Экспериментальные методы исследования тепловых свойств пленок из полимерных материалов

Министерство образования и  науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «Экспериментальные методы исследования и метрология» 

на тему: «Экспериментальные методы исследования тепловых свойств  пленок из полимерных материалов»

 

 

 

 

                                                             

 

 

 

 

 

Тольятти 2011

 

 

Содержание

Введение ………………………………………………………………….3

1. Общие сведения о  полимерах и полимерных пленках……………...5

1.1. История развития полимерных  материалов……………………….8

1.2. Теплофизические свойства полимеров……………………………10

1.2.1. Теплопроводность………………………………………………..11

1.2.2. Теплоемкость……………………………………………………..13

1.2.3. Температуропроводность………………………………………..14

2. Экспериментальные методы  исследования тепловодности и

температропроводности………………………………………………..18

2.1. Стационарные методы  исследования…………………………….18

2.2. Нестационарные методы  исследования………………………….23

3. Экспериментальные методы  исследования теплоемкости………28

4. Сферы применения  полимерных пленок…………………………37

Заключение …………………………………………………………….46

Список используемой литературы. …………………………………..48

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Человек давно использует природные полимерные материалы  в своей жизни. Это кожа, меха, шерсть, шелк, хлопок и т. п., используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент, известь, глина), образующие при соответствующей обработке трехмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы.

В наши дни трудно найти  область современной техники  и быта, которая смогла бы обойтись без полимеров: это и посуда, и  мебель, корпуса приборов, трубопроводы, игрушки, бытовая техника и многое другое. Даже в состав туши для ресниц входят полимеры, обеспечивающие, например, способность ресниц не склеиваться.

Актуальность темы курсовой работы, по теме «Экспериментальные методы исследования тепловых свойств пленок и покрытий из полимерных материалов» заключается в том, что необходимо исследовать покрытия и пленки из полимерных материалов, а также изучению их тепловых свойств. Работа направлена на изучение актуальных вопросов посвященных методам испытаний полимерных покрытий, так же областям применения пленок.

Объектом исследования в  данной курсовой работе является пленки и покрытия из полимеров, а так же их разновидности.

Предметом исследования являются тепловые свойства пленки и покрытия из полимеров.

Цель работы: Подборка и  систематизация информации по объекту  данного исследования.

Задачи:

1) Изучить понятие «полимерные  покрытия»

2) Изучить понятие «полимерные  пленки» 

3) Подобрать информацию  о тепловых свойствах

4) Изучить методы испытаний  полимерных материалов

Структура и объем курсовой работы. 

Курсовая работа состоит  из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 52 страниц. Работа содержит 10 рисунков и список цитируемой литературы из 73 названий.

Содержание работы.

Во первой главе описываются общие сведения о полимерах и полимерных пленках, история их создания, тепловые свойства полимеров.

В второй главе описываются экспериментальные методы исследования тепловодности и температуропроводности.

В третьей главе описываются экспериментальные методы исследования теплоемкости.

В четвертой главе описывается  применение полимерных пленок в различных областях производства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общие сведения  о полимерах и полимерных пленках

Полимерами называют вещества, молекулы которых представляют собой  цепь или пространственную решетку  последовательно соединенных одинаковых групп атомов, повторяющихся большое количество раз. Молекулярная масса полимера очень велика - от1000 до 1000000. молекулярная масса низкомолекулярных соединений обычно не превышает 500. Вещества, имеющие промежуточные значения молекулярной массы, называют олигомерами[1].

Общую формулу полимера можно  записать в виде (-Х-)п, где Х -элементарное звено, п - степень полимеризации.

Рис. 1 Полиэтилен, линейная цепь

 

Исходные вещества, из которых  синтезируют полимеры, называются мономерами. Степенью полимеризации называют число структурных единиц, содержащихся в одной молекуле [2].

Полимериза́ция (др.-греч. πολυμερής — состоящий из многих частей) — процесс образования высокомолекулярного вещества (полимера) путём многократного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера, олигомера) к активным центрам в растущей молекуле полимера. Молекула мономера, входящая в состав полимера, образует так называемое мономерное (структурное) звено. Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера приблизительно одинаков.

