Lucrări Practice DE Stiinta Si Ingineria Materialelor Polimerice Si Compozite

CĂTĂLIN CROITORU

LUCRĂRI PRACTICE DE ȘTIINȚA ȘI INGINERIA MATERIALELOR POLIMERICE ȘI COMPOZITE

Cuvânt Înainte

Prezentul material reprezintă o colecție de lucrări practice din domeniul științei și ingineriei materialelor polimerice și compozite cu matrice polimerică. Sunt tratate aspecte legate de sinteza, proprietățile, caracterizarea și metodele de prelucrare ale unor materiale cu o largă aplicabilitate practică, punând accent pe corelația dintre structura și proprietățile acestora.

Sunt prezentate și aspecte practice legate de îmbinarea și lipirea materialelor polimerice, materialul fiind destinat atât formării studenților de la programele de studii aferente domeniului ingineriei materialelor și ingineriei industriale, cât și acelor care doresc aprofundarea în domeniul materialelor polimerice, cu aplicabilitate din ce în ce mai largă

Cuprins

Lucrarea #1

Identificarea calitativă a polimerilor utilizând testul cu flacăra

1. Scopul lucrării

Se urmărește prezentarea unei metode calitative de identificare a tipului de material polimeric, pe baza comportamentului acestuia la ardere în flacăra unei spirtiere. Metoda poate fi utilizată și pentru a discrimina între cele două clase de materiale polimerice: termoplastice și termorigide.

2. Principii teoretice

Marea majoritate a polimerilor organici sunt în general stabili până la temperaturi de 150-2000C.

Peste această temperatură are loc degradarea moleculei polimerului într-o manieră care este în strânsă dependență de structura acestuia. În funcție de comportamentul termic, polimerii organici se pot împărți în două mari clase: polimeri termoplastici și polimeri termorigizi. Polimerii termoplastici (circa 80% din materialele polimerice cu aplicabilitate în industrie), atunci când sunt încălziți peste o anumită temperatură, numită temperatură de tranziție sticloasă (Tg) se înmoaie, putînd fi modelați, pe când polimerii termorigizi nu pot fi (re)modelați prin încălzire, ci doar prin procedee mecanice. Practic, polimerii termorigizi au valoarea Tg atât de mare încât aceasta nu poate fi atinsă înainte ca polimerul să se descompună. Exemple de polimeri din fiecare categorie sunt redate în Tab. 1.1. La temperaturi ridicate, polimerul suferă o serie de transformări ireversibile cum ar fi:

Scindarea (ruperea) lanțului polimeric, cu formare de compuși cu molecule de dimensiuni mai mici, cu miros specific, care pot colora flacăra în mod diferit. Polimerii se înmoaie (cei termoplastici) și își modifică culoarea spre galben-maroniu. Acest proces are loc la temperaturi mai mici. Majoritatea polimerilor emană în principiu la degradare substanțe volatile cu miros neplăcut (hidrocarburi aromatice grele, parafine oxidate, acizi minerali, etc.), cu excepția celor termoplastici cu structură aromatică.

Descompunerea lanțului polimeric cu formare de dioxid de carbon, vapori de apă și alte gaze, în funcție de particularitățile compozițioale ale materialului. În cazul arderii incomplete se formează particule foarte fine de carbon, care ard cu scântei galbene și care se emană din flacără sub formă de fum negru înnecăcios. Aceasta este etapa de carbonizare a materialului polimeric, care are loc în condițiile unei încălziri îndelungate la temperaturi ridicate [1].

Tab.1.1. Comportamentul la încălzire al diferiților polimeri [1]

Tab.1.1. (continuare)

Tab.1.1 (continuare)

Tab.1.1 (continuare)

3. Modul de lucru

Se parcurg etapele corespunzătoare încălzirii în flacără pentru diverse materiale polimerice, furnizate de către cadrul didactic titular de lucrări de laborator. Drept sursă de flacără se utilizează o spirtieră cu etanol sau eter de petrol (nu ulei, deoarece maschează culoarea galbenă).Testul cu sârma înroșită se aplică în modul următor:

se ține în flacăra unei spirtiere o sârmă de oțel cu ajutorul unui clește până când aceasta se înroșește;

se aplică sârma încălzită pe suprafața particulei de polimer analizată și se observă comportamentul acesteia. Dacă polimerul se topește inițial atunci acesta face parte din categoria termoplasticelor, iar dacă nu se constată topirea/înmuierea acestuia până la etapa de degradare, acesta aparține clasei materialelor termorigide.

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde modul de lucru și tabelul cu observații experimentale completat (Tab.1.2), în cazul analizei unor materiale polimerice (atât polimeri puri cât și din deșeuri). În funcție de materialul avut la dispoziție, se va stabili dacă metoda calitativă utilizată este suficient de sensibilă pentru a discrimina între diverse tipuri de polimeri și în ce cazuri ar fi nevoie de analize suplimentare pentru o identificare mai specifică. Se vor specifica și cauzele datorită cărora analiza unor categorii de materiale polimerice utilizând această metodă este mai puțin specifică.

