Temat 1: Identyfikacja tworzyw sztucznych metodą płomieniową

OBOWIĄZUJĄCE ZAGADNIENIA:

• definicje pojęć: polimery i tworzywa sztuczne,

• wady i zalety tworzyw sztucznych,

• klasyfikacja reologiczno-technologiczna tworzyw sztucznych,

• charakterystyka środków pomocniczych w polimerach,

• wyjaśnić pojęcia degradacji, depolimeryzacji i destrukcji tworzyw sztucznych, czyli procesów jakie mogą zachodzić podczas przetwórstwa lub użytkowania,

• metody identyfikacji.

LITERATURA:

[1] Kelar K., Ciesielska D.: Fizykochemia polimerów - wybrane zagadnienia, WPP 1997.

[2] Broniewski T.: Metody badań i ocena właściwości tworzyw sztucznych, WNT, 2000.

[3] Poradnik Tworzyw Sztucznych.

CEL ĆWICZENIA:

Celem badań identyfikacyjnych jest określenie typu polimeru, stanowiącego składnik główny analizowanego tworzywa sztucznego. Zagadnienie identyfikacji polimerów jest niezwykle ważne z punktu widzenia możliwości zagospodarowania odpadów z tworzyw sztucznych, jak również naprawy uszkodzonych elementów maszyn i urządzeń wykonanych z tworzywa sztucznego.

Najbardziej właściwym sposobem identyfikacji jest przeprowadzenie prób systematycznych z wykorzystaniem określonych schematów badań, polegających na następujących etapach:

• wydzielenie i oczyszczenie polimeru przez usunięcie zmiękczaczy, napełniaczy lub rozpuszczalników,

• zakwalifikowanie polimeru do jednej z grup przez oznaczenie składu pierwiastków (węgla, wodoru, tlenu, azotu i chloru),

• określenie typu polimeru na podstawie właściwości fizycznych (gęstości, współczynnika refrakcji itp.),

• wygląd zewnętrzny i badania organoleptyczne (istotne są takie cechy, jak: przezroczystość czy mętność, barwa, metoda przetwórstwa itd.),

• dobór rozpuszczalników i nierozpuszczalników,

• zachowanie podczas rozkładu termicznego.

PRZEBIEG ĆWICZENIA:

Kawałek tworzywa umieszcza się w płomieniu palnika i utrzymuje aż do zapalenia, nie dłużej niż 10 sekund. Ogrzewanie nie powinno być zbyt szybkie. Obserwuje się: łatwość zapalania tworzywa, zdolność do gaśnięcia, wygląd płomienia oraz zapach wydzielających się gazów.

Na podstawie badań identyfikacyjnych, w protokole zamieścić spostrzeżenia i ogólne prawidłowości, których przykłady podano poniżej.

Ogólne prawidłowości:

1. Tworzywo rozkłada się z wydzieleniem węglowodorów aromatycznych i pali się płomieniem żółtym, kopcącym (np. polistyren i jego kopolimery).

2. Tworzywo rozkłada się z wydzielaniem węglowodorów alifatycznych, pali się płomieniem mało kopcącym (np. polietylen, polipropylen).

3. Polimery zawierające w produktach rozkładu dużo tlenu palą się płomieniem o barwie niebieskiej - np. poli(metakrylan metylu).

Temat 2: Badanie cech wytrzymałościowych materiałów polimerowych w próbie statycznego rozciągania

Obowiązujące zagadnienia:

• wpływ temperatury na podstawowe właściwości mechaniczne materiałów polimerowych,

• podstawowe zmienne obserwowane podczas próby rozciągania,

• narysować i omówić schematyczny wykres rozciągania tworzyw sztucznych,

• omówić wpływ ciężaru cząsteczkowego na wytrzymałość na rozciąganie tworzyw sztucznych,

• wyjaśnić od jakich czynników budowy fizykochemicznej (i jaki jest kierunek zmian) zależy wytrzymałość na rozciąganie, moduł sprężystości przy rozciąganiu oraz wydłużenie przy zerwaniu tworzyw sztucznych.

LITERATURA:

[1] Praca zbiorowa pod redakcją Broniewski T.: Metody badań i ocena własności tworzyw sztucznych, WNT, W-wa 1970.

[2] Broniewski T., Kapko J., Płaczek W., Thomalla J.: Metody badań i ocena właściwości tworzyw sztucznych, WNT, W-wa 2000.

[3] Polska Norma PN-EN ISO 527-2:1998: („Tworzywa sztuczne: Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu - Warunki badań tworzyw sztucznych przeznaczonych do prasowania, wtrysku i wytłaczania”).

CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z aparaturą do badania wytrzymałości na rozciąganie tworzyw sztucznych oraz praktyczne wykonanie oznaczeń dla różnych tworzyw, interpretacja wyników badań na podstawie krzywej rozciągania.

PRZEBIEG ĆWICZENIA:

Próba rozciągania polega na jednoosiowym odkształceniu wiosełek (rys. 1) i mierzeniu powstających sił.

Rys. 1. Kształt wiosełek stosowanych w próbie rozciągania

Wielkościami mierzonymi są odkształcenia (wydłużenia ε) oraz siły odkształcające. Wydłużenie bezwzględne Δl_r jest to różnica między końcową a początkową długością odcinka pomiarowego użytej próbki:

Δl_r = l_x - l_o [mm] (1)

gdzie:

l_o - początkowa długość odcinka pomiarowego [mm];

l_x - długość końcowa odcinka pomiarowego [mm].

