Работа 4. Качественное определение природы полимера
методом сжигания
Цель работы: освоение метода распознавания природы полимерных материалов по характеру горения, внешним признакам.
Задания:
1. Установить внешние характерные признаки, отличающие отдельные виды полимерных материалов.
2. Научиться распознавать отдельные виды полимеров по характеру поведения их при нагревании, горении, по запаху продуктов горения.
3. Идентифицировать методом сжигания 14 – 15 видов пластмасс.
Методика выполнения
Поскольку отдельным видам полимеров свойственны определенный цвет, прозрачность, характер поверхности, блеск, упругость, эластичность и т.д., то по внешним признакам образцов материалов или изделий можно получить первое представление о природе полимеров.
Распознавание полимеров по характеру поведения при нагревании и горении является довольно простым и в то же время достаточно точным методом качественного определения природы полимеров. Метод основан на визуальном наблюдении за поведением образца при внесении его в верхнюю часть пламени горелки. По мере нагревания образцы термопластов постепенно размягчаются и плавятся, а реактопласты не размягчаются и не плавятся. Поэтому по отношению к нагреванию можно определить класс полимеров (термопласты, реактопласты). При дальнейшем нагревании образца происходит его загорание, сопровождающееся выделением продуктов разложения, которые обладают специфичным для отдельных полимеров запахом, позволяющим определять вид полимеров.
Прежде чем приступить к выполнению работы, следует детально ознакомиться с соответствующим теоретическим материалом, отобрать 15-20 образцов полимеров, внимательно осмотреть их, подробно охарактеризовать их внешний вид (характер поверхности, цвет, жесткость, прозрачность, характер излома и прочие признаки).
Захватив образец тигельными щипцами, следует внести его в пламя горелки; затем проведите наблюдение за нагреванием, размягчением и загоранием. При загорании образца удалите его из пламени горелки; если он плавится и съеживается, выдержите в огне до воспламенения, но не более 10 мин. Проведите наблюдения за загоревшимся материалом вне пламени горелки, определить окраску пламени, характер горения (спокойное, интенсивное, с копотью, прекращение горения и т.д.), отметьте запах продуктов горения и дополнительные признаки (например, способность вытягиваться в нити). Для определения запаха продуктов следует погасить пламя и легким движением кисти рук направить воздух от потушенного образца к носу.
На основании сравнения установленных признаков с данными, приведенными в таблице приложения, определите вид полимера во всех образцах, взятых для опыта.
Примерная схема определения:
1. Образец не воспламеняется, сохраняет свою форму, ощущается запах формальдегида. Если, кроме того, ощущается запах:
а) аммиака – это мочевиноформальдегидный полимер;
б) резкий (рыбы) – меламиноформальдегидный полимер;
в) фенола – фенолформальдегидный полимер.
2. Полимер горит в пламени горелки и гаснет при удалении из пламени. Если, кроме того, появляется:
а) запах жженой резины, широкая зеленая кайма пламени у основания – это хлорированный каучук; при небольшой зеленой зоне, перекрываемой желтой зоной – это хлоропрен;
б) резкий запах хлористого водорода и зеленая окраска – это производные поливинилхлорида;
в) сладковатый запах, зеленая окраска у основания пламени, черная зола – это поливинилхлорид;
г) запах горелого молока – это казеин;
д) запах уксусной кислоты, искры, расплавленная смола при попадании в воду образует тяжелые желто-коричневые зерна или хлопья – ацетилцеллюлоза.
3. Полимер горит после удаления из пламени; при этом наблюдается:
а) очень быстрое горение, запах камфоры – это целлулоид; без запаха камфоры – нитроцеллюлоза;
б) пламя голубое у основания и, кроме того, сильный сладковато-плодовый запах – это полиметилметакрилат;
запах горелых овощей – это полиамиды;
чуть сладковатый запах – поливинилформаль;
запах прогорклого масла, искрение – ацетобутират целлюлозы;
в) пламя с пурпурной каймой, искрение, запах уксусной кислоты – это поливилацеталь;
г) пламя яркое, желто-белое, запах: сладковатый (гиацинтов) – это полистирол или его сополимеры; слабый, чуть сладковатый – это поливинилформаль;
д) пламя окружено желто-зеленой каймой, смола долго горит, имеет сладковатый запах; расплавленная смола, падая в воду, образует диски цвета светлого дуба – это этилцеллюлоза.
