Распознавание природы пластмасс по набуханию и растворению в органических и неорганических растворителях

Химическая стойкость пластмасс. Это важный эксплуатацион­ный показатель, поскольку изделия из пластмасс подвергаются воздействиям различных химических сред. Для посудохозяйственных изделий таковыми являются холодная и горячая вода, жиры и масла (пищевые продукты), растворы мыла, различные хими­ческие реагенты. Стойкость - неизменность внешнего вида, цве­та, блеска поверхности изделий.

При химическом воздействии возможны и более глубокие из­менения - потеря формы, размягчение пластмассы или раство­рение изделия.

По химической стойкости пластмассы (и изделия из них) под­разделяют на химически стойкие, малостойкие и нестойкие. При­мером химически стойких изделий из пластмасс являются изде­лия из фено-, амино-, фторопластов (политетрафторэтилены).

Химическая стойкость пластмасс в значительной степени за­висит от таких физико-химических показателей, как степень сшив­ки и степень кристалличности, молекулярная масса полимера, на основе которого получена пластмасса, вид наполнителя и степень наполнения пластмассы, химическая природа растворителя и тем­пература растворения (Приложение 1).

В общем виде взаимная растворимость полимера (пластмас­сы) и растворителя значительно зависит от их химического стро­ения. Существует правило, согласно которому «подобное раство­ряется в подобном», т.е. взаимно растворяются вещества, близ­кие по химическому строению. В качестве критерия «подобности» строения обычно принимается энергия межмолекулярного взаимодействия.

Известно, что слабосшитые реактопласты способны набухать в воде или органических растворителях, а при высоких степенях сшивки это свойство не реализуется (например, новолачные и резольные смолы, фенопласты).

С увеличением молекулярной массы полимера в любых поли-мергомологических рядах способность к растворению всегда умень­шается. Низкомолекулярные полимеры (или олигомеры) могут растворяться в определенной жидкости, тогда как высокомолекулярные полимеры могут в ней только ограниченно набухать.

На растворение полимеров сильное влияние оказывают плот­ность упаковки и фазовое состояние полимера (наличие кристал­лической фазы и ее доля - степень кристалличности). Наличие плотной упаковки макромолекул в кристаллической решетке при­водит к тому, что требуется большая затрата энергии на ее разрушение. Поэтому кристаллические полимеры, такие, например, как полиэтилен или полипропилен, не растворяются в жидкостях, даже близких к ним по полярности при комнатной температуре; для растворения их следует нагреть до температуры, близкой к температуре плавления полимера.

Наполненные полимеры обычно растворяются хуже, чем не­заполненные, вследствие особого их состояния на границе разде­ла фаз полимер - наполнитель.

Использование данных по растворимости или набуханию об­разца пластмассы или изделия из нее позволяет получить допол­нительные сведения к ранее полученным данным внешнего ос­мотра и характера горения пластмассы для его идентификации.

Определение водопоглощения в воде. Количественное определение величины водопоглощения образцов пластмассы позволяет оценить ее природу. Сравнение величин водопоглощения позволяет провести идентификацию упаковочных пленок: целлофана, лавсана и полиэтилена.

Образцы испытываемых пластмасс в виде кусочков или пленок размерами 2 х 2 см предварительно взвешивают на аналитических весах, записывают их массу (w₀). Взвешенные образцы погружают в стаканчик с кипящей дистиллированной водой и выдерживают в ней в течение 30 мин, затем переносят в стаканчик с холодной дистиллированной водой и через 5 мин вынимают, аккуратно вытирают фильтровальной бумагой и снова взвешивают на аналитических весах, записывая массу (w₁). Водопоглощение В,% вычисляют по формуле (2.2):

, (2.2)

где w₁ — масса образца после пребывания в воде, г;

w₀ — масса образца до пребывания в воде, г.

При определении водопоглощения в холодной воде предварительно взвешенный образец выдерживают в стаканчике с дистиллированной водой в течение 24 ч при комнатной температуре, после чего образец вынимают, вытирают фильтровальной бумагой и вновь взвешивают. Водопоглощение рассчитывают по вышеприведенной формуле. Результаты наблюдения записывают в таблицу 2.8.

Определение стойкости к кипящей воде. Для исследования берут два кусочка одной и той же пластмассы. Образец пластмассы погружают в стаканчик с кипящей дистиллированной водой и кипятят его в течение 10 мин, затем извлекают из воды, охлаждают, вытирают фильтровальной бумагой. Испытываемый образец сравнивают с контрольным и отмечают изменения его внешнего вида. У пластмасс, стойких к действию кипящей воды, не должны изменяться цвет, блеск, появляться трещины, вздутия, коробления. Следует обратить внимание на воду после кипячения образца — она не должна окрашиваться, мутнеть и изменять запах. Результаты наблюдения записывают в таблицу 2.8.

Определение растворимости в органических растворителях. Об­разцы пластмасс в виде мелких кусочков (массой не более 0,5 г) или пластмассовую фурнитуру помещают в пробирки или бюксы с притертой пробкой и добавляют 2 - 3 мл органического раство­рителя (ацетон, этиловый спирт, гексан, бензол, толуол, четыреххлористый углерод, диоксан и т. п.). Пробирки оставляют на 1 ч при комнатной температуре для набухания пластмассы. По исте­чении этого времени отмечают, какие изменения произошли с образцами: набухает пластмасса или нет. Затем помещают про­бирки в водяную баню и нагревают, но не выше температуры кипения растворителя. Отмечают, происходит ли набухание пластмассы. Поскольку процесс растворения высокомолекулярных coединений является длительным, заключение о нерастворимости или растворимости пластмассы следует делать не ранее чем через 24 ч контакта с растворителем. Поэтому закрытые пробирки или бюксы с растворителем оставляют до следующего занятия. Результаты наблюдения записывают в таблицу 2.8 и сравнивают полученные результаты с данными Приложения 1, объясняя peзультаты.

