Влияние размеров образца сшитого эластомера на параметры, характеризующие степень его набухания в жидкостях Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Влияние размеров образца сшитого эластомера на параметры, характеризующие степень его набухания в жидкостях

Д.И. Байдаков,

к.т.н., доцент кафедры материаловедения

Е.А. Юрочкин,

специалист Московской печатной фабрики - филиала ФГУП Гознак

Достоверная количественная оценка последствий контакта полимерных материалов с различными жидкостями не перестанет быть актуальной задачей до тех пор, пока полимеры будут применять в качестве емкостей, упаковки и для других целей. Количественную оценку взаимодействия полимера и жидкой фазы производят по показателям проницаемости, диффузии и сорбции. Одним из них является коэффициент диффузии, значение которого можно определить по степени набухания полимера в жидкости.

Степень набухания полимеров при их контакте с жидкостями определяют разными методами [1]. С точки зрения аппаратурного оформления и обработки экспериментальных данных к самому простому относится весовой метод.

Его сущность заключается в периодическом взвешивании образца полимера, предварительно помещенного в растворитель и набухавшего в нем заданный промежуток времени. По приросту веса вычисляют степень набухания [2, 3]:

Ht = 9t ~9° • 100%, (1)

g°

где gt - вес образца ко времени набухания t, г; g° - начальный вес образца до набухания, г.

101

Для определения конечной (равновесной) степени набухания Нт образец выдерживают в жидкости до тех пор, пока взвешиванием не будет установлено насыщение полимера.

Для получения кинетической кривой набухания (рис. 1) необходимо проделать ряд гравиметрических определений и найти увеличение веса в зависимости от времени набухания.

Кривые кинетики набухания получают для того, чтобы найти по ним значения равновесного набухания Нт и времени половинного

насыщения t05H . Последняя величина связана с важной характеристикой взаимодействия полимера с растворителем - коэффициентом диффузии D [3, 4, 5]:

<Р\2

D = k- ——, (2)

Т0,5ЯМ

где к — эмпирическая константа; 8 - толщина материала, см; tQ!5H^ -время половинного насыщения, с.

Необходимо отметить, что входящий в формулу (2) коэффициент пропорциональности в разных работах, посвященных исследованиям диффузионных процессов в полимерах, имеет различное значение: 0,04939 в работе [3]; 0,04906 в работе [4] и 0,063 в исследовании [5]. При этом обоснования правомерности применения того или иного значения коэффициента кили универсальной применимости одного его значения для разных полимеров в работах отсутствуют.

Установление зависимости коэффициента пропорциональности формулы (2) от природы полимера, физико-химических характеристик проникающей в полимер жидкости и размеров образцов, применяемых в опытах по набуханию, представляет научный и практический интерес.

102

Первым и наиболее простым шагом в решении поставленной задачи стало выяснение влияния размерных характеристик испытуемых образцов на параметры набухания.

Для проведения испытаний были изготовлены 2 образца из канцелярского ластика, отличающиеся вдвое по всем трем геометрическим размерам (длине, ширине и высоте). Данные по размерным характеристикам образцов резин приведены в табл. 1. Испытуемые образцы резин погружали в керосин. Через определенные интервалы времени образцы вынимали из керосина, удаляли с поверхности его остатки и взвешивали образцы с точностью до 0,0001 г. Степень набухания была рассчитана по формуле (1). Полученные результаты представлены на рис. 2.

Н, %

Рис. 2. Кинетические кривые набухания в керосине в течение нескольких суток образцов резины канцелярского ластика, различающихся вдвое по линейным размерам. Звездочки соответствуют значениям параметров

набухания: Ht = H и t=t05H^

Таблица 1

Размерные характеристики испытанных образцов резины канцелярского ластика

Образец Длина, см Ширина, см Высота, см Суммарная площадь поверхностей, Х5, см2 Объем, V см3 ES/V см-1

1 2 1,6 0,8 12,16 2,56 4,75

2 1 0,8 0,4 3,04 0,32 9,50

103

Из анализа данных, представленных в на рис. 2 следует, что кинетика набухания зависит от размеров образца. Значение предельного насыщения одно и тоже для образцов разных размеров, однако время достижения насыщения и время половинного насыщения увеличивается с увеличением размеров образца. Так, для образцов из ластика с

толщиной 0,4 и 0,8 см время половинного насыщения to,5H„ соответственно равно 130 и 211 мин.

