Название: лабораторные работы по химии (В.Н. Паутов, Г.К. Лупенко )

Жанр: Химия

Просмотров: 1629


10.  физико-химические свойстваполимерных материалов

 

Цель работы

 

Изучение физико-химических свойств полимерных мате-риалов.

 

Теоретическое введение

 

Полимеры – химические соединения, макромолекулы которых состоят из многократно повторяющихся атомных группировок (элементарных звеньев), соединенных химическими связями. Упрощенно синтез полимера можно представить уравнением

 

nA ® (-A-)n,

 

где А – мономер; -А- – элементарное звено полимера; n – степень полимеризации, т. е. число мономерных звеньев в макромолекуле полимера. Полимерные материалы можно разделить на четыре типа.

1. Пластмассы – материал, содержащий в своем составе полимер, который в период формирования находится в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии , а при эксплуатации – в стеклообразном или кристаллическом (полиэтилен – ПЭ, полистирол – ПС, поливинилхлорид –ПВХ).

2. Эластомеры (каучуки, резины).

3. Волокна, нити, нетканые материалы (капрон, лавсан, нейлон).

4. Пленка, лаки (новолачная фенолформальдегидная смола – ФФС, эпоксидная смола).

Полимеры классифицируют по следующим признакам:

1. По происхождению:

а) природные (натуральный каучук, клетчатка, белки);

б) искусственные или модифицированные (нитро- и ацетилцеллюлоза, получаемые из клетчатки после ее химической обработки (нитрование, ацетилирование);

в) синтетические, синтезируемые из мономеров с помощью реакций полимеризации и поликонденсации (полиэтилен – ПЭ, полистирол – ПС, поливинилхлорид – ПВХ, капрон).

2. По внутреннему строению цепи атомов:

а) линейные;

б) сетчатые (пространственные).

Линейные полимеры представляют собой длинные цепи из многих последовательно соединенных мономеров. Когда же такие цепи соединяются друг с другом поперечными связями, образуется сетка из соединенных в разных направлениях мономеров, и таким образом получается пространственный полимер.

Указанные полимеры различаются по растворимости (линейные растворимы во многих растворителях, сетчатые нерастворимы), по прочности (пространственные обладают большей прочностью), по способности плавиться (молекулы линейных полимеров при нагревании отделяются друг от друга, поэтому такое вещество плавится; в пространственном полимере все мономеры связаны в единую молекулу, поэтому, как правило, такой полимер при нагревании не плавится).

К линейным полимерам относятся: ПЭ, ПС, ПВХ, каучуки, новолачная ФФС, капрон.

К сетчатым – резина, эбонит (рис. 5). Резина и эбонит различаются густотой химических связей между макромолекулами:

Резина                                                        Эбонит

 

Рис. 5. Примеры сетчатых полимеров

 

3. По химическому составу основной цепи:

а) карбоцепные – цепи построены только из атомов углерода. Например,

 

(-Н2С-СН2-)n;                                 (-Н2С-СН-)n;

                                                                  ½

ПЭ                                              ПС      С6Н5

   

(-Н2С-СН-)n;                            (-Н2С-СН=СН-СН2-)n;

          ½

          Сl

ПВХ                                         дивиниловый каучук

 

б) гетероцепные – цепи макромолекул содержат кроме атомов углерода атомы других элементов (N,O,S).

Например: Н[-NH-(CH2)5-C-]nOH.

                                             ||

                      капрон          О

 

4. По отношению к нагреванию:

а) термопластичные полимеры при нагревании расплавляются, а при охлаждении вновь затвердевают (ПЭ, ПС, ПВХ, новолачная ФФС);

б) термореактивные полимеры при нагревании до определенной температуры переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Такие полимеры имеют сетчатую структуру (резина, эбонит).

Полимерные материалы можно распознавать по их свойствам.

Полиэтилен (ПЭ) – твердое, белое, жирное на ощупь вещество, легче воды (пл. 0,92). Горит синеватым пламенем без копоти, размягчается при 105…130 оС.

Поливинилхлорид (ПВХ) размягчается и плавится при 50…

70 оС. При горении выделяется НСl. Горение сопровождается выделением копоти. В концентрированных кислотах сжимается и чернеет.

Полистирол (ПС) – твердый, хрупкий, прозрачный или непрозрачный полимер (пл. 1,05). Горит коптящим пламенем, выделяя резкий запах. Термопластичен. Размягчается и деформируется при 80 оС.

