2873
.pdf21
Экспериментальная часть
Для измерения краевого угла смачивания подложек различными адгезивами в данной работе используется метод жидкой капли. На подложку, имеющую гладкую поверхность, пипеткой наносят каплю адгезива. Каплю выдерживают некоторое время при определенной температуре для ее растекания на твердой поверхности и установления равновесного краевого угла смачивания. После этого проводят измерения, пользуясь установкой, схема которой приведена на рис. 6.
Контур капли, помещенной между линзой и источником света диапроектора (рис. 6), проектируют на экран, получая увеличенное в 15 раз изображение капли.
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
3 |
|
|
4 |
|
|
5 |
|
6 |
|
7 |
||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
Рис. 6. Схема экспериментальной установки для определения краевого |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
угла смачивания: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1 |
– источник света, 2 – кнопка для включения лампы; |
3 – система линз; |
||||||||||||||||||||||
4 |
– подложка; 5 – ручка наводки на резкость; |
6 – объектив; 7 – экран |
Контур капли зарисовывают на листе бумаги и в точке ее соприкосновения с твердой поверхностью около границы раздела трех фаз проводят касательную. Краевой угол смачивания образца приближенно определяют и при помощи обычных угломерных устройств.
Для более точного определения краевых углов смачивания используют метод, согласно которому измеряют высоту капли жидкости (h), а также диаметр (d) или радиус окружности (r) смачивания. Зная эти размеры капли, рассчитывают tgθ по следующим формулам:
22
при θ > 90о |
tgθ = |
|
2hr |
; |
|
(10) |
|
r 2 −h2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|||
при θ < 90о |
tgθ = |
|
2hr −h2 |
. |
(11) |
||
|
|
||||||
|
|
|
r −h |
|
|
|
Однако в данной работе преимущественно используются капли малого размера, для которых деформацией за счет массы можно пренебречь, и для углов θ < 90о формула (11) упрощается и принимает вид
tgθ = |
h |
= |
2h |
. |
(12) |
r |
|
||||
|
|
d |
|
Рассчитав по (12) значение tgθ, определяют краевой угол смачивания, пользуясь инженерным калькулятором. За искомую величину θ принимают среднее из трех параллельных измерений, результаты опытов сводят в табл. 5.
Таблица 5
Номер |
Подложка |
Адгезив |
h, мм |
d,мм |
tgθ |
θ |
образца |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сделайте вывод о смачиваемости каждого вида подложки различными адгезивами, построив ряд возрастания или убывания смачивания. Сравните разные подложки между собой по степени смачиваемости. Какая из них является гидрофобной или гидрофильной, лиофобной и лиофильной?
Вопросы для самоконтроля и повторения
1.Какие явления называют поверхностными? Примеры.
2.Что такое краевой угол смачивания?
3.Какие поверхности являются гидрофильными и гидрофобными, лиофильными и лиофобными?
23
Лабораторная работа № 4
ПРИГОТОВЛЕНИЕ КЛЕЕВЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ КАРБАМИДОФОРМАЛЬДЕГИДНОЙ СМОЛЫ
Цель работы:
1.Ознакомиться с рецептурой и технологией приготовления различных клеевых композиций на основе КФС и на основе эпоксидной смолы.
2.Сравнить действие различных отвердителей и наполнителей на время отверждения.
Теоретическая часть
Процессы и операции склеивания присутствуют во многих областях деятельности человека: промышленность, строительство, деревообработка и производство мебели, машино- и приборостроение, текстильная промышленность, медицина, упаковочные материалы и др., поскольку именно они способны обеспечить надежность соединения деталей и легкость конструкции.
Склеивание – это технологический процесс получения неразъемного соединения путем адгезионного взаимодействия клея (адгезива) и подложек (склеиваемых поверхностей).
Клеевые материалы – это сложные многокомпонентные системы, основными компонентами которых являются: 1) связующие (клееобразователи) на основе органических или неорганических полимеров или олигомеров; 2) отвердители – химические соединения, вводимые в раствор олигомера для ускорения сшивки и полимеризации; 3) ингибиторы и замедлители отверждения; 4) наполнители, загустители, разбавители; 5) стабилизаторы, тиксотропные добавки; 6) ПАВ, антипирены, вещества, повышающие липкость, растворители, пластификаторы.
