Физика волокон (стр. 1 )

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Физика волокон

Лабораторный практикум

РПК «Политехник»

Волгоград

2007

УДК 678.7/.8(076.5)

Г 12

Рецензенты: исполнительный директор им. Косыгина ; директор Камышинкого филиала СГА, профессор

Гаврилов волокон: Лабораторный практикум / ВолгГТУ, Волгоград, 2007. – 44 с.

ISBN -8

Излагаются краткая теория и методика выполнения лабораторных работ, иллюстрирующих фазовые и физические состояния полимеров, взаимодействие волокон с жидкостями и их парами, свойства растворов полимеров и физические свойства волокон.

Предназначается студентам, обучающимся по направлению 551200 «Технология и проектирование текстильных изделий» (дневная форма обучения).

Ил. 25. Табл. 13. Библиогр.: 6 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета.

Михаил Семенович Гаврилов

Физика волокон

Лабораторный практикум

Под редакцией автора

Темплан 2007 г., поз. № 63.

Подписано в печатьг. Формат 60×84 1/16.

Бумага листовая. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 2,75. Усл. авт. л. 2,63.

Тираж 100 экз. Заказ №

Волгоградский государственный технический университет

400131 Волгоград, просп. им. , 28.

РПК «Политехник»

Волгоградского государственного технического университета

400131 Волгоград, ул. Советская, 35.

ISBN -8 Ó Волгоградский

государственный

технический

университет, 2007

Содержание

	Введение.................................................................................................	4
	Раздел I. Фазовые и физические состояния полимеров.....................	5
	Лабораторная работа № 1.1..................................................................	7
	Лабораторная работа № 1.2..................................................................	9
	Раздел II. Взаимодействие волокон с жидкостями и их парами......	13
	Лабораторная работа № 2.1..................................................................	19
	Лабораторная работа № 2.2..................................................................	23
	Лабораторная работа № 2.3..................................................................	27
	Раздел III. Растворы полимеров...........................................................	30
	Лабораторная работа № 3.1..................................................................	35
	Лабораторная работа № 3.2..................................................................	37
	Раздел IV. Деструкция волокон...........................................................	41
	Лабораторная работа № 4.1..................................................................	42
	Литература............................................................................................	44

Введение

1.  Цели и задачи практикума по физике волокон

Основная цель лабораторного практикума по физике волокон: создать у студентов основы знаний о возможности получения текстильных материалов с комплексом свойств, обусловленных видом перерабатываемого сырья и предысторией его получения. В процессе выполнения лабораторных работ студенты знакомятся с основными понятиями, ториями в области физики полимеров, изучают физические свойства волокон. После изучения теоретических основ и выполнения лабораторных работ студент должен уметь прогнозировать основные физико-механические свойства проектируемых им тканей на основе природных и химических волокон.

2.  Организация и порядок выполнения лабораторных работ

Лабораторные работы выполняются каждым студентом индивидуально. Прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы, студент должен тщательно изучить содержание работы и порядок ее выполнения, повторить теоретический материал, связанный с выполнением данной работы, подготовить таблицы с необходимым количеством граф для занесения результатов измерений и вычислений. Студент должен иметь отдельную рабочую тетрадь для записей и составления отчета по работе. Лабораторная работа завершается составлением отчета и собеседованием с преподавателем. Если отчет содержит необходимые схемы, таблицы и графики и, если студент ответил на вопросы преподавателя, лабораторная работа засчитывается.

3.  Техника безопасности при работах в лаборатории

Лабораторные установки для выполнения работ являются действующими установками, отдельные элементы которых находятся под напряжением, а в емкостях находятся огнеопасные и агрессивные жидкости. Поэтому при определенных условиях, возникающих из-за нарушения установленных правил, лабораторные установки могут стать источником поражения человека электрическим током, парами ядовитых веществ, получения термических и химических ожогов. При выполнении лабораторных работ обязательно соблюдение мер техники безопасности, о которых преподаватель предупреждает студентов при проведении инструктажа. Студенты, не прошедшие инструктаж по технике безопасности, к работе в лаборатории не допускаются.

Раздел I. Фазовые и физические состояния полимеров

Деформационные свойства полимеров определяются гибкостью макромолекул, надмолекулярной структурой полимера, фазовым и физическим состоянием полимера. Зависимость деформации от температуры называется термомеханической кривой. На рис.1.1 приведена термомеханическая кривая, типичная для аморфного полимера.

Рис. 1.1. Зависимость e = f(T) для аморфного полимера

Аморфные полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном (аb), высокоэластичном (bсd) и вязкотекучем (de). Переход из одного состояния в другое осуществляется при повышении температуры. Эти переходы хорошо заметны на термомеханической кривой: Тс – температура стеклования, Тт – температура текучести.