Tab.1.2. Caracteristici ale testului în flacără

5. Bibliografie

Shah, V. Handbook of plastics testing and failure analysis. Hoboken, NJ: Willey-Interscience, 2006.

Lucrarea #2

Studiul microscopic al probelor polimerice. Polimerografia

1. Scopul lucrării

Se vor studia aspecte referitoare la investigarea microscopică probelor de material polimeric, implicând toate etapele aferente, și anume: pregătirea probelor pentru studiul microscopic, atacul cu reactivi chimici spcifici pentru revelarea structurii precum tehnicile de observație microscopică specifică.

2. Principii teoretice

Polimerografia reprezintă știința care se ocupă cu studiul microscopic al modului/gradului de cristalizare, al constituenților specifici din materialele polimerice (orientarea cristalitelor, identificarea unor faze specifice corelate cu materialele compozite), precum și al prezenței defectelor de structură (microfisuri, pori, etc.).

Informațiile obținute sunt mai ales din domeniul calitativ, însă se pot extrage și o serie de informații cantitative, privitoare la dimensiunea sferulitelor, a zonei de întrepătrundere a componenților în cazul blendurilor (amestecurilor) polimerice precum și a zonei de interfață în cazul materialelor compozite.

Tot prin polimerografie în lumină polarizată se pot obține informații despre birefringența materialelor, reflectanța în domeniul vizibil, indicele de refracție, etc [1].

Pentru a putea fi examinată microscopic, proba trebuie să parcurgă o serie de etape preparative, cum ar fi: secționare, înglobare, șlefuire, lustruire și atac polimerografic.

Secționarea probelor din polimeri și materiale compozite (inclusiv lemnul) se poate realiza fie cu ajutorul unui cuțit din oțel (Fig.2.1a), fie cu ajutorul unui instrument specializat, numit microtom (Fig.2.1b) [2].

Micrometrul este alcătuit principial din: 1-sanie cu a) sistem de prindere a cuțitului; b) suport reglabil cuțit; c) apărătoare; d) mecanism de blocare a saniei cuțitului; e) sistem de reglare pentru tăierea sub unghi; 2- sistem de prindere a specimenului cu a) și b) sistem de reglare și orientare a probelor; c) sistem de închidere a mecanismului de prindere; 3a) sistem de reglare a grosimii speimenului secționat; 4- sistem grosier de reglare a avansului probei; 5- sistem de acționare a cuțitului pentru tăierea specimenului; 6-sistem automat de secționare.

Fig.2.1. (a): Cuțite de microtom; (b): microtom; (c): probe de polietilentereftalat secționate cu microtomul [2]

Pentru probe dure din material compozit sau rășini termorigide se preferă o mașină de tăiat cu disc din carbură de siliciu sau diamant, la fel ca și în cazul materialelor metalice. Pentru a evita încălzirea excesiva a probelor, acestea se pot răci fie cu apă distilată (apa de la robinet conține săruri care se pot depune în secțiune sau pot modifica porozitatea probei).

Pentru observația microscopică, probele de polimer pot fi înglobate. Se pot utiliza în principiu rășini termorigide bicomponente (polimer+ întăritor) cu masă molară mică. Cel mai adesea se utilizează rășina epoxi cu reacție de întărire la temperatura camerei, iar pentru probele poroase se preferă înglobarea în vid (100 mmHg) [1,3].

Următoarea etapă este cea de șlefuire și lustruire. În acest scop se pot utiliza pentru șlefuire paste abrazive de carburi sau diamant de granulație 320, 400 și 600, iar pentru lustruire fie pastă de diamant cu diametrul particulelor sub 1m, fie o bucată de material textil (bumbac de calitate) impregnată cu o suspensie de 1:1 săpun lichid în apă.

Cea mai importantă operație în polimerografie este atacul cu reactivi specifici, pentru revelarea structurii materialului analizat. Mai jos sunt prezentate o serie de tehnici de pregătire a probelor, clasificate pe categorii de materiale polimerice.

Materiale poliamidice (nailon 6)

Probele de poliamidă (cum ar fi cele de nailon) se pot ataca prin imersie în xilen la 65-700C timp de 2-3 minute. Microstructura se poate observa cu ajutorul unui microscop optic biologic (prin transmisie) utilizând lumină polarizată, sau prin reflexie, folosind un microscop metalografic prevăzut cu filtru polarizor și analizor [2].