Wydłużenie względne ε_r definiowane jest jako stosunek odkształcenia bezwzględnego do początkowej długości odcinka pomiarowego:

[%] (2)

gdzie:

Δl_r - zmiana długości próbki w chwili zerwania [mm];

l_o - początkowa długość odcinka pomiarowego [mm].

Naprężenie zrywające σ jest to stosunek siły odkształcającej do początkowej powierzchni przekroju poprzecznego rozciąganej próbki, zmierzonej przed przyłożeniem obciążenia:

[MPa] (3)

gdzie:

P - siła odkształcająca [N];

S - pole przekroju próbki [mm²].

Ilustracją zachowania się tworzywa podczas rozciągania jest wykres przedstawiony na rys. 2. Umożliwia on analizę zależności pomiędzy odkształceniem i naprężeniem: σ = f (ε)

Rys. 2. Schematyczny wykres rozciągania tworzyw sztucznych

W oparciu o krzywą rozciągania wyznacza się charakterystyczne punkty:

σ₁- naprężenie zgodne z prawem Hooke'a (σ = Eε),

σ₂- naprężenie przy granicy plastyczności lub umownej granicy plastyczności,

σ₃- maksymalne naprężenie rozciągające,

σ₄- naprężenie zrywające,

ε₁- wydłużenie względne zgodne a prawem Hooke'a (σ = Eε),

ε₂- wydłużenie względne przy umownej granicy plastyczności,

ε₃- wydłużenie względne przy maksymalnym naprężeniu rozciągającym,

ε₄- wydłużenie przy zerwaniu,

tgϕ = E - moduł sprężystości wzdłużnej.

Badania wykonać przy użyciu maszyny wytrzymałościowej typu INSTRON model 4481 zgodnie z normą

Po zamocowaniu wiosełek w szczękach maszyny wytrzymałościowej, wyzerowaniu i skalibrowaniu głowicy pomiarowej oraz ustawieniu odpowiednich parametrów badań, próbki różnych materiałów polimerowych poddać rozciąganiu ze stałą prędkością: 10; 50,100 mm/min. Za wynik przyjąć średnią arytmetyczną z 10 pomiarów.

W protokole zamieścić wyniki badań, dla których należy wykonać obliczenia statystyczne (przedział ufności dla wartości średniej przy poziomie istotności α = 0,95).

Temat 3: Badanie przepuszczalności powietrza przez tworzywa porowate

1. Charakterystyka i podział tworzyw porowatych

Tworzywem sztucznym porowatym nazywane jest tworzywo o budowie komórkowej i o małej gęstości pozornej, którego zasadniczym składnikiem są polimery syntetyczne lub modyfikowane polimery naturalne.

Właściwości tworzyw porowatych umożliwiają stosowanie ich w charakterze materiałów izolacyjnych, dźwiękochłonnych, tapicerskich, opakowaniowych, konfekcyjnych, filtracyjnych, konstrukcyjnych materiałów rdzeniowych, itp. Największe znaczenie praktyczne zyskały tworzywa porowate wytwarzane z poliuretanów, polistyrenu i poli(chlorku winylu). Produkowane są również tworzywa porowate z polietylenu, polipropylenu, poli(metakrylanu metylu), kopolimerów styrenu, politetrafluoroetylenu, silikonów oraz żywic fenolowych, epoksydowych i poliestrowych.

W zależności od struktury komórek rozróżnia się dwa podstawowe typy tworzyw porowatych:

- tworzywa piankowe (pianki) o porach zamkniętych, odizolowanych od siebie, a tym samym nieprzepuszczalnych dla cieczy, par i gazów;

- tworzywa gąbczaste (gąbki) o porach otwartych, łączących się między sobą, nasiąkliwe.

Tworzywa porowate mogą mieć również strukturę pośrednią (mieszaną), t.j. zawierać jednocześnie pory otwarte i zamknięte.

W zależności od zachowania się podczas ściskania w temperaturze pokojowej, rozróżnia się tworzywa porowate sztywne i elastyczne. Podział ten nie jest całkowicie ścisły, gdyż istnieją tworzywa o właściwościach pośrednich, tj. półelastyczne czy półsztywne, o różnym stopniu elastyczności.

Właściwości tworzyw porowatych są ściśle związane z rodzajem polimeru i metodą otrzymywania. Tworzywa te odznaczają się najmniejszą gęstością spośród ogólnie stosowanych materiałów konstrukcyjnych, jak również najmniejszym przewodnictwem cieplnym spośród znanych materiałów termoizolacyjnych. Poważną wadą wielu tworzyw porowatych jest niewielka wytrzymałość mechaniczna, co uniemożliwia stosowanie tych materiałów w przypadku działania większych obciążeń. Znane są jednak i takie tworzywa porowate, które przy niskiej gęstości wykazują stosunkowo wysoką wytrzymałość mechaniczną.

2. Metody otrzymywania tworzyw porowatych

Do najczęściej stosowanych metod wytwarzania tworzyw porowatych należy spienianie, związane ze znacznym wzrostem objętości (ekspansją).

