Исследование процесса набухания твёрдых полимеров .

Суть работы заключается в определении зависимости степени набухания желатины от времени набухания. Образцы сухой желатины набухают в воде и растворе одного из электролитов (HCl, CH₃COOH, KCL, KNO₃ и т.п.). Работа выполняется с помощью специальных торзионных весов с масштабом шкалы от 1 до 1000 мг. Получают в лаборантской два стаканчика, две проволочки и два кусочка сухой желатины. Сначала взвешивают две проволочки, на которые затем подвешивают два кусочка сухой желатины, после чего снова взвешивают проволочки с желатиной и таким образом определяют массу каждого из двух кусочков желатины Р₀ (для опыта с водой и для опыта с электролитом).

В один стаканчик объемом 50 – 100 мл наливают воду, в другой раствор электролита, после чего опускают кусочки желатины вместе с проволочками в эти стаканчики. Желательно сделать это с интервалом примерно в 5 минут, чтобы в дальнейшем измерения массы набухшей желатины из двух стаканчиков не накладывались друг на друга. Далее через 15 минут вынимают проволочку с кусочком желатины из первого стаканчика, фильтровальной бумагой осторожно подсушивают капельки раствора на поверхности желатины, не пытаясь отжимать его, после чего взвешивают проволочку вместе с уже набухшей желатиной. Через 5 минут проделывают то же самое с образцом из другого стаканчика. Полученные данные записывают в таблицы 1 и 2. Всего проделывают для каждого стаканчика по восемь измерений с интервалом между каждыми двумя измерениями в 15 минут. Работа рассчитана на два часа. По окончании работы выливают растворы из стаканчиков, проволочки возвращают в лаборантскую, желатину выбрасывают.

 

Образец оформления протокола по работе:

“ Исследование процесса набухания твёрдых полимеров ”

Выполнил студент …(Ф.И.О)… группы ……. курса…….….факультета

По результатам измерения процесса набухания в воде и в данном электролите составляют две таблицы:

Таблица 1. Набухание желатины в KBr.

Время t, мин	Вес проволоки Рпр, мг	Вес проволоки и сухой желатины Р1 , мг	Вес сухой желатины Р0, мг	Вес проволоки с набухшей желатиной Р2, мг	Вес набухшей желатины Рн=P2 –Pпр, мг	Степень набухания W=(Рн-P0)/P0
		112.5	94.5			1.35
			94.5			1.57
			94.5			1.86
			94.5	318.5	300.5	2.18
			94.5			2.53
			94.5			2.80
			94.5			3.04
			94.5			3.31

Таблица 2. Набухание желатины в воде

Время t, мин	Вес проволоки Рпр, мг	Вес проволоки и сухой желатины Р1 , мг	Вес сухой желатины Р0, мг	Вес проволоки с набухшей желатиной Р2, мг	Вес набухшей желатины Рн=P2-Pпр мг	Степень набухания W=(Рн-P0)/P0
	18.5		58.5		106.5	0.82
			58.5		132.5	1.26
			58.5		140.5	1.40
			58.5		152.5	1.61
			58.5	188.5		1.91
			58.5		175.5	2.00
			58.5		184.5	2.15
			58.5		195.5	2.34

 

По полученным данным строят два графика в координатах: степень набухания W от времени набухания t [ мин.] (мы в качестве примера приводим только один график зависимости W от t для набухания желатины в воде (рис.XI.5).

После того как данные из таблицы 2 нанесены на график (рис.XI.5,), проводят усредненную плавную кривую из начала координат.

Процесс набухания протекает как реакция первого порядка:

dW/dt = A(W_∞ - W), где:

А – постоянная, зависящая от природы полимера; W – степень набухания;

W_∞ - предельная степень набухания; dW/dt – скорость набухания.

 

Рис.XIV.5

Можно представить это уравнение в виде W = W_∞ − (1/А) * dW/dt (это уравнение прямой, не проходящей через начало координат), с помощью которого можно найти графически предельную степень набухания W_∞ и константу А. Для этого необходимо построить график зависимости степени набухания W от скорости набухания dW/dt. Для построения такого графика на кривой (рис. XIV.5) выбирают точки, соответствующие времени набухания 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105 мин., и в каждой из этих точек проводят касательную к кривой W = f(t). Используя эту касательную, как гипотенузу, строят треугольники, в каждом из которых катет, соответствующий оси времени, составляет 10 мин. и вычисляют ряд значений ΔW и dW/dt, как это показано на рис .XIV.5.

Затем заполняют таблицу 3 и по её данным строят график зависимости степени набухания W от скорости набухания dW/dt (рис.XIV.6).

Таблица 3.

t, мин.
W	0,70	1,16	1,47	1,71	1,91	2,07	2,21
∆W	0,88 - 0,50	1,26 - 1,04	1,54 - 1,35	1,77 - 1,64	1,96 - 1,85	2,13 - 2,03	2,24 - 2,17
dW/dt	0,038	0,022	0,019	0,013	0,011	0,010	0,007

По этим точкам (на рис. XIV.6 – звёздочки) проводят усредненную прямую, причем экстраполяция этой прямой на ось ординат (dW/dt = 0), даст значение W_∞; а на ось абсцисс (W = 0), даст величину A*W_∞ . После этого вычисляют значение А..

 

Рис.XIV.6

В нашем случае: W_∞ = 2,48; А = 0, 0185.