Fig.2.2. Nailon 6- A: probă atacată în xilen vizualizată în lumină polarizată prin reflexie (180x), B: probă subțire microtomată, vizualizată în lumină polarizată prin reflexie (180x), C: supraatacată în xilen la 800C timp de 1 min, D: supraatacată 2 min la 800C vizualizare în lumină reflectată [2]

Atât în cazul probei atacate cu xilen (Fig. 2.2.A), cât și a celei neatacate și microtomate (Fig. 2.2.B) se observă prezența sferulitelor și a limitelor acestora, structură tipică pentru materialele polimerice termoplastice. Prin supraatacarea probei, sferulitele sunt încă vizibile, însă în acest caz atacul este diferențiat, zonele care conțin lanțuri macromoleculare de dimensiuni mai mici se gonflează mai mult sub acțiunea solventului și unele aspecte structurale se pierd.

Fig. 2.3 prezintă microstructura unui nailon aditivat, cu adaos de 2% vol. de talc (A) și respectiv 15% vol. fibre de sticlă. Proba a fost microtomată și supusă atacului polimerografic cu xilen la 500C. Zonele cu cristalinitate ridicată apar pe un fond mai deschis în microstructuri [1,4].

Fig.2.3. Microstructura nailonului 6 aditivat-A: cu 2% vol. talc și B: cu 15% fibre de sticlă [2]

În ambele cazuri se poate observa prezența agentului de umplere. În Fig.2.3. A, se observă și aglomerările locale de agent de umplere, datorate unei insuficiente amestecări a recepturii în stare topită, precum și datorită diferenței de polaritate dintre talc și polimer.

Datorită indicelui de refracție diferit, se pot observa atât fibrele de sticlă (Fig. 2.3 B) cât și zona de interfață dintre fibră și polimer.

Nailonul 6-6, mai rigid decât nailonul 6 și cu un grad de cristalinitate mai ridicat se poate șlefui la suprafață si supune atacului polimerografic cu xilen sau toluen la temperaturi de 50-700C timp de 2-5 min, pentru a revela structura formată din sferulite cu formă neregulată, pe care se observă în mod distinct zone deschise la culoare, în care cristalinitatea polimerului este mai ridicată. În cazul acestui tip de polimer, se mai practică și o formă de atac termic cu durată îndelungată (10-20 ore) la temperaturi de 110-1300C. probele se pot vizualiza atât în lumină polarizată reflectată cât și transmisă [5].

Fig.2.4. Microstructura nailonului 6,6- A: suprafață șlefuită atacată în xilen la 750C timp de 4 min, vizualizată în lumină polarizată reflectată (500x); B: eșantion microtomat vizualizat în lumină transmisă polarizată; C: secțiune prin probă tratată termic la 1250C timp de 18 h, vizulalizare în lumină reflectată; D: strat subțire de C, vizualizat în lumină transmisă (500x)[2]

Claritatea cea mai mare se obține la analiza probelor prin transmisie. Prin tratament termic partea predominant amorfă se înmoaie, prin acest fapt creându-se o serie de microdenivelări pe suprafața eșantionului.

Materiale poliolefinice (polietilenă, polipropilenă și derivați funcționalizați ai acestora)

Aceste materiale se pot vizualiza la microscop în lumină transmisă sau reflectată în urma unui atac polimerografic prealabil. Cel mai frecvent se utilizează un amestec de benzen: cloroform: xilen în raport volumetric de 1:1:1, la temperaturi de 80-850C prin imersie timp de 2-3 min, urmat de răcire rapidă la temperatura camerei.

Pentru a nu aduce modificări suplimentare morfologiei probei, uneori probele de poliolefine se atacă prin menținerea unui timp de 30 min-4 ore într-o atmosferă cu vapori de xilen, urmată de tratament termic la 850C timp de 30-45 min (Fig. 2.5).

Fig.2.5. Probă de polietilenă- A: supusă atacului în atmosferă de xilen (lumină polarizată, vizualizare prin transmisie 500x) și B: proba A mărită de 2000x vizualizată în lumină reflectată [2]

Derivații de polietilenă, cum ar fi poli (tetrafluoroetilena) se pot observa în lumină polarizată în urma atacului cu tetraclorură de carbon la 800C timp de 15 min, urmată de o baleiere a suprafeței supuse analizei cu un laser de mică putere (200-500 mW). O astfel de microstructură este ilustrată în Fig. 2.6.

Fig. 2.6. Secțiune printr-o probă de poli (tetrafluoroetilenă) vizualizată în lumină transmisă polarizată (500x) [2]

Și în acest caz se observă o structură tipică unui polimer termoformat, cu sferulite neomogene, cu dimensiuni mai mici spre marginea probei, care a fost în contact cu peretele matriței.

3. Modul de lucru

Se parcurg etapele corespunzătoare preparării amestecurilor de reactivi utilizați pentru atacul polimerografic (xilen:toluen, xilen: cloroform) respectând indicațiile și proporția volumetrică menționată de cadrul didactic îndrumător. Drept sursă de tratament termic pentru probe se utilizează un cuptor cu temperatură reglabilă sau o etuvă.