Все многообразие клеевых материалов классифицируют по следующим признакам:
1. По происхождению: а) животные (из белковых веществ животных: из молока – казеиновые, крови – альбуминовые; костей, кожи и шкур – костные и мездровые; б) растительные – крахмал, белки семян растений (чины, бобовых, сои, подсолнечника и др.); в) синтетические клеи – получены из синтетических полимеров и олигомеров путем реакций полимеризации и поликонденсации.
24
Природные клеи являются непрочными, нестойкими к воде и микроорганизмам. Они применяются для склеивания бумаги, картона, в производстве музыкальных инструментов, реставрации гравюр и др., в пищевой промышленности для наклеивания этикеток. Синтетические клеи обладают лучшими адгезионными качествами и прочностными свойствами по сравнению с природными клеями.
2.По внешнему виду и форме различают жидкие клеи (растворы, расплавы, эмульсии) и твердые клеи (порошки, гранулы, пленки, ленты и др.).
3.По водостойкости: высоководоупорные – выдерживают воздействие кипящей воды без заметного снижения прочностных качеств (клеи на основе фенолформальдегидных смол); водоупорные – выдерживают воздействие холодной воды (карбамидоформальдегидные смолы, альбуминовые клеи); неводоупорные – не выдерживают воздействие воды (казеино-аммиачные клеи).
4.По реакционной способности: термореактивные – клеи на основе мономеров или олигомеров, которые необратимо отверждаются под действием тепла и катализатора по реакции полимеризации или поликонденсации (резольные, карбамидные, меламиновые смолы); термопластичные – клеи на основе растворов полимеров в органических растворителях, способные обратимо расплавляться и отверждаться после охлаждения и нагревания (природные клеи, порошковые, эмульсионные и пленочные синтетические клеи на основе винилацетата, полиэфиров и полиамидов).
5.По назначению различают клеи: токопроводящие высокоомные с порошком графита; для бытовых нужд; для кожи; для древесины; канцелярские; универсальные.
6.По химической природе связующего-клееобразователя различают:
а) акриловые клеи – на основе мономеров акриловой, метакриловой кислот, акрилатов, имеют высокую адгезию к различным материалам (металлы, стекло, резина, дерево, пластик и др.), прочность, долговечность, высокую скорость отверждения, малотоксичны.
Различают анаэробные акриловые клеи – отверждаются только в отсутствие кислорода, например, в условиях резьбовых соединений; и цианакрилатные клеи – на основе эфиров альфа-цианакриловой кислоты CH2=C(CN)COOR (R-метил, этил, пропил, бутил, аллил);
б) клеи на основе канифоли (смола живицы сосны) – приклеивание бумаги и этикеток;
25
в) клеи на основе каучуков (резиновые клеи), получаемые из натурального и синтетического каучука (дивинилстирольный, изопреновый, хлоропреновый, уретановый, кремнийорганический каучуки и др.), имеющие высокие эластические характеристики после отверждения;
г) клеи на основе карбамидоформальдегидных олигомеров, получаемые при конденсации карбамида с формальдегидом при степени поликонденсации не выше 10. При отверждении они образуют прозрачные, светостойкие, малоэластичные твердые полимеры, нестойкие к действию воды, склонные к усадке, растрескивающиеся со временем;
д) и многие другие виды клеев в зависимости от типа полимерного связующего.
Вдеревообрабатывающей и мебельной промышленности при производстве фанеры, древесностружечных (ДСП) и древесных пластиков и др. широко используют клеевые композиции на основе карбамидоформальдегидных смол (КФС). Наполнителями клеевых композиций обычно являются древесная мука, крахмал, некоторые минеральные вещества (8-10 % (масс.)). Клеи на основе КФС отверждаются в присутствии веществ кислотного характера, преимущественно щавелевой, сульфонафтеновой, хлороводородной и хлорида аммония (0,5-1 % (масс.), как при нагревании (90-120 оС), так и при комнатной температуре.