Spienianie odbywać się może na trzy różne sposoby:

- metodą chemiczną opartą na wykorzystaniu złożonych substancji chemicznych na prostsze związki, wśród których są gazy (azot, dwutlenek węgla, wodór itp). Wydzielający się gaz powoduje w żelującym tworzywie powstawanie komórek. Wydzielanie gazu (rozkład złożonych substancji) może być wynikiem reakcji z inną substancją (np. składnikiem polimeru) lub ogrzewania;

- metodą fizyczną, która posiada dwie odmiany polegające na:

a) nasyceniu polimeru pod ciśnieniem odpowiednim gazem, który po usunięciu ciśnienia zewnętrznego rozpręża się, tworząc pory. Wadą tej metody jest kosztowna aparatura;

b) wprowadzeniu do polimeru cieczy niskowrzących (ciekły spieniacz), które wskutek ogrzania parują, nadając żelującemu tworzywu budowę komórkową;

- metodą mechanicznaą polegająca na szybkim wymieszaniu tworzywa z powietrzem (ubijanie). Odbywa się to przy pomocy mieszadeł mechanicznych. Utwardzenie musi nastąpić tak szybko, aby oba składniki nie zdążyły się rozdzielić. Sposobem tym otrzymuje się między innymi tworzywa porowate na bazie żywic mocznikowo-formaldehydowych oraz poliwinyloacetalowych.

We wszystkich powyższych metodach między rozprężaniem się gazów lub odparowywaniem cieczy a stanem fizycznym tworzywa musi zachodzić ścisła współzależność. Porowanie tworzywa może dać produkt dobry tylko wówczas gdy żywica w czasie rozprężania się gazów lub odparowywania cieczy posiada określoną konsystencję. Do najpopularniejszych tworzyw spienionych należy PS (styropian), PVC oraz PU.

Inną metodą otrzymywania tworzyw porowatych jest tzw. porowanie w masie.

Porowanie w masie jest mniej rozpowszechnione aniżeli spienianie. Polega ono na wymywaniu składników rozpuszczalnych z litej masy tworzywa. Sproszkowane tworzywo miesza się ze związkami rozpuszczalnymi, po czym cząsteczki tworzywa łączy się ze sobą np. przez stapianie lub spiekanie. Z tak uformowanego tworzywa litego usuwa się składnik rozpuszczalny przez długotrwałe wypłukiwanie wodą. Jako związki rozpuszczalne stosuje się najprostsze i najtańsze substancje, np. sól kuchenną.

Sztywne tworzywa porowate otrzymywać można również na drodze spiekania tworzyw termoplastycznych.

Spiekanie polega na bezpośrednim wypełnieniu gniazda formy tworzywem w stanie stałym w postaci perełek (granulek), nagrzaniu tworzywa wraz z formą do ustalonej temperatury, przetrzymaniu w tej temperaturze przez określony czas, ochłodzeniu i wyjęciu przedmiotu spiekanego z gniazda. Temperatura tworzywa powinna mieć taką wartość, aby nastąpiło uplastycznienie granulek i ich kohezyjne łączenie, czyli spiekanie, ale nie może zachodzić daleko posunięte uplastycznienie bądź stapianie.

Proces spiekania jest więc stosunkowo prosty, spieki są niemal całkowicie pozbawione naprężeń własnych i zachowują w bardzo dużym stopniu właściwości tworzywa wejściowego. Proces ten stosuje się coraz częściej do otrzymywania filtrów, przepon i innych elementów przepuszczalnych.

Ważniejsze tworzywa porowate zestawiono w tablicy 1.

Tablica 1: Ważniejsze tworzywa porowate

Nazwa tworzywa porowatego	Struktura i rodzaj tworzywa
Mocznikowe	pory otwarte (sztywne)
Fenolowe	pory mieszane (sztywne)
Polistyrenowe	pory zamknięte (sztywne)
Poliuretanowe	pory otwarte (elastyczne) pory mieszane (sztywne)
Polichlorowinylowe	pory zamknięte (elastyczne) pory otwarte (sztywne) pory zamknięte (półsztywne) pory otwarte (elastyczne

3. Przepuszczalność tworzyw porowatych

Właściwości tworzyw porowatych umożliwiają stosowanie ich w charakterze materiałów izolacyjnych, dźwiękochłonnych, tapicerskich, opakowaniowych, konfekcyjnych, filtracyjnych, konstrukcyjnych materiałów rdzeniowych, itp.

Badanie polega na pomiarze strumienia objętości U przepływającego powietrza przez próbkę sztywnego tworzywa porowatego

gdzie: P - spadek ciśnienia po obu stronach przegrody porowatej,

R - opór całkowity przegrody porowatej.

gdzie: L - grubość przegrody,

A - powierzchnia przegrody,

r - opór właściwy przegrody (zależny od rodzaju tworzywa i metody porowania)

W przypadku tworzyw porowatych otrzymanych metoda spiekania:

gdzie: ϕ - współczynnik kształtu ziarna, tj. stosunek powierzchni ziarna do powierzchni kuli o tej samej objętości,

μ - lepkość dynamiczna przepływającego medium,

d_z - średnica zastępcza spiekanych ziaren,

ε - porowatość.