Probele de materiale polimerice (polietilenă, polipropilenă, poliamide, polistiren, elastomeri, etc.) din dotarea laboratorului de studiul materialelor se secționează cu ajutorul unui cuțit de microtom, se atacă cu reactivul specific și se vizualizează la microscop în lumină polarizată, fie utilizând un microscop biologic (Carl-Zeiss Jena, Vertival, prevăzut cu polarizor și analizor), fie un microscop metalografic (Carl-Zeiss Jena Epityp-2, prevăzut cu accesoriul de diferență de contrast în lumină polarizată).

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde modul de lucru și tabelul cu observații experimentale completat (Tab.2.1), în cazul analizei unor materiale polimerice din dotarea laboratorului. Se va menționa pentru fiecare probă analizată detaliile referitoare la microstructură, în corelație cu informațiile referitoare la modalitatea de obținere a probelor (prin injecție, termoformare, etc.).

Tab.2.1. Observații experimentale

5. Bibliografie

Cheremisinoff, N.P. Handbook of polymer Science and Technology: Vol.1: Synthesys and properties, Marcel-Dekker, New York, S.U.A., 1989.

http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/indexmag.html?http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/artmar07/yl-para3.html

Gooch, J. W. Encyclopedic Dictionary of Polymers, Springer-Verlag, Berlin, Germania, 2000.

Barr, D.B. Phase Contrast Polymerography: Enhancement of Image Details in Polymer Electron Microscopy. PhD thesys, Stanford University, S.U.A., 1971.

Molau, G.E. Colloidal and Morphological Behavior of Block and Graft Copolymers. Plenum Press, Londra, Marea Britanie, 1970.

Lucrarea #3

Studiul comportamentului polimerilor la acțiunea compușilor organici

1. Scopul lucrării

Se urmărește familiarizarea studenților cu conceptul de solvent bun și solvent rău (nesolvent) pentru materialele polimerice. Se stabilesc criterii de alegere a solvenților optimi pentru diferite categorii de polimeri organici.

2. Principii teoretice

Solvatarea materialelor polimerice reprezintă o problemă cu numeroase impicații tehnice și industriale. Numeroase procedee tehnologice care implică sinteza unor materiale polimerice, îmbinarea și plastifierea acestora depind de interacțiunile dintre moleculele materialului polimeric și solvent (Fig.3.1).

Fig.3.1. Schema procesului de solvatare a materialelor polimerice

Solventul pătrunde în spațiul intermolecular, slăbind legăturile dintre macromoleculele adiacente și promovând interacțiuni de tip dipol-dipol indus sau orientat cu o serie de grupări funcționale din structura polimerului. Ca urmare a acestui fapt, ghemul statistic de macromolecule se desface și moleculele individuale trec în soluție [1,2].

Parametrul de solubilitate Hildebrand (δ) reprezintă o estimare numerică a gradului de interacțiune dintre materiale și poate fi un bun indicator al solubilității, în special în cazul materialelor cu polaritate mai scăzută, așa cum este cazul polimerilor. Probabilitatea ca materialele cu parametrii de solubilitate δ apropiați să fie miscibile este mai ridicată.Astfel, dacă:

(1)

probabilitatea ca solventul respectiv să dizolve polimerul este ridicată (solventul respectiv este bun pentru polimer) [2];

(2)

există o probabilitate ridicată ca solventul respectiv să înmoaie materialul polimeric (poate fi folosit ca plastifiant);

(3)

Solventul nu dizolvă și nici nu înmoaie materialul polimeric (solventul respectiv este bun pentru polimer) [2];

Tab.3.1. Parametrii de solubilitate Hildebrand pentru o serie de solvenți [3]

Tab.3.1. (continuare)

Tab.3.2. Parametrii de solubilitate Hildebrand pentru polimeri [3,4]

3. Modul de lucru

Se selectează o serie de polimeri cu polaritate diferită și se selectează pe baza calculelor exprimate de relațiile 1-2 plastifiantul optim și solventul optim. Se va ține cont și de considerentele de mediu.

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde modul de calcul și tabelul cu observații experimentale completat (Tab.3.3), în cazul analizei materialelor polimerice selectate.

Tab.3.3. Analiza parametrilor de solubilitate

5. Bibliografie

Shah, V. Handbook of plastics testing and failure analysis. Hoboken, NJ: Willey-Interscience, 2006.

Barton A. Handbook of solubility parameters and other cohesion parameters, Second edition. New York, CRC Press, 1991.

https://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/docs/Aldrich/General_ Information/polymer_solutions.pdf

Lucrarea #4

Prepararea unei soluții apoase și a peliculelor de PVA aditivate

1. Scopul lucrării

Se urmărește familiarizarea studenților cu fluxul de operații care se impun pentru obținerea unor pelicule de polimer. În acest scop se va utiliza un polimer ecologic, netoxic și biodegradabil, solubil in apa, și anume poli (alcoolulul vinilic), în combinație cu diferiți aditivi (agenți de reticulare și de plastifiere).