Полиметилметакрилат (органическое стекло) – прозрачен. Горит голубым пламенем без копоти с потрескиванием, давая эфирный запах. Не хрупок. Растворяется в дихлорэтане.

Фенолформальдегидные смолы (ФФС) обычно темных цветов, неплавки, нерастворимы. Внесенные в пламя горят, но вынесенные из пламени потухают.

 

Экспериментальная часть

 

Опыт 1.  Свойства полиэтилена (ПЭ)

и полистирола (ПС)

 

1.1. В стакан с водой погрузите образцы ПЭ и ПС. Испытайте, тонут ли они в воде.

1.2. Кусочки ПЭ и ПС внесите в пламя спиртовки, пользуясь щипцами, и определите: размягчаются эти полимеры или нет; горят ли в пламени; продолжают ли горение вне пламени; есть ли копоть при горении.

1.3. Налейте в 4 пробирки по 1 мл серной кислоты, концентрированной и разбавленной, концентрированный раствор щелочи, ацетона. В каждую пробирку опускайте по кусочку ПЭ. Проверьте растворимость ПЭ через 10 мин. Аналогично проверьте растворимость ПС в ацетоне. Результаты испытаний занесите в таблицу (см. опыт 4).

 

Опыт 2.  Свойства поливинилхлорида (ПВХ)

 

2.1. ПВХ поместите в пробирку, нагрейте над пламенем спиртовки и определите, размягчается ли ПВХ.

2.2. Проведите испытания на обнаружение водорода хлорида при термическом разложении ПВХ. Для этого поднесите к пробирке с нагретым ПВХ стеклянную палочку, смоченную раствором аммиака. Наблюдается ли образование белого дыма аммония хлорида? Кислотный характер летучих продуктов разложения ПВХ установите лакмусовой бумажкой.

2.3. Установите, горит ли ПВХ в пламени спиртовки, продолжает ли горение вне пламени? Для этого прикоснитесь предварительно нагретой в пламени спиртовки медной проволокой к ПВХ и снова внесите эту проволоку в пламя спиртовки. Отметьте окраску пламени, характерную для продукта горения – меди дихлорида СuCl2. При накаливании медной проволоки на ее поверхности образуется меди оксид СuО, реагирующий с водородом хлоридом (продукт термической деструкции ПВХ) с образованием СuCl2.

В отчете запишите схему термической деструкции ПВХ, как обнаружили НСl, и заполните таблицу (см. опыт 4).

 

Опыт 3.  Свойства полиметилметакрилата

(ПММА)

 

3.1. В стакан с водой погрузите образец ПММА (органического стекла). Испытайте, тонет ли он в воде.

3.2. Кусочек органического стекла внесите в пламя спиртовки и определите: размягчается ли полимер, горит ли в пламени, вне пламени, выделяется ли копоть при горении, какой окраски пламя. Обратите внимание на слабое потрескивание при горении и запах.

3.3. Налейте в пробирку 1 мл ацетона и опустите в нее измельченный ПММА. Через 20 мин проверьте растворимость. Полученным вязким раствором смажьте фильтровальную бумагу и проверьте клеящие свойства раствора полимера.

Результаты испытаний занесите в таблицу (см. опыт 4).

 

Опыт 4.  Свойства капрона

 

4.1. В стакан с водой погрузите образец капрона. Испытайте, тонет ли он в воде?

4.2. Внесите в пламя спиртовки кусочек капрона. Определите, размягчается ли полимер, горит ли в пламени, вне пламени, есть ли запах при горении?

4.3. Поместите в пробирку несколько кусочков капрона. Осторожно нагрейте пробирку с полимером над пламенем спиртовки. Отметьте, что при этом наблюдается? Прикоснитесь к размягченному полимеру металлической проволочкой и попробуйте вытянуть из него тонкие нити.

4.4. Налейте в две пробирки по 1 мл серной кислоты, концентрированной и разбавленной. В каждую из пробирок опустите

по кусочку капрона. Проверьте растворимость капрона через

20 минут.

Результаты испытаний занесите в таблицу.

 

Физико-химические свойства полимерных материалов

 

Поли-

мер

Элемен-тарное

звено

Плотность

Отношение к наг-реванию

Характер горения

Растворимость

< I

 > I

в кис-лоте

в щелочи

в ацетоне

ПЭ

ПС

ПВХ

ПММА

Капрон