В общем случае полная деформация полимера складывается из трех видов деформации: у – упругой, вэ – высокоэластичной и п –пластической. Ниже температуры стеклования проявляется в основном только упругая составляющая. Она соответствует гуковской деформации твердых тел и обусловлена обратимым изменением валентных углов и межатомных расстояний:

s = Е e,

где s - приложенное напряжение,

e - относительная деформация,

Е – коэффициент пропорциональности.

Всякая деформация вызывает напряжения в структуре полимера. Для релаксации (рассасывания) напряжений необходима перестройка в структуре вещества. Если температура опыта мала или скорость деформации велика, то за время действия нагрузки перестройка ближнего порядка не успевает осуществляться. Этим определяется обратимость упругой деформации. Увеличение деформации при повышении температуры в области Тс (участок bc) означает, что время релаксации ближнего порядка становится соизмеримым с временем деформации. При этих условиях в полимерных телах, построенных из длинных молекулярных цепей, упругость сохраняется, но теперь она приобретает иной характер. Выше Тс отдельные участки (сегменты) макромолекул получают возможность перемещаться друг относительно друга, реагируя на внешнее воздействие. Это сопровождается изменением состояния конформации цепных молекул, уменьшением энтропии и отклонением системы от термодинамического равновесия. При этом энтропийные силы действуя против внешних сил стремятся вернуть систему в состояние равновесия. Этим обусловлено сохранение упругости в полимерных телах выше температуры стеклования. Возникающие при этом обратимые деформации называются высокоэластичными вэ .

Энергии активации, необходимые для перемещения участков сегментов макромолекул, могут быть различными, ибо размеры перемещающихся участков различны. Так как время релаксации определяется энергией активации, то в реальных полимерах существует целый набор времен релаксации. О ширине этого набора можно судить по величине температурного интервала, в котором происходит увеличение высокоэластической деформации.

Горизонтальный участок кривой e = f(Т), начинающийся после подъема и продолжающийся вплоть до Тт ( участок cd), соответствует высокоэластическому состоянию полимера. Несмотря на повышение температуры деформация остается постоянной, так как весь релаксационный набор, связанный с перемещением отдельных участков цепей, успевает реализоваться за время деформации.

Температура стеклования перестает зависеть от длины цепи, как только эта длина в среднем станет равной величине кинетического сегмента молекулы полимера. Пластическая деформация (вязкое течение) возникает тем раньше (при тем низшей температуре Тт ), чем меньше длина цепей полимера. Следовательно, разность Тт – Тс может характеризовать молекулярную массу полимера: чем больше молекулярная масса, тем больше величина этой разности и тем длиннее горизонтальный участок термомеханической кривой.

Установлено соотношение

где М – молекулярная масса полимера;

МСГ – масса сегмента макромолекулы;

А и В – постоянные, зависящие от структуры макромолекулы;

ТТ – температура текучести;

ТС – температура стеклования.

Существуют дифференциальные и интегральные методы термомеханических исследований. Дифференциальные методы регистрируют изотермические деформации, развивающиеся под действием постоянного напряжения в течение стандартного времени при различных температурах, заполняющих достаточно плотно весь доступный их интервал. Интегральные методы регистрируют деформации, развивающиеся при постоянном напряжении, действующие в течение всего процесса измерения, длительность которого определяется заданной скоростью нагревания образца. В этом случае деформация развивается непрерывно, а ее изменения характеризуют суммарный (интегральный) результат действия механических сил, начиная с момента их приложения.

Лабораторная работа № 1.1

Определение температурной зависимости деформации волокон

Цель работы: освоить термомеханический метод определения зависимости деформации волокон от температуры; построить термомеханическую кривую для исследуемого волокна и определить температуры переходов.

Прибор для термомеханических исследований (рис. 1.2) состоит из лабораторного штатива (1), электропечи (2), термометра (3), исследуемого волокна (4), деформирующего груза (5) и шкалы (6).

Рис. 1.2. Прибор для термомеханических исследований

Порядок выполнения работы

Получить у лаборанта образец волокна для исследований и рассчитать массу деформирующего груза, которая должна составлять 10 – 20 % от разрывной нагрузки, значение которой находится в справочных таблицах.

Собрав прибор, как показано на рис. 1.2, измеряют зажимную длину волокна, отмечают начальную длину волокна по шкале (6) и начальную температуру по термометру (3). Включают электропечь в сеть и отмечают длину волокна по шкале (6) через каждые 5°С. Нагревание продолжают до обрыва волокна. Результаты эксперимента заносят в таблицы 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1

Исследуемое волокно - ……………………
Температура, °С	25	30	35	40	45	50	……	200	205	210
Длина волокна, мм							……
Относительная деформация							……

Относительную деформацию рассчитывают по формуле:

Таблица 1.2

Исследуемое волокно –	Справочное значение параметра	Экспериментальное значение параметра
Зажимная длина, мм
Разрывная нагрузка, сН/текс
Масса деформирующего груза, г.
Линейная плотность, текс
Температура стеклования, °С
Температура текучести, °С
Температура плавления, °С

По данным таблицы 1.1 строят термомеханическую кривую, по ней находят температуру стеклования и температуру текучести, как это показано на рис. 1.1.