4. Urządzenie do pomiaru natężenia przepływu powietrza przez sztywne tworzywa porowate

Schemat budowy stanowiska pomiarowego przedstawiony jest na rys. 1. Źródłem zasilania jest sprężarka (K) połączona z reduktorem wyposażonym we wkładkę filtrującą (Rd). Zadaniem reduktora jest dokładna regulacja ciśnienia powietrza oraz oczyszczania go z pyłu, oleju i wilgoci. Umożliwia on stosowanie ciśnienia wejściowego w zakresie 0 - 0,2 MPa.

Rys.1. Schemat budowy urządzenia do pomiaru przepływu powietrza przez tworzywa porowate;

K - sprężarka; Rd - reduktor; Z₁, Z₂ - zawory; M₁, M₂ - manometry; R - rotametr; U - urządzenie mocujące próbkę; P - próbka; 1 - uszczelka gumowa; 2 - kaseta; 3 - obsada; 4 - pokrętło

Oczyszczone powietrze przepływa przez rozdzielacz i zawór (Z₁) odcinający dopływ powietrza do urządzenia mocującego próbkę (U). Wyposażenie urządzenia w zawory Z₁ i Z₂ zabezpiecza przyrządy pomiarowe przed uszkodzeniem. Próbkę tworzywa (P) o średnicy Φ 50 mm i wysokości H umieszcza się w uszczelce gumowej (1), a następnie w kasecie (2) i calość montuje w obsadzie (3). Urządzenie mocujące zamyka się za pomocą pokrętła (4). Po otwarciu zaworu (Z₁) ciśnienie przed próbką mierzy się za pomocą manometru (M₁). Sprężone powietrze przechodzi przez próbkę, a następnie zawór (Z₂) do rotametru (R). Rotametr typu TG-400 jest wyposażony w 3 wypełnienia używane w zależności od natężenia przepływu, mianowicie:

TG 02,1 - od 3 do 30 l/h

TG 03,1 - od 20 do 240 l/h

TG 06,1 - od 200 do 2200 l/h

Odczytu wartości odpowiadającej strumieniowi objętości powietrza przepływającego przez badaną próbkę dokonuje się bezpośrednio na skali wyskalowanego w l/h rotametru.

W przypadku gdy nieznana jest szacunkowa wielkość natężenia przepływu sprężonego powietrza przez próbkę, pomiar należy rozpocząć od zastosowania wypełnienia TG 06,1 odpowiadającego największemu zakresowi.

Literatura:

1. Ciesielska D., Kelar K., Bratborska E.: Polimery, nr 2, 1986, s.58 - 60

2. Maciaszek S.: Syntetyczne tworzywa porowate, WNT, 1963

3. Organista W.: Laboratorium z termodynamiki i mechaniki płynów, Wyd. PP, 1984

Temat 4: Badanie gęstości materiałów polimerowych

Obowiązujące zagadnienia:

• pojęcia podstawowe,

• dobór metody pomiarowej,

• metody oznaczania gęstości różnych materiałów,

• ciężar nasypowy.

LITERATURA:

1. Broniewski T.: Metody badań i ocena własności tworzyw sztucznych, WNT, W-wa 1970

CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiaru gęstości materiałów polimerowych i kompozytów polimerowych.

PRZEBIEG ĆWICZENIA:

1. Oznaczanie ciężaru właściwego tworzyw sztucznych o regularnych kształtach za pomocą wagi i suwmiarki

Badaną próbkę należy dokładnie zważyć. Za pomocą suwmiarki zmierzyć jej wymiary i obliczyć objętość. Ciężar właściwy oblicza się ze wzoru:

, [G/cm³]

w którym:

V - objętość próbki, cm³,

P - ciężar próbki, G.

2. Oznaczanie ciężaru właściwego za pomocą wagi i cylindra miarowego

Badaną próbkę należy dokładnie zważyć. Następnie cylinderek napełnia się wodą destylowaną i dokładnie odczytuje jej poziom, określając w ten sposób objętość V₁, po czym umieszcza się w cylinderku badaną próbkę i ponownie odczytuje poziom, oznaczając objętość V₂. Różnica objętości V₂ - V₁ będzie objętością badanej próbki. Ciężar właściwy oblicza się ze wzoru:

, [G/cm³]

w którym:

V₁ - objętość wody, cm³,

V₂ - objętość wody wraz z próbką, cm³,

P - ciężar próbki, P.

3. Oznaczanie ciężaru właściwego ciał o nieregularnych kształtach za pomocą wagi hydrostatycznej

Zasada pomiaru: polega na oznaczeniu ciężaru właściwego jako stosunku ciężaru danego ciała w powietrzu do ciężaru wypartej przez niego cieczy. Według prawa Archimedesa pozorny ubytek ciężaru ciała zanurzonego we wodzie odpowiada ciężarowi wypartej wody, a więc objętości zanurzonego ciała.

Wykonanie pomiaru: badane ciało zawiesza się na cienkim druciku na haczyku lewej szalki wagi laboratoryjnej i oznacza jego ciężar w powietrzu. Następnie badane ciało zanurza się w naczyniu z wodą, jak to pokazano na rysunku i ponownie oznacza się jego ciężar w wodzie. Różnica ciężaru P - P₁ odpowiada objętości ciała V. Ciężar właściwy oblicz się ze wzoru:

, [G/cm³]

w którym:

P - ciężar ciała w powietrzu, G,

P₁ - ciężar ciała w wodzie, G.