Suplimentar, studenții pot observa o serie de proprietăți ale soluțiilor polimerice, distincte față de ale compușilor anorganici uzuali studiați până în prezent, referitoare la viscozitatea, transparența, caracterul tensioactiv și adeziv al acestora.

2. Principii teoretice

Poli (alcoolul vinilic) [PVA] este un polimer sintetic, prezent sub formă de pulbere de culoare albă, solubil în apă fierbinte și netoxic. Se utilizează pe scară largă în medicină (obținerea cristalinului și a corneei artificiale), în industria farmaceutică (obținerea medicamentelor retard cu eliberare prelungită controlată), alimentară (agent de îngroșare, geluri alimentare și înghețată), cosmetică (creme, fixative, gel de păr), în industria lemnului (în componența adezivilor de tip Aracet, la impregnarea lemnului) și a celulozei (agent de ancolare pentru hârtie). Poate fi utilizat și ca materie primă la obținerea rășinilor în care se înglobează eșantioanele pentru studiul metalografic (polivinil formalul sau polivinil butiralul).

Ca aditivi pentru poli (alcool vinilic) se vor utiliza glicerina, cu rol de plastifiant sau înmuiant pentru polimer (mărește distanța dintre lanțurile macromoleculare, determinând o slăbire a interacțiunilor intermoleculare dintre acestea, usurându-le deplasarea relativă a unora față de celelalte) și acidul boric, cu rol de îngroșare a soluției de polimer și mărire a rezistenței peliculei de polimer la acțiunea apei [1].

Fluxul operațiilor la pregătirea soluției de polimer:

Stabilirea volumului necesar de soluție de polimer și a concentrației acestuia→ Măsurarea volumului de apă → Cântărirea cantității de pulbere de PVA necesară → Dizolvarea treptată a pulberii de polimer în apă distilată, sub agitare magnetică la temperatura de 800C → Adaugarea aditivilor în cantitatea indicată de cadrul didactic titular de laborator → Răcirea soluției la temperatura camerei → Filtrare prin tifon (Fig.4.1).

Fig.4.1. Operațiile importante la pregătirea soluției de PVA

Fluxul operațiilor la obținerea peliculei de polimer:

Calculul volumului de soluție de polimer (cu aditiv, dacă este cazul) (Vpolim) de concentrație cunoscută (cpolim) necesară pentru obținerea unei pelicule de grosime dorită (g) ținând cont de lungimea (L) și lățimea (l) a matriței utilizate → Măsurarea Vpolim cu ajutorul unei seringi gradate din plastic sau cilindru gradat→ Turnarea în matriță → Evaporarea apei la temperatura camerei.

Fig. 4.2. Operațiile importante la pregătirea soluției de PVA

3. Modul de lucru

Pentru realizarea părții experimentale sunt necesare următoarele:

Substanțe: pulbere de poli (alcool vinilic), apă distilată, glicerină, acid boric de puritate analitică.

Sticlărie și ustensile: pahar Berzelius de 250 mL, baghetă de sticlă, spatulă, matriță de sticlă pentru turnarea peliculelor, balanță analitică cu precizie de cel puțin 0,01 g, agitator magnetic prevăzut cu plită pentru încălzire, magnet pentru agitare, seringă gradată de plastic.

Se parcurg etapele corespunzătoare fluxului de operații descris mai sus, pentru prepararea a 180 mL de soluție de PVA 10%. Densitatea soluției de polimer se aproximează cu cea a apei la valoarea de 1g/mL.

Se determină cantitatea necesară de polimer (mPVA) și volumul de apă distilată (VH2O), cu ajutorul formulei 1;

Se cântărește cantitatea necesară de polimer și se măsoară volumul necesar de apă distilată;

Apa distilată se introduce într-un pahar Berzelius de 250 mL împreună cu magnetul de agitare, se așează pe plită, se reglează temperatura la 800C și se pornește agitarea;

Pulberea cântărită de polimer se adaugă treptat, în cantități mici în apa fierbinte sub agitare;

Se acopera gura paharului cu o folie de aluminiu, pentru a preveni evaporarea solventului, după care se menține agitarea sub încălzire timp de 30 de minute, până la obținerea unui sistem limpede și transparent (soluție de polimer);

Soluția obținută se filtrează printr-un material textil (tifon) și se răcește la temperatura camerei.

Pentru calcule se utilizează formulele:

(1)

Iar volumul de apă necesar se calculează cu formula 2:

(2)

Pentru obținerea peliculelor de polimer se parcurg etapele corespunzătoare fluxului de operații descris mai sus, pentru prepararea a unor pelicule de PVA de grosime 2 mm. Densitatea soluției de polimer se aproximează la 1g/mL.