Впроцессе производства мебели, а также в первое время при эксплуатации из жидких и отвержденных карбамидоформальдегидных клеевых композиций выделяется свободный формальдегид, который попадает в атмосферу и смывные воды при промывке клеенаносящего оборудования, что наносит значительный ущерб окружающей среде за счет токсичного действия на живые организмы. В связи с этим перед учеными и технологами всего мира стоит задача снижения содержания токсичного формальдегида в клеях на основе КФС. На кафедре химии ВГЛТА разработан способ снижения содержания свободного формальдегида в КФ клее за счет введения в рецептуру специальных наполнителей, которые являются адсорбентами (поглотителями) формальдегида. В качестве наполнителя в клеевую композицию вводятся кислотнообработанные глинистые минералы (алюмосиликаты), которые обладают повышенной адсорбционной способностью к формальдегиду, или кислотнообработанные отходы деревообрабатывающих предприятий: древесная мука, измельченная кора различных пород деревьев и др.
26
Экспериментальная часть
Опыт 1. Приготовление клеевой композиции на основе КФС и определение времени ее отверждения
Необходимое оборудование и реактивы:
Весы аналитические; смола карбамидоформальдегидная; различные наполнители (древесная мука (ДМ), природные и активированные глинистые минералы: каолин (КЛН), монтмориллонит (МНТ) и др.); отвердители КФС – хлорид аммония, щавелевая кислота, муравьиная кислота, HCl.
Каждый студент получает индивидуальное задание, в котором преподаватель указывает рецептуру клея. Примерные рецептуры клея приведены в табл. 6.
Таблица 6
Примеры рецептур клея (на 10 г смолы КФС)
№ |
Наполнитель |
|
Объем отвердителя, мл |
|
||||
|
|
|
10 % раствор |
10 % |
|
|
Хлорид |
|
|
|
Масса, |
раствор |
Соляная |
|
|
||
|
Тип |
щавелевой |
|
аммония, |
|
|||
|
|
г |
кислоты |
муравьиной |
кислота, HCl |
|
NH4Cl, г |
|
|
|
|
|
кислоты |
|
|
|
|
1 |
МНТ |
1,0 |
5 |
- |
- |
|
- |
- |
2 |
МНТ |
1,0 |
- |
5 |
- |
- |
- |
|
3 |
МНТ |
1,0 |
- |
- |
5 |
- |
- |
|
4 |
МНТ |
1,0 |
- |
- |
- |
5 |
- |
|
5 |
КЛН |
1,0 |
3 |
- |
- |
- |
- |
|
6 |
КЛН |
1,0 |
- |
3 |
- |
- |
- |
|
7 |
КЛН |
1,0 |
- |
- |
3 |
- |
- |
|
8 |
КЛН |
1,0 |
- |
- |
- |
3 |
- |
|
9 |
ДМ |
1,0 |
2 |
- |
- |
- |
- |
|
10 |
ДМ |
1,0 |
- |
2 |
- |
- |
- |
|
11 |
ДМ |
1,0 |
- |
- |
2 |
- |
- |
|
12 |
ДМ |
1,0 |
- |
- |
- |
2 |
- |
Согласно рецептуре, приведенной в табл. 6, студент готовит образец клеевой композиции. Для этого необходимо взвесить компоненты клеевой композиции в указанной последовательности: наполнитель, отвердитель (если сухой) и в картонной коробочке примерно 10 г КФ-смолы. В коробочку со смолой вначале добавить отмеренное количество наполнителя и перемешивать палочкой до однородной консистенции. После этого вводится отмеренное количество отвердителя (хлорид аммония, щавелевая или муравьиная кислота). Одновременно с введением отвердителя следует засечь время начала
27
отверждения клеевой композиции и постоянно помешивать состав палочкой до его полного затвердевания, время отверждения фиксируют секундомером. Посуду после приготовления клея следует тщательно отмыть горячей водой. Результаты занести в табл. 7.