4. Oznaczanie ciężaru właściwego ciał o nieregularnych kształtach za pomocą piknometru

Wykonanie pomiaru: odważa się pusty piknometr, następnie wsypuje się do niego badaną próbkę (granulat) i waży piknometr z próbką. Następnie usunąć próbkę z piknometru, a piknometr napełnić wodą lub inną cieczą i zważyć piknometr z cieczą. Dalej wsypać uprzednio zważony granulat do piknometru z cieczą i zważyć piknometr z cieczą i próbką. Ciężar właściwy oblicza się ze wzoru:

, [G/cm³]

w którym:

P₁ - ciężar pustego piknometru, G,

P₂ - ciężar piknometru z cieczą, G,

P₃ - ciężar piknometru z próbką (bez cieczy), G,

P₄ - ciężar piknometru z próbką i cieczą, G,

γ_cwc - ciężar właściwy cieczy, G/cm³.

5. Oznaczanie gęstości cieczy za pomocą wagi hydrostatycznej Westphala-Mohra

Wykonanie pomiaru: do suchego cylindra nalewa się badaną ciecz i ostrożnie umieszcza się w cieczy pływak i przez odpowiednie dobranie koników sprowadza się wagę do położenia zerowego. Wieszanie koników na dźwigni rozpoczyna się od konika największego. Na przykład, jeżeli:

konik A znajdował się na podziałce 8

konik B znajdował się na podziałce 4

konik C znajdował się na podziałce 7

to znaleziony ciężar właściwy cieczy wynosi: 0,847 G/cm³.

W protokole dla uzyskanych wyników badań obliczyć wartość średniej arytmetycznej (z sześciu pomiarów) oraz obliczyć przedział ufności dla wartości średniej przy poziomie istotności α = 0,95.

Temat 5: Wytwarzanie materiałów polimerowych o budowie komórkowej oraz badanie ich porowatości

Obowiązujące zagadnienia:

• metody otrzymywania tworzyw sztucznych o budowie komórkowej (porowate),

• właściwości i zastosowanie tworzyw porowatych,

• gęstość pozorna tworzyw o budowie komórkowej,

• szczelność i porowatość tworzyw o budowie komórkowej.

LITERATURA:

[1] Praca zbiorowa pod redakcją Broniewski T.: Metody badań i ocena własności tworzyw sztucznych, WNT, W-wa 1970.

[2] Broniewski T., Kapko J., Płaczek W., Thomalla J.: Metody badań i ocena właściwości tworzyw sztucznych, WNT, W-wa 2000.

CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami otrzymywania tworzyw sztucznych o budowie komórkowej oraz badania ich gęstości pozornej, wyznaczania ich porowatości i szczelności; Tworzywa o budowie komórkowej wytwarzane będą metodą spiekania polistyrenu perełkowego (metoda bez ekspandowania) oraz metodą ekspandowania (spienianie poliuretanu).

PRZEBIEG ĆWICZENIA:

a) Metoda bez ekspandowania: zasypać 3 formy perełkami polistyrenu i wstawić je do komory termicznej ogrzanej do temperatury 165^oC. Pierwszy spiek wyjąć z komory termicznej po 15 minutach, drugi po ½ godziny, a trzeci po 45 minutach. Po ochłodzeniu spieków do temperatury pokojowej wyznaczyć ich gęstość pozorną, porowatość i szczelność wg wzorów zamieszczonych poniżej.

b) Metoda z ekspandowaniem: do dwóch kubeczków polipropylenowych odważyć po 20 ± 5 g poliolu (alkohol wielowodorotlenowy) i następnie do jednego z nich odważyć 10 g, a do drugiego 20 g metylenodiizocyjanianu. Obie mieszaniny dokładnie wymieszać i obserwować proces ekspandowania próbek. Wyciągnąć wnioski odnośnie wpływu ilości diizocyjanianu na szybkość spieniania.

Gęstość pozorna d_p jest to masa jednostki objętości danego materiału określona wzorem:

, [g/cm³]

w którym:

P - ciężar próbki, g

V_c - całkowita objętość próbki, cm³.

Dla próbek o regularnych kształtach mierzy się wymiary próbki i wyznacza objętość, następnie waży się próbkę i oblicza gęstość z powyższego wzoru.

W materiałoznawstwie rozróżnia się dwie właściwości, obrazujące porowatość, które określa się metodą obliczeniową na podstawie gęstości pozornej i ciężaru właściwego danego materiału.

Szczelność s, określa się jako stosunek gęstości pozornej materiału d_p do jego ciężaru właściwego γ, wg wzoru:

Szczelność s oznacza część całkowitej objętości, jaką zajmuje masa badanego materiału bez porów. Natomiast porowatość p określa, jaka część całkowitej objętości materiału przypada na pory. Określa się ją jako dopełnienie szczelności materiału do jedności i wyraża wg wzoru:

w którym:

s - szczelność,

d_p - gęstość pozorna, g/cm³,

γ - ciężar właściwy, G/cm³.

γ dla PS = 1,05 g/cm³

γ dla PU = 1,20 g/cm³

γ dla PE = 0,965 g/cm³

Można też porowatość wyrazić w procentach:

,[%].

W protokole zamieścić wyniki pomiarów oraz obserwacji efektu spieniania poliuretanu.

