Лабораторная работа № 1 методы определения плотности и удельного объёма полимеров

Цель работы: провести определение плотности и удельного объёма предлагаемых полимеров.

Приборы и оборудование, материалы и реактивы: образцы полимеров в виде стандартных брусков размером 120±215±0,210±0,2 мм или образцы произвольной формы, весы с точностью до 0,01 г, набор разновесов, стакан ёмкостью 500 мл, дистиллированная вода, стеклянный стакан цилиндрической формы ёмкостью 30 мл, мензурка (мерный цилиндр) на 50 мл, линейка.

Теоретическое введение

Физические свойства полимеров (плотность, температуры плавления и стеклования, механическая прочность, твёрдость, эластичность, растворимость, вязкость расплава и раствора и др.) зависят от их химического строения, молекулярной массы, молекулярно-массового распределения, наличия низкомолекулярных примесей и модифицирующих добавок.

Полимеры одинакового химического строения, полученные в разных условиях, могут отличаться по физико-механическим свойствам, поскольку они неоднородны по молекулярной массе и молекулярно-массовому распределению. Определение физических свойств полимеров позволяет сделать выводы об их строении, молекулярной массе и молекулярно-массовом распределении, правильно выбрать метод и условия переработки в изделия.

Плотностью полимера называется отношение его массы, выраженной в килограммах (граммах), к объёму, выраженному в кубических метрах (сантиметрах), или масса единицы объёма. Плотность выражается в кг/м³ (г/см³).

Полимеризационные пластические массы являются сравнительно лёгким материалом. Плотность их находится в пределах 0,9 г/см³ (полипропилен) до 2,35 г/см³ (фторопласты). Большинство полимеров легче металлов в 5-6 раз. Поро- и пенопласты имеют плотность значительно менее 1 г/см³.

Плотность полимера является одной из его важнейших физических характеристик. Её необходимо учитывать при разработке конструкции полимерного изделия и оборудования для переработки полимеров. Определение плотности часто производят при проведении идентификации полимерных материалов.

Удельным объёмом называют отношение объёма материала к его массе. Удельный объём обычно определяют для порошкообразных полимерных материалов (при их свободном насыпании) и выражают в м³/кг (см³/г). Удельный объём порошка полимера или полимерного материала (пресс-порошка) необходимо учитывать при выборе режима переработки материала в изделие и при разработке конструкции пресс-формы. Порошкообразный материал тем легче поддаётся переработке (прессование, таблетирование, литьё под давлением и т.д.), чем меньше его удельный объём. Такой порошок содержит меньше воздуха, который препятствует получению качественных изделий. Чем меньше удельный объём порошка, тем меньше должен быть размер загрузочной камеры пресс-формы. Удельный объём порошка полимерного материала требуется знать для определения объёмов бункеров перерабатывающего оборудования и ёмкостей, предназначенных для хранения и транспортировки сырья.

Удельный объём порошка полимерного материала зависит от плотности и формы отдельных частиц, гранулометрического состава (размера частиц и их количественного соотношения), влажности, а также условий транспортировки и продолжительности хранения сырья.

Методика проведения работы

Опыт 1. Определение плотности полимера

Плотность полимера определяют путём гидростатического взвешивания образцов. Метод гидростатического взвешивания основан на определении объёма тела путём взвешивания тела в воде. Вес тела в воде уменьшается согласно закону Архимеда, на величину веса, вытесненного телом объёма воды. Учитывая, что плотность воды приблизительно равна 1 г/см³ (при 20 ^оС плотность воды равна 0,9983 г/см³), величина выталкивающей силы в г, т.е. разность между весом тела в воздухе и весом в воде будет численно равна объёму тела в см³.

Методом взвешивания образца в воде можно определять плотность полимеров и полимерных материалов, имеющих более 1 г/см³. Плотность полимеров, имеющих величину менее 1 г/см³ и всплывающих в воде (например, различные марки полиэтилена и полипропилена), можно определить путём взвешивания в жидкости, обладающей плотностью меньшей, чем предполагаемая плотность полимера. В выбранной жидкости образец полимера не должен растворяться или набухать. Чаще всего для указанной цели используют этиловый спирт ( = 0,7936 г/см³) или петролейный эфир (лёгкий бензин), имеющий плотность около 0,7000 см³.

Образец полимера (брусок или изделие из полимера), имеющий комнатную температуру (около 20 ^оС), прикрепляют с помощью тонкой металлической проволоки к коромыслу лабораторных весов (рис. 1.1), обладающих точностью до 0,01 г, и выполняют взвешивание. Следует учитывать, что проволоку необходимо прикреплять не к самому коромыслу, а к подвеске чашки весов.

Затем производят взвешивание образца в воде. Для этого стакан, наполненный дистиллированной водой с температурой 20 ^оС, устанавливают на специальную под­ставку, которая не должна касаться чашки весов. Образец погружают в подставленный стакан. При погружении образца в воду следят за тем, чтобы на его поверхности и на проволоке не было пузырьков воздуха, а сам образец был погружён в воду полностью и не касался дна и стенок стакана.

Плотность образца полимера рассчитывают по формуле:

, (1.1)

где a – масса образца в воздухе, г;

b – масса образца в воде, г;

– плотность воды при 20 ^оС (0,9983 г/см³).

За результат принимают среднее арифметическое из трёх определений.

Рис. 1.1. Прибор для определения плотности образцов

методом гидростатического взвешивания:

1 – коромысло весов; 2 – проволока; 3 – образец; 4 – стакан с водой

Опыт 2. Определение удельного объёма порошков полимеров

Испытуемый материал насыпают без встряхивания и уплотнения в предварительно взвешенный цилиндрический стакан. Избыток материала срезают линейкой вровень с краем стакана, затем наполненный сосуд взвешивают с точностью до 0,01 г. После удаления полимера из стакана определяют объём последнего. Для этого дистиллированную воду наливают в стакан ровно с его краями, переливают её в мензурку (мерный цилиндр) и определяют объём в мл (см³). Результат от деления объёма в см³ на массу порошка в г выражает удельный объём порошкообразного полимера:

, (1.2)

где х – удельный объём, см³/г;

V – объём порошка, см³ (1 см³ = 1 мл);

а – масса порошка, г.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение плотности полимеров. В каких пределах может находиться плотность полимеров и полимерных материалов?

2. Что такое удельный объём полимерного материала? В каких единицах он измеряется? С какой целью определяют плотность полимера или удельный объём полимерного материала?

3. На каком физическом законе основан метод определения плотности полимера путём гидростатического взвешивания?

4. По какой формуле определяют плотность полимера при гидростатическом взвешивании? По какой методике определяют удельный объём порошков полимеров?