Отчет оформляют по следующей форме:
| № | Внешний вид образца | Поведение при нагревании | Характер горения | Запах продуктов горения | Вид полимера |
Работа 5. Определение химической стойкости и твердости
пластмасс
Цель работы: ознакомиться с методами определения химической стойкости пластмасс.
Задания:
1. Изучить поведение различных пластмасс в органических растворителях, агрессивных химических и бытовых средах;
2. Охарактеризовать твердость пластмасс по минералогической шкале Мооса.
Общие сведения
Химическая стойкость является одной из важных характеристик пластмасс, поскольку от нее во многом зависит выбор основных областей применения. Большинство пластмасс отличаются высокой химической стойкостью и превосходят в этом отношении традиционные природные материалы: металлы, дерево и др. Химическая стойкость обусловлена особенностями строения полимеров, наличием или отсутствием функциональных групп, способных претерпевать превращения в среде различных реагентов, наличием и частотой поперечных сшивок и др. Наибольшей химической стойкостью по отношению к действию кислот и щелочей отличаются полимеризационные карбоцепные полимеры, не имеющие активных функциональных групп: полиолефины, полистирол, галоидсодержащие полимеры (поливинилхлорид, перхлорвинил, фторопласты). Последние по своей химической стойкости превосходят наиболее стойкий к агрессивным средам металл – золото, которое растворяется в “царской водке” (смеси азотной и соляной кислот), в то время как фторопласты выдерживают без заметных изменений 24-часовое кипячение в этом реагенте.
Поликонденсационные полимеры обычно имеют в основной цепи гетероатомы и обладают более низкой стойкостью в химических средах, что обусловлено взаимодействием полимера с реагентами, сопровождающимися разрушением цепи. Так, в полиамидах в кислой среде происходит гидролиз амидной группы в сильных кислотах и щелочах.
Химическая стойкость карбоцепных полимеров с функциональными группами зависит от химической активности последних. В таких полимерах под действием химических агентов происходит взаимодействие функциональных групп при сохранении основной цепи. Так, полиакрилонитрил неустойчив в концентрированных кислотах и щелочах из-за омыления нитрильной группы и образования полиакриловой кислоты. То же происходит с полиметилметакрилатом, который вследствие гидролиза сложных групп превращается в полиметакриловую кислоту; поливинилацетат в аналогичных условиях переходит в поливиниловый спирт.
Растворимость полимеров, как и химическая стойкость, зависит от особенностей строения, наличия разветвлений, поперечных сшивок, присутствия полярных групп, длины макромолекулы и других фактов.
Чем меньше разветвлений в макромолекуле, больше ее длина и больше полярных групп, тем выше степень межмолекулярного взаимодействия и ниже растворимость полимеров. Растворимость уменьшается при увеличении упорядоченности макромолекул и повышении частоты поперечных сшивок. Кристаллические полимеры, как правило, обладают меньшей растворимостью, чем аморфные того же химического строения. Отвержденные термореактивные смолы обычно не растворяются и даже не набухают в растворителях.
Пластические массы, используемые как конструкционные материалы, должны обладать высокой химической стойкостью по отношению к тем средам, с которыми изделия контактируют в процессе эксплуатации: мыльно-содовым растворам, растворителям, растворам кислот, пищевым средам. Поэтому знание химической стойкости пластических масс является обязательным для специалиста. Оно позволяет установить правильность выбора пластмасс для изготовления тех или иных изделий.
Методика выполнения
1. В работе проводится определение химической стойкости пластических масс по отношению к растворителям, растворам кислот и щелочей (концентрированным и разбавленным), бытовым химическим средам (мыльно-содовому раствору, уксусному раствору) по визуально определенным изменениям образцов при выдержке в соответствующих средах в течение установленного времени при определенной температуре.
Образцы пластмасс помещаются в пробирки с соответствующим реагентом и выдерживаются в них в течение двух часов при комнатной температуре, периодическом перемешивании стеклянной палочкой или встряхивании. По окончании выдержки осторожно сливают реагент, вытряхивают содержимое пробирок на керамическую пластинку и при внешнем осмотре образцов устанавливают изменения: растворение, набухание, изменение характера поверхности, вымывание пластификатора, изменение цвета и др. Естественно, полученные результаты дают только ориентировочное представление о химической стойкости пластмасс.
Точные данные о химической стойкости получают при испытании образцов стандартных размеров по изменению веса, размеров, физико-механических свойств в условиях, установленных соответствующими стандартами.