Temat 6: Badanie udarności materiałów polimerowych

Obowiązujące zagadnienia:

• definicja udarności materiałów,

• metody badania udarności (Charpy'ego, Dynstat, Izoda,

• udarność próbek z karbem i bez karbu oraz udarność względna (wzory, jednostki) dla metody Charpy'ego,

• wyjaśnić jakie czynniki budowy fizykochemicznej polimerów wpływają na udarność.

LITERATURA:

[1] Praca zbiorowa pod redakcją Broniewski T.: Metody badań i ocena własności tworzyw sztucznych, WNT, W-wa 1970.

[2] Broniewski T., Kapko J., Płaczek W., Thomalla J.: Metody badań i ocena właściwości tworzyw sztucznych, WNT, W-wa 2000.

[3] Polska Norma: PN-EN ISO 179-1:2004/A1:2006 „Tworzywa sztuczne: Oznaczanie udarności metodą Charpy`ego -Część 1: Nieinstrumentalne badanie udarności”.

CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami badania udarności tworzyw sztucznych oraz praktyczne wykonanie oznaczeń metodą Charpy'ego.

PRZEBIEG ĆWICZENIA:

Do badań zastosować próbki typu 2 (prostopadłościany o wymiarach 80×10×4) z karbem typu A (wg PN-81/C-89029), który należy naciąć na frezarce laboratoryjnej. Na rysunku 1 przedstawiono beleczkę podpartą na podporach o rozstawie 70 mm i sposób uderzenia młota.

1-ostrze wahadła, 2- próbka, 3- podpory młota

Rys. 1. Próbka z karbem

Do badań zastosować młot Charpy'ego firmy Instron, typ PW-5. Młot zaaretować w pozycji pionowej i sprawdzić czy zwolniony bez próbki pokazuje energię 0, a następnie ponownie zaretować go.

Próbkę, której przekrój w miejscu uderzenia należy zmierzyć z dokładnością do ± 0,1 mm, umieścić na podporach i ustawić wskazówkę zabieraka na maksymalnej wartości na skali. Badaną próbkę tworzywa ustawić tak, aby młot uderzył w powierzchnię przeciwną do karbu. Następnie należy zwolnić aretaż i odczytać energię zaabsorbowaną przez próbkę.

Udarność badanych próbek z karbem a_k obliczyć ze wzoru:

[kJ/m²]

gdzie:

A_n - energia udaru zużyta na złamanie próbki [kJ];

b - grubość próbki [mm];

t_k - grubość próbki pod karbem [mm].

Za wynik przyjąć średnią arytmetyczną z 10 pomiarów dla jednego rodzaju materiału polimerowego.

W protokole zamieścić wyniki badań, dla których należy wykonać obliczenia statystyczne (przedział ufności dla wartości średniej przy poziomie istotności α = 0,95).

Temat 7: Badanie wskaźnika szybkości płynięcia materiałów polimerowych

Obowiązujące zagadnienia:

• charakterystyka podstawowych grup tworzyw sztucznych,

• właściwości przetwórcze - plastyczność przetwórcza tworzyw sztucznych,

• pojęcie i metoda oznaczania wskaźnika szybkości płynięcia,

• charakterystyka metody Rashiga-Krahla (tłoczywa termoutwardzalne).

LITERATURA:

[1] Broniewski T.: Metody badań i ocena własności tworzyw sztucznych, WNT, W-wa 1970

[2] Kelar K., Ciesielska D.: Fizykochemia polimerów - wybrane zagadnienia, Wyd. P P, 1997

[3] PN-93/C-89069 „Oznaczanie masowego (MFR) i objętościowego (MVR) wskaźnika szybkości płynięcia tworzyw termoplastycznych”

CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest pomiar wskaźnika szybkości płynięcia (MFR) polimerów termoplastycznych na przykładzie polietylenu małej (PE-LD) i dużej gęstości (PE-HD) oraz polietylenu bimodalnego (b-PE) przy wykorzystaniu plastomeru obciążnikowego. Metodę stosuje się do klasyfikacji i kontroli jakości tworzyw termoplastycznych o wskaźniku szybkości płynięcia w zakresie od 0,1 do 25 g/10 min.

PRZEBIEG ĆWICZENIA:

Wskaźnik szybkości płynięcia (MFR_(T,P) ) jest to liczba wyrażająca masę stopionego tworzywa (w gramach), wytłoczonego przez daną dyszę pod określonym obciążeniem w określonej temperaturze, w ciągu określonego czasu odniesienia (w minutach). Za czas odniesienia przyjmuje się zazwyczaj 10 minut (600 sekund). Zasada metody polega na pomiarze szybkości wytłaczania stopionego polimeru przez dyszę o znormalizowanych wymiarach, w określonych warunkach temperatury i obciążenia. Kształt próbek do badań jest dowolny, a wielkość taka, aby było możliwe swobodne wprowadzenie jej do cylindra (np. granulki, proszek).

