Механические свойства полимеров
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 = 
qn(i)Mi,
где qn(i) - числовая
доля молекул с ММ Mi.
Среднемассовая ММ полимера w выражается
соотношением:
w = qw(i)Mi,
где qw(i) - массовая
доля молекул с ММ Mi.
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 (Mз) 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 (зотн). Приняв равными
плотности растворителя и раствора полимера в том же растворителе, рассчитывают
зотн через время истечения растворителя t0 и раствора t:
зотн = t/t0
Через зотн рассчитывают
удельную (зуд) и приведенную (зпр) вязкости:
зуд = зотн -
1, зпр = зуд/с,
где с - концентрация раствора
полимера, выраженная в граммах на 100 мл.
Зависимость приведенной вязкости от
концентрации для разбавленных растворов полимеров (зотн = 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:
зпр = [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
|
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 25оС, К = 0, 75*10-4,
б = 0,7, время истечения растворителя (t0)
59,1 сек, Снач = 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 40оС, К = 11,02*10-4,
б = 0,49, время истечения растворителя (t0)
76,0 сек, Снач = 0,01103 г/дл.
Приведенную вязкость рассчитали по формулам:
зотн = t/t0,
зуд = зотн - 1, зпр = зотн/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 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».