Soluția răcită, proaspăt preparată se împarte in volume egale (60 mL) în trei pahare Berzelius;

În primul pahar Berzelius cu soluție de polimer nu se adaugă nimic, în paharul 2 se adaugă 1 mL de glicerină, măsurată cu ajutorul unei seringi de plastic gradate, iar în paharul 3 se adaugă 0,5 g de acid boric, cantărit la balanța analitică cu precizie de 0,01 g. Se agită conținutul paharelor 2 și 3 cu ajutorul unei baghete de sticlă până la omogenizare completă și se observă modificările de viscozitate care apar;

Se măsoară cu ajutorul unei rigle lungimea (L) și lățimea (l) matriței avută la dispoziție;

Se calculează volumul de soluție de polimer (cu sau fără aditivi) necesar pentru a obține o peliculă de grosime g =2 mm (Vsol PVA), ținând cont de conținutul în polimer al soluției-cPVA (apa se evaporă)- formula 2;

Se măsoară volumul necesar de soluție cu ajutorul unei seringi gradate și se toarnă încet în matriță, evitțnd formarea bulelor de aer. Dacă se formează bule de aer, acestea se trag cu ajutorul unei baghete de sticlă spre marginea matriței;

Se lasă matrița cu soluția de polimer până ora următoare într-un loc ferit până la evaporarea apei, după care se scot filmele formate din matriță. Dacă îndepărtarea peliculelor este dificilă, aceasta se poate facilita prin utilizarea unui obiect ascuțit.

Pentru calcule se utilizează formulele de mai jos, ținând cont că densitatea soluției de polimer se aproximează cu cea a apei la valoarea de 1g/mL:

(3)

Ținând cont că volumul de polimer redat de Vpelicula este cuprins în soluția de concentrație cPVA, volumul de soluție necesar va fi:

(4)

După uscarea peliculelor de PVA, se verifică prin întindere modificările care apar în cazul dilmelor aditivate.

Cu ajutorul unei foarfeci se decupează bucăți circulare de peliculă din fiecare tip și se imersează în apă distilată la temperatura camerei, respectiv în apă distilată încălzită. Cu ajutorul unei pensete se manipulează filmul de polimer în apă și se notează observațiile experimentale în caietul de laborator.

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde etapele pregătirii soluției de polimer, a obținerii peliculelor de polimer, precum și calculele necesare și observațiile experimentale aferente, formulate sub îndrumarea cadrului didactic titular de laborator. Se vor formula o serie de concluzii privitoare la: durata de timp necesară preparării unei soluții de polimer, aspectul soluției, viscozitatea soluției și caracterul tensioactiv (de detergență) al acesteia. Se va încerca comportamentul mecanic al peliculelor obținute prin întinderea manuală a acestora, precum și rezistența la acțiunea apei (dacă pelicula se dizolvă sau nu în apă) rece sau fierbinte.

5. Bibliografie

C. A. Finch. Polyvinyl alcohol, properties and applications. Wiley, New York, 1973.

Lucrarea #5

Obținerea și studiul microstructurii unui biomaterial cu umplutură de argilă

1. Scopul lucrării

Se urmărește familiarizarea studenților cu obținerea unui biomaterial pe bază de poli (alcool vinilic) armat cu microparticule de argilă, frecvent utilizat în bioinginerie și în aplicațiile medicale.

2. Principii teoretice

Biomaterialele reprezintă materiale naturale, sintetice sau compozite aflate în contact cu ṭesuturile vii ṣi cu fluidele lor biologice. Ele sunt folosite pentru a ajuta sarcinile ṭesutului afectat sau funcṭiile afectate ale unui organ bolnav. Premisa este că interacṭia biomaterial-organism este benefică. Drept biomateriale se poate utiliza clasa de materiale polimerice cunoscută sub numele de hidrogeluri.

Hidrogelurile, cunoscute și sub denumirea de geluri apoase, reprezintă prin definiție structuri polimerice tridimensionale ce posedă capacitatea de a absorbi și a reține, fără dizolvare, cantități semnificative de apă sau fluide biologice, la imersarea în medii apoase compatibile, menținându-și starea solidă. Hidrogelurile se pot forma din soluții de polimeri (apoase sau în solvenți organici, după natura polimerului) prin metode fizice (iradiere UV, γ, β, etc.) sau chimice (adaos de reactivi bifuncționali) rețin apă din mediu datorită prezenței grupărilor hidrofile de tipul -OH, -SH, -CO-NH2, -COOH, -NH2 și –SO3H, ce posedă capacitatea de a forma legături de hidrogen cu moleculele de apă, așa cum este ilustrat în Fig. 5.1. Conform definiției hidrogelurilor, apa constituie cel puțin 10% din masa sau volumul total al acestora. Materialele polimerice ce posedă un conținut de apă ce depășește 95% din masa sau volumul total sunt cunoscute sub denumirea de materiale superabsorbante [1,2].