Особое внимание следует обратить на стойкость пластмассовой галантереи (фурнитуры) к действию органических растворителей, используемых для химической чистки одежды.

Определение степени набухания образца пластмассы с помощью торсионных весов. Кусочек пластмассы массой т (мг) взвешива­ют на аналитических весах, а затем на торсионных весах отмечают начальную массу т₀. В непосредственной близости к образцу под­водят стаканчик с органическим растворителем таким образом, чтобы образец находился над поверхностью растворителя (в па­рах). Образец взвешивают на торсионных весах через определен­ные промежутки времени, сначала через 5, 10, 15, 20 мин, затем через каждые 10-20 мин до установления постоянной массы, которую обозначают m _равн. На миллиметровой бумаге строят кине­тическую кривую изменения прироста массы в зависимости от его продолжительности. Определяют степень набухания (%) об­разца по формуле (2.3):

(2.3)

где т₀ - масса образца до набухания, мг;

m _равн - масса образца после набухания, мг.

Результаты наблюдения записывают в таблицу 2.9.

Стойкость пластмасс к действию масел, жиров. Стойкость пласт­массы проверяют обработкой поверхности образцов различными маслами (вазелиновым, оливковым, подсолнечным и т.п.) или пластификаторами (диоктилфталатом, диметилфталатом и т. п.) или жирами по выбору. Действие указанных веществ оценивают сравнением с контрольным образцом. Отмечают изме­нение характера поверхности: появление липкости, вздутия, ко­робления, трещин. Результаты наблюдения записывают в таблицу 2.8.

Определение стойкости пластмасс к действию различных агрес­сивных сред. Агрессивные химические среды, как правило, пред­ставляют собой водные растворы неорганических (НС1, HNO₃, H₂SO₄) или органических кислот (СН₃СООН), оснований или солей (NaOH, КОН, NaCl, Na₂CO₃ и др.). Образцы пластмасс в виде кусочков помещают в пробирки или бюксы с притертыми пробками и добавляют 10%-ные растворы соляной, серной, азотной, уксусной кислот, едкого натра или едкого калия (Приложение 1). Пробирки оставляют в штативе в вытяжном шкафу при ком­натной температуре на 2 ч, изредка осторожно встряхивая. Через 2 ч отмечают изменения, происходящие с образцами. Если види­мых изменений нет, то образцы осторожно вынимают, ополаски­вают проточной водой, вытирают фильтровальной бумагой и срав­нивают с контрольным образцом. Проверяют изменение цвета ра­створа химического реагента. Результаты наблюдения записывают в таблицу 2.8 и сравнивают полученные результаты с данными Приложения 1, объясняют результаты.

Делают вывод о стойкости испытываемой пластмассы к тому или иному химическому реагенту.

Определение стойкости пластмасс к действию бытовых химических сред. Стойкость пластмасс к действию бытовых химических сред устанавливают в 1%-ном растворе уксусной (или щавелевой) кислоты и горячем мыльно-содовом растворе. Особое значение такие испытания имеют для посудохозяйственных изделий, предназначенных для приготовления или хранения пищевых продуктов.

Образец пластмассы массой не менее 2 г помещают в пробирку и заливают 1%-ным водным раствором щавелевой кислоты, затем кипятят содержимое в пробирке на открытом огне в течение 10 мин, после чего образец сравнивают с контрольным, а раствор — с исходным раствором. Отмечают изменение цвета образца и блеска поверхности, изменение цвета и запаха раствора.

При определении стойкости пластмасс к действию 1%-ного водного раствора уксусной кислоты образцы выдерживают в нем в течение 2 ч при комнатной температуре. Контрольный образец сравнивают с испытанным, а раствор — с исходным раствором, отмечая происходящие в них изменения.

При испытании стойкости образцов пластмассы к действию мыльно-содового раствора имитируют возможные условия мытья посуды из пластмассы. Для этого образец помещают в стакан, заливают мыльно-содовым раствором (5 г хозяйственного мыла и 3 г кальцинированной соды на 1 л воды), предварительно подогретым до 50 - 60 °С. Образцы выдерживают в горячем растворе 5 мин, после чего их ополаскивают в теплой воде, вытирают и осматривают, сравнивая с контрольным образцом.

Результаты наблюдения записывают в таблицу 2.8.

Таблица 2.8.

Распознавание природы пластмасс по набуханию и растворению в органических и неорганических растворителях

№ образца	Водо- поглощение В, %	Стойкость к кипящей воде	Растворимость в органических растворителях	Набухание W, %	Стойкость к действию масел и жиров	Стойкость к действию агрессивных сред	Стойкость к действию бытовых химических сред	Вид пластмассы
1.
…
n

Контрольные вопросы

1. В каких физических состояниях может находиться полимер?

2. Каковы основные компоненты пластмасс?

3. В чем отличие термопластов от термореактопластов?

4. Каковы методы обработки термопластов и термореактопластов?

5. Каковы основные виды пластмасс?

6. В чем сущность распознавания пластмасс по внешнему виду, отношению к нагреванию и характеру горения?

7. По каким критериям определяют природу пластмасс по физико-механическим и физико-химическим свойствам?