строго определенную и одинаковую ММ для каждого конкретного полимера имеют только макромолекулы природных высокомолекулярных соединений, таких, например, как белки и нуклеиновые кислоты. Синтетические полимеры состоят из макромолекул разной длины, что обусловлено цепным характером процесса их синтеза. Это специфическое свойство полимеров называется полидисперсностью, а макромолекулы одного химического состава, но с разной ММ, называются полимергомологами. В связи с этим ММ полимерного образца является усредненной величиной (). Распределение макромолекул по ММ обычно представляют в виде кривых молекулярно-массового распределения (ММР). Величина средней ММ зависит от способа усреднения, определяемого выбранной методикой определения ММ.

Среднечисловая ММ полимера _n равна отношению суммарной массы макромолекул к их общему числу:

_n = q_n(i)M_i,

где q_n(i) - числовая доля молекул с ММ M_i.

Среднемассовая ММ полимера _w выражается соотношением:

_w = q_w(i)M_i,

где q_w(i) - массовая доля молекул с ММ M_i.

Среднемассовую ММ определяют методами светорассеяния, ультрацентрифугирования, гель-проникающей хроматографии. Также для определения ММ широко используют вискозиметрический метод, который прост и не требует сложного оборудования. Он основан на зависимости относительной вязкости растворов полимеров от ММ. Среднезязкостная ММ (M_з) равна:

,

где а - эмпирическая постоянная для данной системы полимер - растворитель при определенной температуре.

Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление течению, т. е. внутреннее трение. Рассмотрим жидкость, текущую ламинарно по цилиндрической трубке. У стенок трубки возникает трение. Скорость перемещения слоев жидкости максимальна вдоль оси трубки и минимальна вдоль ее стенок. Измерение вязкости основано на истечении жидкости или жидкого раствора через узкие капилляры и наблюдении за временем истечения. При условии ламинарности потока справедливо уравнение Пуазейля:

,

где r и l - радиус или длина капилляра, V - объем жидкости, протекающей через капилляр (объем шарика вискозиметра) за время t, Дp - разность давлений на концах капилляра.

Для разбавленных растворов полимеров обычно определяют относительную вязкость (з_отн). Приняв равными плотности растворителя и раствора полимера в том же растворителе, рассчитывают з_отн через время истечения растворителя t₀ и раствора t:

з_отн = t/t₀

Через з_отн рассчитывают удельную (з_уд) и приведенную (з_пр) вязкости:

з_уд = з_отн - 1, з_пр = з_уд/с,

где с - концентрация раствора полимера, выраженная в граммах на 100 мл.

Зависимость приведенной вязкости от концентрации для разбавленных растворов полимеров (з_отн = 1.1 - 1.5) имеет прямолинейный характер. Экстраполируя эту зависимость к нулевой концентрации, получаем предельное значение вязкости, которое называют характеристической вязкостью. [з]:

[з] = .

Зависимость между величиной характеристической вязкости и ММ выражается формулой Хаггинса:

з_пр = [з] + К'[з]²с,

где K' - вискозиметрическая константа Хаггинса, определяемая эмпирически.

Флори и Фокс установили зависимость характеристической вязкости от размера макромолекулы:

Также для расчета ММ применяется уравнение Марка - Куна - Хаувинка, которое было получено эмпирически.

,

где К - постоянная, зависящая от природы растворителя, полимера и температуры; а - постоянная, определяемая конформацией макромолекул в растворе. Величины К и а определены для многих полимеров в различных и приведены в справочной литературы.

Практическая часть:

Для определения средневязкостной ММ полимера (полиметилметакрилата) использовали вискозиметр. Исследуемую жидкость заливали в резервуар с помощью пипетки. Вискозиметр установили вертикально в стеклянном термостате, предварительно нагретом до необходимой температуры, при этом следили за тем, чтобы расширение стеклянной трубки находилось ниже уровня воды в термостате. Перед каждым измерением исследуемую жидкость термостатировали 5 - 10 минут и ею промывали капилляр и измерительный шарик 2 - 3 раза.

Произвели измерения для раствора в ацетоне и толуоле. Полученные данные занесли в Таблицы 1 и 2.

Таблица 1. Экспериментальные данные времени истечения раствора ППМА в ацетоне различной концентрации

Объём раствора, мл	Время истечения раствора, с	зотн=t/t0	зуд=зотн-1	С (ПММА)	зпр=зуд/С
10	86,1	1,457	0,457	0,01526	29,94
12	79,2	1,340	0,340	0,0127	26,78
14	76	1,286	0,286	0,0109	26,23
16	73	1,235	0,235	0,0095	24,76
20	69	1,168	0,168	0,0076	22,04

Данные приведены для системы метилметакрилат-ацетон при температуре 25^оС, К = 0, 75*10^-4, б = 0,7, время истечения растворителя (t₀) 59,1 сек, С_нач = 0,01526 г/дл.

Таблица 2. Экспериментальные данные времени истечения раствора ППМА в толуоле различной концентрации

Объём раствора, мл	Время истечения раствора, с	зотн=t/t0	зуд=зотн-1	С (ПММА)	зпр=зуд/С
10	112	1,474	0,474	0,01103	42,95
12	108	1,421	0,421	0,00919	45,81
14	104,6	1,376	0,376	0,00788	47,76
16	100	1,316	0,316	0,00689	45,81
20	96	1,263	0,263	0,00552	47,72

Данные приведены для системы метилметакрилат-толуол при температуре 40^оС, К = 11,02*10^-4, б = 0,49, время истечения растворителя (t₀) 76,0 сек, С_нач = 0,01103 г/дл.

Приведенную вязкость рассчитали по формулам:

з_отн = t/t₀, з_уд = з_отн - 1, з_пр = з_отн/с

Характеристическую вязкость рассчитали с помощью экстраполяции к нулевой концентрации графика зависимости приведенной вязкости раствора полиметилметакрилата в воде от концентрации.

Она составила 15,15 дл/г для раствора ПММА в ацетоне (Рисунок 1) и 52,21 для раствора ПММА в толуоле (Рисунок 2)

Рисунок 1. Графическая зависимость приведённой вязкости от концентрации ПММА в ацетоне

Рисунок 2. Графическая зависимость приведённой вязкости от концентрации ПММА в толуоле

Средневязкостную ММ рассчитали по уравнению Марка - Куна - Хаувинка, среднеквадратичное расстояние между концами цепи рассчитали по формуле Флори - Фокса, также рассчитали среднеквадратичный радиус инерции.

Для раствора ПММА в ацетоне:

~ 37 937 908 (г/моль)

Для раствора ПММА в толуоле:

~3 483 243817 (г/моль)

Вывод

Характеристическая вязкость раствора ПММА в ацетоне составила 15,15 дл/г, средневязкостная молекулярная масса составила 37937908 г/моль, среднеквадратичное расстояние между концами цепи составило 5,87*10^-5 см, среднеквадратичный радиус инерции составил 2,34*10^-5

Характеристическая вязкость раствора ПММА в толуоле составила 52,21 дл/г, средневязкостная молекулярная масса составила 3483243 817 г/моль, среднеквадратичное расстояние между концами цепи составило 4*10^-4 см, среднеквадратичный радиус инерции составил 1,63*10^-4

молекулярный полимер вязкость ацетон

Список литературы

1. Семчиков Ю.Д., Зайцев С.Д. Введение в химию и физику полимеров. - Изд-во ННГУ, Нижний Новгород, 2007.

2. Семчиков Ю.Д. Высокомолекулярные соединения. 2003. М.: Издательский центр «Академия».

Размещено на Allbest.ru