Обычно мономерами являются соединения, содержащие кратные связи, которые способны, раскрываясь, образовывать новые связи с другими молекулами, обеспечивая рост цепей.

Механизм полимеризации обычно включает в себя ряд связанных  стадий:

• инициирование — зарождение активных центров полимеризации;
• рост (продолжение) цепи — процесс последовательного присоединения молекул мономеров к центрам;
• передача цепи — переход активного центра на другую молекулу;
• разветвление цепи — образование нескольких активных центров из одного;
• обрыв цепи — гибель активных центров.

 

От вида полимера, его  количества и свойств зависят  важнейшие свойства этих многокомпонентных  материалов: их теплостойкость, способность  сопротивляться действию кислот, щелочей и других агрессивных веществ, а также характеристики прочности и деформативности.

Сырьем для производства полимеров являются

-природный газ

-газообразные продукты  переработки нефти (содержат этилен, пропилен, др. газы)

- каменоугольный деготь, получаемый при коксовании угля (содержит фенол и др. компонентов)

-азот, кислород, получаемые  из воздуха и др. вещества.

По происхождению все  полимеры делятся на 3 группы:

- Природные 

- Искусственные

- Синтетические

Остановимся на каждой группе подробнее.

К природным относятся: натуральный  каучук, целлюлоза, шелк, шерсть, янтарь, белок [3-5].

В природных условиях эти  и другие полимеры существуют не в  той форме, которая нужна потребителю: полимер приходится выделять, очищать, формовать. (Пример: попробуйте увидеть в шкуре барана-мериноса брючный костюм, а в елке - лист бумаги).

Долгое время считалось, что природные полимеры - продукт  деятельности живых организмов, что  в царстве минеральном полимеров  быть не может. Однако, полимеры были найдены и в составе метеоритов, и в продуктах извержений вулканов, и в межзвездной пыли (полиацетилен, формальдегид). Сам человек состоит из полимеров органических (белки, нуклеиновые кислоты). Можно сказать, что полимерное состояние - одна из основных форм существования материи во Вселенной.

Искусственные полимеры, получаемые из природных путем незначительной химической модификации. Примеры: Вискозная нить (получается путем растворения природной целлюлозы в сероуглероде со щелочью с последующим ее выделением. Вискозная нить и целлюлоза природная имеют различную кристаллическую структуру), пластмасса целлулоид (получена путем обработки нитроцеллюлозы камфарой в присутствии спирта) [5];

Синтетические получают искусственным  путем из мономеров по реакции  синтеза, т. е. объединением множества  мелких молекул в несколько макромолекул. Примеры: полиэтилен (-CH2-CH(CH3)-)n (молекулярная масса от 200тыс до 3млн), полистирол (-CH2-CH(C6H5)-)n (50тыс-300тыс), поливинилхлорид (-CH2-CHCl-)n (до 400тыс), ФФС (фенолформальдегидная смола).

Многие синтетические  полимеры не имеют аналогов среди  природных. Особенно видно это на трех китах-3-х полимерах, объем производства которых составляет больше половины объема производства всех синтетических  полимерных материалов: полиэтилене, полистироле, ПВХ (поливинилхлорид) [6-7]. Возникновение их в природе невозможно, т. к. реакции их синтеза требуют большого количества чистых мономеров, применения особых катализаторов.

Реакция полимеризации заключается  в химическом взаимодействии молекул мономеров, в результате чего они присоединяются друг к другу, образуя крупные молекулы.

Теперь введем понятие  полимерной пленки. Это сплошные слои полимеров толщиной, как правило, менее 0,5 мм. Изготовляют главным  образом из синтетических полимеров. Получают пленки полимерные также из природных полимеров (напр., белков, HK (нуклеиновая кислота), целлюлозы; наибольшее распространение получили гидрат-целлюлозные пленки, из которых широко известен целлофан) и искусственных (из простых и сложных эфиров целлюлозы, так называемые эфироцеллюлозные пленки, например ацетатные).

Большое значение приобрели  многослойные пленки из синтетических   полимеров, состоящие из двух, трех, пяти и более монослоев различной природы (одним слоем могут быть фольга, ткань, бумага) [8].

Так же введем понятие полимерного  покрытия.

 Полимерные покрытия — это тип покрытий, состоящих из неорганических и органических, аморфных из кристаллических веществ, которые состоят из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями.