Контрольные задания и вопросы

1. Рассчитайте молекулярную массу полимера (значение констант А, В и МСГ получите у преподавателя).

2. По характеру термомеханической кривой определите, к какому типу относится исследуемый полимер (аморфный, сшитый, кристаллический).

3. Чем отличается дифференциальная термомеханическая кривая от интегральной?

4. Какими показателями характеризуются деформационные (упругие и релаксационные) свойства полимеров в стеклообразном, высокоэластичном, вязкотекучем и кристаллическом состояниях? Объясните особенности деформирования полимеров в различных фазовых и физических состояниях.

Лабораторная работа № 1.2

Определение температур фазовых переходов в волокнах методом дифференциального термического анализа (ДТА)

Цель работы: изучить методику определения теплоты фазовых переходов в полимерах и найти температуры переходов; провести термический анализ полимера; по полученной термограмме определить теплоты и температуры переходов.

Дифференциальный термический анализ (ДТА) – один из чувствительных методов фазового анализа – получил в настоящее время широкое распространение для исследования полимеров. Этот метод позволяет определить температуру перехода, тепловой эффект процесса, исследовать влияние механических, термических, радиационных и других воздействий на полимеры и полимерные материалы (волокна, пленки, пластмассы).

Наблюдаемые в полимерах переходы можно разделить на переходы первого рода (эндотермические или экзотермические) и переходы второго рода при Тс и Тт. Для этих типов переходов на рис. 1.3 и 1.4 приведены графики температурной зависимости изменения энтальпии DH, удельной теплоемкости Ср и дифференциальные термограммы.

Измерения температуры в процессе нагревания или охлаждения полимера обычно осуществляются при помощи термопар или регистрирующих устройств с автоматической записью.

Вещество, которое необходимо исследовать, и вещество сравнения (эталон) помещают в два разных тигля 1 и 2, изготовленных из жаростойкого материала. Эти тигли размещают в соответствующих гнездах термоблока 3, позволяющего с помощью электронагревателя повышать его температуру (рис. 1.5). В тигли помещают “горячие” концы дифференциальной термопары 4 и 5, соединенные таким образом, что возникающие в них термо - э. д.с. имеют противоположные направления (например, при нагревании спая в правой термопаре ток идет от А к В, а во второй – от С к В). Эти термо - э. д.с. при равенстве температур будут взаимно компенсированы и на ленте потенциометра фиксируется нулевая линия, соответствующая отсутствию тока в цепи. В том случае, когда в исследуемом веществе будут происходить какие-либо превращения, сопровождающиеся тепловым эффектом, температура будет отличаться от температуры, задаваемой в общем термоблоке и, следовательно, в эталоне. В этом случае возникает разность термо-э. д.с. и во внешней цепи возникает ток (дифференциальный), фиксируемый на ленте потенциометра.

Одна из ветвей дифференциальной термопары (например 5) может служить в качестве простой термопары для фиксации температуры внутри тигля в процессе нагревания вещества.

Рис. 1.3. Зависимость , “а” и деффиренциальная термограмма “б” для аморфного полимера

Рис. 1.4. Зависимость , и деффиренциальная термограмма для кристаллического полимера

Порядок выполнения работы

Исследуемое волокно в количестве 50 мг помещают в тигель, а затем последний – в термоблок. Проверяют наличие эталонного вещества во втором тигле и его количество. В случае необходимости вносят дополнительно во второй тигель эталонное вещество в таком количестве, чтобы масса эталона была равна массе исследуемого вещества. В качестве эталона обычно применяют асбестовое волокно. Холодные спаи термопар помещают в сосуд с тающим льдом. Включают регистрирующее устройство. После проверки преподавателем правильности сборки включают прибор в сеть.

На ленте потенциометра появляется термограмма, характеризующая изменение температуры и разности потенциалов в процессе нагревания волокна, как показано на рис. 1.6.

Если в составе прибора отсутствует регистрирующее устройство (самописец), а прибор оборудован милливольтметром и термометром, то через каждые 5°С снимают показания термометра, милливольтметра, часов и заносят их в таблицу 1.3.

Таблица 1.3

Исследуемое волокно - ……………………
Температура, °С	5	10	15	20	25		290	295	300
Разность потенциалов, мВ
Время, мин