Fig.5.1. Reprezentarea schematică a unei catene dintr-o rețea de hidrogel, la imersarea în apă

Diferite aplicații ale hidrogelurilor ca biomateriale sunt ilustrate în Fig. 5.2.

Fig. 5.2. Aplicații ale hidrogelurilor de polimer ca biomateriale

Polimerul formator de matrice pentru biomaterialul propus a fi obținut este poli (alcoolul vinilic) [PVA]. Acesta constituie în prezent cel mai utilizat polimer hidrosolubil din industrie. Este netoxic, biodegradabil și poate forma hidrogeluri cu un conținut de apă apropiat de al organismului uman, fiind biocompatibil cu principalele tipuri de țesuturi existente în organism. Acesta poate fi ranforsat cu microparticule de argilă (montmorillonit).

Argila este un material complex, alcătuit dintr-un amestec de silicați și din fragmente de cuarț, mică și reprezintă unul dintre cele mai vechi utilizate materiale de construcție și compuși utilizați în scop medicinal. Argila împiedică proliferarea virusurilor sau a bacteriilor patogene. Egiptenii foloseau argila la mumificare, cunoscând acțiunea sa antiseptică [2].

Fluxul operațiilor la obținerea biomaterialului cu argilă:

Prepararea a 50 mL de soluție de poli (alcool vinilic) de concentrație 10% conform indicațiilor din lucrările de laborator precedente → Măsurarea cantității de pulbere de argilă necesară pentru a obține raportul gravimetric polimer:argilă indicat de cadrul didactic îndrumător al lucrării de laborator → Amestecarea argilei cântărite cu soluția de polimer până la omogenizare → Turnarea într-un vas Petri de plastic → Precipitarea polimerului într-o baie de precipitare cu soluție concentrată de citrat de sodiu pentru obținerea hidrogelului polimeric.

3. Modul de lucru

Pentru realizarea părții experimentale sunt necesare următoarele:

Substanțe: soluție de poli (alcool vinilic), apă distilată, soluție apoasă concentrată de citrat de sodiu (10%), pulbere de argilă.

Sticlărie și ustensile: pahar Berzelius de 100 mL, baghetă de sticlă, spatulă, agitator magnetic cu încălzire, magnet de agitare, vas Petri, balanță analitică cu precizie de cel puțin 0,01 g, recipient de plastic cu rol de baie de precipitare, seringă gradată de plastic.

Se parcurg etapele pregătirii biomaterialului hidrogelic polimeric prin urmărirea fluxului de operații indicat în secțiunea 1.

Se măsoară cu ajutorul unei seringi gradate de plastic 10 mL de soluție de poli(alcool vinilic) de concentrație 10%, se introduce într-un pahar Berzelius și se agită timp de 10 minute la temperatura de 600C;

Se calculează cantitatea necesară de argilă (marg) cu ajutorul formulei 1, ținând cont de raportul PVA: argilă de 3:1 (masic) și apoi se cântărește cantitatea respectivă la balanța analitică cu o precizie de 0,01 g;

Se adaugă treptat, în cantități mici și sub agitare argila cântărită în soluția de polimer și se continuă agitarea până la omogenizarea completă a amestecului (dacă este necesar, se poate mări turația de agitare);

Se toarnă cu atenție amestecul de PVA cu argilă într-un vas Petri pentru a nu forma bule de aer (dacă se observă bule de aer în amestecul din vasul Petri, acestea se trag cu ajutorul unei baghete spre marginea recipientului) și se așeaptă răcirea amestecului până la temperatura camerei;

Într-un vas de capacitate de minim 200 mL, folosit ca baie de precipitare (cristalizor, recipient de polietilenă, etc.) se toarnă circa 100 mL de soluție concentrată de citrat de sodiu și apoi se imersează în baia de precipitare vasul Petri cu soluția de polimer. Se așteaptă până la precipitarea completă a polimerului și formarea hidrogelului. Citratul de sodiu are rolul de a colapsa macromoleculele de polimer, facilitând interacțiile de natură fizică dintre ele (legături de hidrogen);

Se îndepărtează cu grijă cu ajutorul unei pensete de plastic vasul Petri din baia de precipitare, se îndepărtează gelul format și se spală bine cu apă.

Se decupează o bucată de material cu ajutorul unei foarfeci, se prinde între două lame de microscop subțiri și se vizualizează la microscopul metalografic.

Materialul rămas se stochează într-un vas cu apă distilată, acoperit cu folie de aluminiu, pentru a preîntâmpina evaporarea solventului.