Таблица 7 Время отверждения клеевой композиции на основе КФС с различными
отвердителями и наполнителями
|
Наполнитель |
|
|
|
Отвердитель |
|
|
|||
№ |
|
|
10 % р-р |
10 % р-р |
1 М р-р |
Хлорид |
||||
Тип |
Масса,г |
щавелевой |
муравьиной |
аммония, |
||||||
|
|
|
кислоты, мл |
кислоты, мл |
HCl, мл |
NH4Cl, г |
||||
|
|
|
|
|
||||||
1 |
МНТ |
1,0 |
5 |
|
5 |
|
|
|
|
|
2 |
МНТ |
0,5 |
3 |
|
3 |
|
|
|
|
|
3 |
КЛН |
1,0 |
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
4 |
КЛН |
0,5 |
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
5 |
т.п. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сравните влияние типа и количества различных отвердителей и наполнителей на скорость отверждения карбамидоформальдегидной клеевой композиции. Сделайте общий вывод. Ответьте на вопросы для самоконтроля, указанные в конце работы.
Опыт 2. Отверждение эпоксидной смолы
Приготовление клеевой композиции на основе эпоксидной смолы
Полимерную банку с эпоксидной смолой погружают на 7-10 мин в сосуд с водой, температура которой 80-90 °С. В фарфоровой чашке взвешивают 3 г эпоксидной смолы и в остывшую смолу добавляют 0,8 г отвердителя, содержащего полиэтиленполиамин с пластификатором. Композицию тщательно перемешивают, и она пригодна к применению в течение 30 мин с момента введения отвердителя.
Склеивание деталей эпоксидным клеем
Вначале необходимо подготовить поверхности склеивания, для этого шлифовальной шкуркой поверхность детали следует зачистить, затем протереть бумагой или ветошью, смоченной в бензине или ацетоне, подсушить. Клеевая композиция наносится на подготовленную поверхность шпателем или любой пластинкой слоем толщиной не менее 2 мм. Склеиваемые детали следует закрепить на время отверждения, нагрузка не должна превышать 3 кг/см2, время отверждения композиции при температуре 18 °С – 16 ч. Запишите данные опыта. Отметьте наблюдаемые явления.
28
Вопросы для самоконтроля:
1.Что представляет собой процесс склеивания?
2.Каковы виды и состав клеевых материалов?
3.Какие токсичные соединения присутствуют в отходах карбамидоформальдегидных смол?
4.Для чего в клеевую композицию вводятся наполнители и другие добавки?
5.Какой процесс протекает при отверждении КФС?
Лабораторная работа № 5
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ В КИСЛОЙ СРЕДЕ. ОКСИДИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ
Цель работы
1.Изучить влияние кислой среды на процесс коррозии металлов.
2.Ознакомиться с процессом оксидирования стали как методом защиты от коррозии.
3.Составить схемы коррозионных элементов и определить их ЭДС.
Теоретическая часть
Основной целью имеющегося многообразия лакокрасочных и металлических покрытий является защита металлов от коррозии, т.е. разрушения под воздействием факторов окружающей среды.
Коррозионные процессы заключаются в окислении металлов,
Meo −ne → Me+n ,
приводящем к их разрушению и большому ущербу для всех отраслей промышленности, использующих металлы, сплавы и изделия из них. Наибольшие потери от коррозии металлических изделий имеют топливноэнергетический комплекс – 29 %, сельское и лесное хозяйство – 20 %, химическая и нефтехимическая промышленность – 15 %, металлообработка – 52 %, прочие отрасли – 30 %.
По механизму протекания различают химическую и электрохимическую коррозию металлов. Химическая коррозия протекает в отсутствие электролитов при температурах, исключающих возможность образования насыщенного пара воды, при этом взаимодействие окислителя с металлической поверхностью не приводит к образованию гальванических пар, генерирующих
29
электрический ток. К химической относятся высокотемпературная (или газовая) коррозия и коррозия в неэлектролитах. Примером газовой коррозии является окисление металлических поверхностей кислородом воздуха при высоких температурах. Например, химической коррозии подвержены детали и узлы машин, работающие при высоких температурах, – двигатели поршневого и турбинного типов, ракетные двигатели. Коррозия в органических жидкостях также относится к химической коррозии.