Oczyszczony plastometr (rys. 1) z włożonym tłokiem należy nastawić na żądaną temperaturę pomiaru (dla polietylenu wynosi ona 190^oC) i utrzymywać w tej temperaturze, przez co najmniej 15 min. Następnie wprowadzić do cylindra od 4 do 8 g tworzywa, w zależności od spodziewanej wartości MFR zgodnie z tabelą 1. Ładowanie cylindra nie powinno trwać dłużej niż 1 minutę, przy czym próbkę należy ubić upychaczem. Następnie należy założyć tłok wraz z zadanym obciążeniem (dla polietylenu badania wykonać przy obciążeniu 2 oraz 5 kg) i uruchomić sekundomierz w celu zmierzenia czasu podgrzewania wstępnego (nie mniej niż 4 minuty).

Rys. 1. Plastometr obciążnikowy MP-IIRT-M

Tabela 1.

Wskaźnik szybkości płynięcia [g/10 min.]	Masa próbki w cylindrze [g]	Odstępy czasu odcinania [s]
najmniej 0,5 0,5 - 1,0 1,0 - 3,5 3,5 - 10,0 10,0 - 25,0 powyżej 25	4 - 5 4 - 5 4 - 5 6 - 8 6 - 8 6 - 8	240 120 66 30 10 - 15 5 - 15

Pod koniec czterominutowego okresu wstępnego podgrzewania próbki należy nałożyć na trzpień tłoka właściwy obciążnik i pozwolić tłokowi na swobodne opadanie tak, aby w ciągu minuty kreska na trzpieniu znalazła się o 5÷10 mm ponad górną krawędzią cylindra. Odciąć wytłoczony odcinek tworzywa i odrzucić go.

Jeżeli dolna kreska pierścieniowa na trzpieniu osiągnie górną krawędź cylindra należy odciąć przy krawędzi dyszy wytłoczony odcinek tworzywa i odrzucić go, a jednocześnie włączyć sekundomierz. W odstępach czasu wg tabeli 1 mierzonych z dokładnością do 0,2 sekundy należy odcinać odcinki wytłoczonego tworzywa aż do chwili opadnięcia tłoka tak, aby górna kreska osiągnęła poziom górnej krawędzi cylindra. Długość poszczególnych odcinków powinna wynosić 10÷20 mm. Odcinki tworzywa z pęcherzykami powietrza należy odrzucić. Po ostygnięciu odcinki tworzywa należy zważyć z dokładnością do ±0,0001 g i wyliczyć średnią masę, z co najmniej 5 odcinków otrzymanych z jednego doświadczenia. Jeżeli rozrzut masy wytłoczonych odcinków tworzywa przekracza ± 15% masy średniej, badania należy powtórzyć ze świeżego materiału tej samej próbki.

Wskaźnik szybkości płynięcia MFR_(T,P) należy wyznaczyć ze wzoru:

gdzie:

T - temperatura oznaczania, ^oC,

P - nominalne obciążenie, N,

S - czas odniesienia, s

m - średnia masa odcinków, g

t - czas między odcięciem następujących po sobie wytłoczonych odcinków tworzywa, s.

Wskaźnik szybkości płynięcia podaje się z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku. Po każdym zakończonym pomiarze plastometr należy dokładnie oczyścić. Cylinder oczyszcza się ścinkami tekstylnymi umocowanymi do mosiężnego wyciora, tłok czyścić szmatką na gorąco.

W protokole zamieścić wyniki badań oraz wnioski.

Temat 8: Badanie twardości plastomerów i elastomerów

Obowiązujące zagadnienia:

• pojęcie twardości materiałów (skala mineralogiczna) i twardości tworzyw sztucznych,

• metody badania twardości plastomerów i elastomerów,

• wyjaśnić dlaczego twardość tworzyw sztucznych mierzona metodą Brinella jest oznaczana inaczej niż metali,

• wyjaśnić od czego zależy twardość tworzyw sztucznych.

LITERATURA:

[1] Praca zbiorowa pod redakcją Broniewski T.: Metody badań i ocena własności tworzyw sztucznych, WNT, W-wa 1970.

[2] Broniewski T., Kapko J., Płaczek W., Thomalla J.: Metody badań i ocena właściwości tworzyw sztucznych, WNT, W-wa 2000.

[3] Grabski J.: Materiały i kompozyty niemetalowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2001.

CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami badania twardości materiałów polimerowych (plastomerów i elastomerów) oraz praktyczne wykonanie oznaczeń: metodą Brinella (dla grupy plastomerów krystalicznych, bezpostaciowych i usieciowanych) i metodą Shore'a (dla elastomerów).

PRZEBIEG ĆWICZENIA

Twardość oznaczyć zgodnie z normą PN-93/C89030/01. Do badań stosować próbki w kształcie krążków o średnicy 50 ± 1 mm i grubości nie mniejszej niż 4 mm. Za wynik przyjęto średnią arytmetyczną z dziesięciu oznaczeń.

Temat 9: Badanie indeksu tlenowego

Temat 10: Budowa chemiczna polimerów badana metodą spektroskopii absorpcyjnej w podczerwieni

Obowiązujące zagadnienia:

• podstawy spektroskopii absorpcyjnej w podczerwieni,

• budowa i zasada działania spektrofotometrów,

• budowa chemiczna polimerów badana metodą IR (możliwości metody),

• wpływ budowy chemicznej na właściwości polimerów.

LITERATURA:

[1] Porejko S., Fejgin J., Zakrzewski L., Chemia związków wielkocząsteczkowych, Warszawa, WNT 1974.

[2] Rabek J. F., Podstawy fizykochemii polimerów, Wyd. Politechnika Wrocławska 1977.