 

 

1.1. История развития полимерных  материалов.

Получением искусственных  полимеров люди занимаются с незапамятных времен. Например, варка столярного клея из рогов и копыт или казеинового  из испорченного молока или сои были известны еще в Древнем Египте. Однако, химическая модификация природных  полимеров проводилась неосознанно. Что именно происходит с полимерной структурой стало понятно лишь в  конце 19-начале 20 века, после того, как  Бутлеров создал теорию химического  строения органических веществ. С тех  пор модификация стала проводиться  осознанно и целенаправленно.

Историю пластмасс принято  отсчитывать от нитроцеллюлозы - в  смеси с камфарой она дает пластмассу целлулоид. Его открыл англичанин Паркес, запатентовал его в 1856г, а в 1956 получил за него бронзовую медаль на Большой международной выставке.

Вообще, большему числу модификаций  подверглась именно целлюлоза: ее и  нитровали, получая бездымный порох, и ацетилировали, и метилировали. Целлулоид считается матерью кинематографии - без этой пленки невозможно было бы создать синематограф. Однако, пожароопасность этой пластмассы привела к тому, что ее производство к началу 20 века практически упало до «0».

В конце 20 годов быстрое  развитие электротехники, телефона и  радио потребовало создания новых материалов с хорошими конструкционными и электроизоляционными свойствами: по первым буквам этих областей (электричество, телефон, радио) были названы новые материалы - этролы. Из них изготавливали корпуса приборов, чертежные инструменты (и по сей день). Полимером для этролов был триацетат целлюлозы. (Из него и сейчас производят негорючие пленки, заменившие целлулоидную) (Триацетат получают путем обработки целлюлозы уксусным ангидридом и уксусной кислотой)

В1887г был получен галалит-первая пластмасса на основе белка (казеина). Промышленное производство было освоено  в 1929 английской фирмой ЭРИНОИД (И в  настоящее время эта фирма  производит листовые и формованные изделия из галалита). В настоящее время этот материал практически забыт, однако в связи с повышением цен на нефть и получаемые из нее мономеры, интерес к нему возрожден.

Во второй половине 19 века был открыт процесс вулканизации природного каучука путем нагревания с серой - получение резины.

В общем объеме мирового производства полимерных материалов целлюлозные пластики занимают всего2-3%, но эти проценты удерживаются прочно, что связано с практически неисчерпаемой сырьевой базой (можно получать из отходов хлопкоперерабатывающей, лесоперерабатывающей промышленности, любое растительное сырье (листья банана, конопля))

Однако, природные и искусственные  полимеры постепенно вытеснили полимеры синтетические.

В 1831г профессор Лебедев  осуществил полимеризацию бутадиенового  каучука.

В 1835г химиком Реньо  был получен ПВХ, а в 1939 Симоном - полистирол. Однако, изучение данных веществ, полученных в ходе исследований ученых как побочный продукт реакции, не было. Такая же ситуация сложилась и с ФФС: в 1872г немецкий химик Байер изучал действие формальдегида на фенолы и заметил, что в реакционной смеси образуются смолянистые остатки, но изучать их не стал. Лишь на рубеже 19-20 веков, когда возникла техническая потребность в конструкционном и электроизоляционном материале появились пластмассы БАКЕЛИТ и КАРБОЛИТ, основой которых служат ФФС. Эти полимеры были заново изобретены в Бельгии в 1907г Бакелидом и у нас Петровым.

В 20-30 годах 20 века получили промышленное применение мочевино-формальдегидные, полиэфирные полимеры. Начиная с 30-х годов начали широко применяться методы полимеризации и были получены полистирол, поливинилацетат, поливинилхлорид и др. позднее появились новые виды поликонденсационных пластиков: полиамидные, полиуретановые и др.

Первая русская пластмасса была получена на основе ФФС в деревне  Дубровка близ Орехово-Зуево.

Несмотря на молодость, пластмассы прочно заняли свое место в ряду строительных материалов. Это объясняется  наличием у пластмасс целого комплекса ценных свойств: стойкостью к различным агрессивным воздействиям, низкой теплопроводностью, технологической легкостью обработки, возможностью склеиваться и свариваться и др[9-11].