Расчеты коэффициента диффузии по формуле (2), при коэффициенте пропорциональности к, условно принятом равным единице, дают следующие результаты: для 8 = 0,4 см

D= к-

8

2

2

- = 1-

0,4

^о,5#„ 78°°

для 8 = 0,8 см

= 2,05 -10 5 см2/с

8

2

0,8

2

D=к—-— = 1 ,^^ = 5,06.10-5 см2/с.

^0,5Нт 12660

(3)

(4)

При увеличении размеров образца вдвое коэффициент диффузии возрастает в 2,47 раза. Необходимо отметить, что при одной и той же кратности увеличения размеров образца по его осям, соотношение значений коэффициентов диффузии, рассчитанных для трех главных осевых направлений (толщины, ширины, длины), остается постоянным.

Очевидно, что коэффициент диффузии одной и той же жидкости в один и тот же полимер должен иметь однозначное значение и характеризовать процесс их взаимодействия. В таком случае одно и то же значение коэффициента диффузии, независимо от размера образцов, может быть получено при условии, что значения эмпирического коэффициента пропорциональности кв формуле (2) должны зависеть от размеров образцов.

Набухание образца № 2 происходит более интенсивно, чем образца № 1. Это объясняется тем, что у меньших по объему образцов отношение площади поверхности к объему больше. В результате роль поверхностных слоев, обладающих избыточной поверхностной энергией Гиббса, при взаимодействии полимера и жидкости возрастает при увеличении отношения площади поверхности образца ZS к его объему 1/(табл. 1).

При достижении жидкостью центральных областей большего по размерам набухающего образца ее концентрация в полимере постепенно выравнивается и образцы независимо от размеров достигают одного и того же значения предельного набухания.

104

Таким образом, актуальными становятся исследования влияния размеров образцов полимера на эмпирический коэффициент кв формуле расчета коэффициента диффузии (2). При наличии такого влияния во всех исследованиях и испытаниях, связанных с определением коэффициента диффузии, необходимо будет в обязательном порядке указывать размеры примененных образцов. В тех случаях, когда набухание полимеров не достигает насыщения, сравнение последствий взаимодействия полимера и жидкости будет корректным по результатам, полученным не только при одинаковых внешних условиях (температура, давление и т. д.), но и при одинаковых размерных характеристиках образцов.

Библиографический список

1. Тагер А.А. Физико-химия полимеров / А.А. Тагер. - М. : Научный мир, 2007. - 573 с.

2. Агеев М.А., ГлузманВ.Л. Кинетика набухания волокон макулатуры. Химия растительного сырья. 2007. №1. С. 95-98. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www. chem.asu.ru/chemwood/ volume11/2007_01 /0701_095.pdf, свободный.

3. ГромовА.Н. Руководство по практическим занятиям по материаловедению : учеб. пособие / А.Н. Громов, Н.Н. Божко, В.А. Муров. - Новогорск : Академия гражданской защиты, 1999. - 116 с.

4. Павлюченко В.Н., Иванчев С.С., Примаченко О.Н., Хай-кин С.Я., Даниличев В. Ф, Прошина В. С., Трунов В.А, Лебедев В. Т, Куль-велис Ю.В. Полимерные гидрогели для иммобилизации лекарственных веществ, обладающие эффектом памяти. Высокомолекулярные соединения, Серия А, 2011, том 53. - № 4. - С. 560-573: [Электронный ресурс] Режим доступа: http://144.206.159.178/ft/7756/930304/ 15639367.pdf, свободный.

5. Путина Н.В. Разработка физико-химических основ технологии крашения натуральных волос : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. -М. : РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007. - 16 с: [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.msta.ac.ru/web2/autoreferat/getfile.aspx?p= 0834AA0AC38BF868579682753332D4A2AEEBF219, свободный.

105