[3] Stevens M., P., Wprowadzenie do chemii polimerów, Warszawa, WNT 1983.

[4] Kelar K., Ciesielska D.: Fizykochemia polimerów - wybrane zagadnienia, Wyd. P P, 1997

CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami badań budowy chemicznej polimerów oraz wykonanie badań metodą spektroskopii absorpcyjnej w podczerwieni.

PRZEBIEG ĆWICZENIA:

Przygotować 10% roztwór polistyrenu oraz poli(metakrylanu metylu) w acetonie i po rozpuszczeniu polimerów wylać na folię teflonową. Po odparowaniu rozpuszczalnika zdjąć próbki i umieścić je w odpowiednich uchwytach, a następnie umieścić w komorze spektrofotometru. Po zarejestrowaniu obu widm porównać je między sobą oraz na podstawie atlasu widm przyporządkować odpowiednie pasma absorpcyjne poszczególnym grupom chemicznym.

Metodą prasowania przygotować z granulatu PE i PP cienką folię polietylenową i polipropylenową. Po zarejestrowaniu obu widm porównać je między sobą oraz na podstawie atlasu widm przyporządkować odpowiednie pasma absorpcyjne poszczególnym grupom chemicznym.

Przeanalizować wpływ grubości próbki badanej na przepuszczalność światła podczerwonego i rozdzielczość pasm absorpcyjnych.

Do protokołu z ćwiczenia dołączyć widma IR wraz z ich analizą.

Temat 11: Synteza poliamidu 6 i kopoliamidu kaprolaktamu

z laurynolaktamem (kopolimer PA6/12)

Obowiązujące zagadnienia:

• metody syntezy polimerów i kopolimerów,

• metody prowadzenia polimeryzacji rodnikowej (polimeryzacja w masie i w rozpuszczalniku, emulsyjna, suspensyjna),

• polimeryzacja i kopolimeryzacja anionowa
  -kaprolaktamu.

LITERATURA:

[1] Kelar K., Ciesielska D.: Fizykochemia polimerów - wybrane zagadnienia, Wyd. PP, 1997

[2] Porejko S., Fejgin J., Zakrzewski L.: Chemia związków wielkocząsteczkowych, Warszawa, WNT 1974.

[3] Rabek J. F.: Podstawy fizykochemii polimerów, Wyd. Politechnika Wrocławska 1977.

[4] Stevens M., P.: Wprowadzenie do chemii polimerów, Warszawa, WNT 1983.

CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami syntezy polimerów i kopolimerów. Na przykładzie polimeryzacji anionowej
-kaprolaktamu (KL) oraz kopolimeryzacji KL z
-laurynolaktamem (LL) zapoznanie się z zagadnieniem egzotermiczności procesu chemicznego -polimeryzacji i fizycznego procesu krystalizacji polimeru oraz z problemem skurczu.

PRZEBIEG ĆWICZENIA:

1. Otrzymywanie poliamidu 6 metodą anionowej polimeryzacji kaprolaktamu:

Odważyć 200 g kaprolaktamu i wsypać go do formy szklanej umieszczonej w łaźni olejowej (termostat) o temperaturze 170 ± 5 ^oC. Odmierzyć menzurką 2 ml inicjatora reakcji (Synhydrid) i wlać do kaprolaktamu. Umieścić w formie termometr. Po stopieniu kaprolaktamu i osiągnięciu przez mieszaninę reakcyjną temperatury 130 ± 5 ^oC wprowadzić 0,5 ml aktywatora procesu (2,4-diizocyjanian tolilenu) i całość dokładnie wymieszać. Zanotować czas wprowadzenia aktywatora. Obserwować w czasie zachodzącego procesu polimeryzacji zmiany lepkości mieszaniny reakcyjnej oraz zmiany zabarwienia (zmętnienia) w trakcie zachodzącego procesu krystalizacji. Po wyjęciu odlewu z formy wyznaczyć wartość skurczu technologicznego, jako różnicę między średnicą formy i średnicą odlewu.

2. Otrzymywanie kopoliamidu 6/12 metodą anionowej KL z LL:

Odważyć 150 g kaprolaktamu i 50 g laurynolaktamu i wsypać oba monomery do formy szklanej umieszczonej w łaźni olejowej (termostat) o temperaturze 180 ± 5 ^oC. Odmierzyć menzurką 2 ml inicjatora reakcji (Synhydrid) i wlać do formy. Umieścić w formie termometr. Po stopieniu obu monomerów i osiągnięciu przez mieszaninę reakcyjną 150 ± 5 ^oC wprowadzić 0,5 ml aktywatora procesu (2,4-diizocyjanian tolilenu) i całość dokładnie wymieszać. Zanotować czas wprowadzenia aktywatora. Obserwować w czasie zachodzącego procesu kopolimeryzacji zmiany lepkości mieszaniny reakcyjnej oraz zmiany zabarwienia (zmętnienia) w trakcie zachodzącego procesu krystalizacji. Po wyjęciu odlewu z formy wyznaczyć wartość skurczu technologicznego, jako różnicę między średnicą formy i średnicą odlewu.

Wyciągnąć wnioski dotyczące różnej wartości skurczu w polimerze i kopolimerze i powiązać je z budową krystaliczną polimeru i kopolimeru.

---