Электрохимическая коррозия протекает в электролите и характеризуется действием макро- и микрогальванических пар, в результате которого между анодными и катодными участками протекает электрический ток. Примером электрохимической коррозии является коррозия в растворах кислот, щелочей, солей, атмосферная коррозия, коррозия в речной и морской воде. Разрушению подвергаются кузова автомобилей, металлические поверхности машин и механизмов, работающих в атмосферных условиях, а также внутренние поверхности сушильных камер при сушке древесины.
Скорость коррозии (ω) измеряется либо толщиной слоя растворенного металла ( h) за единицу времени (t) и выражается в мм/час, мм/год (глубинный показатель коррозии)
ω = |
h , |
(13) |
|
t |
|
либо изменением массы металла m за определенное время (τ) на определенной площади поверхности (S) по формуле
V к = τ |
m |
|
S . |
(14) |
При этом Vк выражают в г/м2 ч. Это весовой показатель коррозии.
Таблица 8 Величина pH в сушильных камерах в зависимости от породы деревьев,
начальной влажности древесины (Wнач,%) и режима сушки
|
Wнач., % |
|
|
Режим |
|
|
Порода |
|
|
|
|
|
|
|
Сосна, ель |
|
Береза |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Мягкий |
4,1 |
|
3,7 |
||
100 |
|
|
Нормальный |
3,9 |
|
3,3 |
|||
|
|
|
|
Высокотемпературный |
3,4 |
|
3,5 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Мягкий |
3,9 |
|
4,1 |
||
40 |
|
|
Нормальный |
4,2 |
|
3,8 |
|||
|
|
|
|
Высокотемпературный |
3,8 |
|
3,4 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30
Влажность атмосферы и рН среды, в которой происходит эксплуатация металлического оборудования, определяют тип и скорость коррозионных процессов. Например, при увеличении влажности в камерах для сушки древесины рН среды понижается, как показано в табл. 8. При понижении рН скорость коррозии металлов увеличивается.
В табл. 9 приведена десятибалльная шкала коррозионной стойкости по ГОСТ 5272-68.
|
|
|
Таблица 9 |
|
|
Коррозионная стойкость металлов |
|
|
|
|
|
|
|
|
Группа стойкости |
|
Скорость коррозии, мм/год |
Балл |
|
Совершенно стойкие |
|
Менее 0,001 |
1 |
|
|
|
|
|
|
Весьма стойкие |
|
Свыше 0,001 до 0,05 |
2 |
|
Стойкие |
|
Свыше 0,001 до 0,05 |
3 |
|
|
|
Свыше 0,005 до 0,01 |
4 |
|
|
|
Свыше 0,01 до 0,1 |
5 |
|
|
|
|
|
|
Пониженно-стойкие |
|
Свыше 0, 1 до 0,5 |
6 |
|
|
|
Свыше 0,51 до 1,0 |
7 |
|
Малостойкие |
|
Свыше 1,0 до 5,0 |
8 |
|
|
|
Свыше 5,0 до 10,0 |
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нестойкие |
|
Свыше 10,0 |
10 |
|
|
|
|
|
|
Устойчивость различных типов сталей и сплавов представлена в табл. 10. Таблица 10
Устойчивость сталей и сплавов по шкале коррозионной стойкости
Марки |
Группа стойкости |
Углеродистая сталь |
Пониженно-стойкая (6,7 баллов) |
|
|
Х13 |
Стойкая (2-5 баллов) |
|
|
Х18Н9 |
Весьма стойкая (2 балла) |
|
|
Х18Н9Т |
Совершенно стойкая (1 балл) |
|
|
Примечание. Х – содержание хрома, Н – содержание никеля, Т – содержание титана.
Две последние стали, приведенные в табл. 10, являются конструкционными, они наиболее часто используются для изготовления деревообрабатывающего оборудования, а также машин и механизмов лесопромышленного комплекса.