(1)

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde etapele pregătirii soluției de polimer, a obținerii peliculelor de polimer, calculele necesare și observațiile experimentale aferente, formulate sub îndrumarea cadrului didactic titular de laborator, precum și desenul microstructurii obținute.

Se vor formula o serie de concluzii pe baza observațiilor experimentale asupra compatibilității dintre polimer și materialul de umplutură, asupra timpului necesar precipitării polimerului în soluția de electrolit, precum și asupra texturii si proprietăților mecanice ale gelului (apreciate prin manipularea materialului) .

5. Bibliografie

Hoffmann, A.S. Hydrogels for biomedical applications, Adv. Drug Deliv.Rev., Vol. 54, Nr. 1, pag. 3-12, 2002.

Kobabi, M.; Sirousazar, M.; Hassan, M.; PVA–clay nanocomposite hydrogels for wound dressing. European Polymer Journal. Vol. 43, Nr. 3, pag. 773-781, 2007.

Lucrarea #6

Studiul emulsiilor polimerice

1. Scopul lucrării

Se urmărește familiarizarea studenților cu un tip de materiale frecvent utilizate în industria constructiilor și industria textilă, și anume emulsiile de polimer.

Se vor studia o serie de mărimi caracteristice ale emulsiilor, și anume aprecierea calitativă a mărimii particulelor, stabilitatea, capacitatea de îngroșare, caracterul peliculogen.

2. Principii teoretice

Conform definiței clasice, emulsiile sunt sisteme disperse eterogene, fluide, constituite din două faze lichide nemiscibile între ele, cel puțin pe domeniul de concentrație și pe intervalul de temperatură în care se utilizează emulsia:

faza dispersată, care se găsește sub formă de picături mici, numită și fază internă sau fază discontinuă; cele mai multe emulsii convenționale au particulele cu diametrul cuprins între 0,5-100 µm;

faza dispersantă, faza externă, continuă, numită și mediu de dispersie.

De regulă unul dintre lichide este compatibil cu apa (hidrofil, polar), iar celălalt este nepolar și hidrofob (lipofil). Pentru a evita separarea ulterioară a lichidelor în două faze distincte (cum se separă de exemplu uleiul de apă), se adaugă un agent de stabilizare a emulsiei, care se numește emulgator. Emulgatorul este de regulă un surfactant (agent tensioactiv). Surfactantul este un compus chimic bifunctional, care posedă atât grupări chimice polare, cât și grupări chimice nepolare, care interacționează cu ambele componente.

În funcție de raportul dintre cele două faze, se pot distinge [1,2]:

emulsii directe/ emulsii de tip ulei în apă (L/H) in care faza dispersată este un lichid nepolar, lipofil (L) și faza dispersantă externă este hidrofilă (H);

emulsii inverse de tip apa în ulei (H/L).

Fig. 6.1. Componentele unei emulsii

În funcție de mărimea particulelor dispersate, distingem următoarele tipuri de emulsii:

macroemulsii, emulsii opace, cel mai cunoscut tip cu particule >400 nm, ușor vizibile la microscop; sunt emulsiile clasice (de tip Aracet, vopsea lavabilă, etc);

miniemulsii, dispersii de lichid în lichid, de regulă de culoare alb-albăstrui, cu mărimea particulelor cuprinsă între 100-400 nm (lapte dispersat în apă);

microemulsii, dispersii transparente, aparent omogene, cu mărimea particulelor cuprinsã între 10-80 nm; ele mai sunt numite și emulsii micelare [2].

3. Modul de lucru

Pentru realizarea părții experimentale sunt necesare următoarele:

Substanțe: dispersii acrilice polimerice de diferite tipuri; alcool etilic; hidroxid de amoniu.

Sticlărie și ustensile: pahare Berzelius de 150 mL, baghete de sticlă, fiole de cântărire, pipetă Pasteur; spatulă, balanță analitică cu precizie de cel puțin 0,01 g, cilindru gradat.

Determinarea continutului in solide (CS%) pentru emulsiile polimerice

Anterior începerii experimentului, fiolele de cântărire se introduc în cuptor timp de 3 ore la 110 0C pentru eliminarea umidității, după care se păstrează într-un exsicator cu agent deshidratant (clorură de calciu sau silicagel);

Fiolele de cântărire se cântăresc (mf), după care se umplu cu câte 1 mL de emulsie de polimer. Se notează masa fiolelor cu emulsie de polimer (mf+e);

Fiolele cu emulsie de polimer se introduc într-o etuvă sau cuptor, la 110°C timp de 3 ore, pentru eliminarea întregii cantități de apă.

Fiolele ținute în etuvă se scot cu ajutorul unui clește metalic, se răcesc timp de 10 min într-un exsicator și se recântăresc (mfeu).

Se calculează conținutul în solide (CS) al emulsiilor cu ajutorul următoarei formule:

(1)

Determinarea rezistenței emulsiilor la electroliți și solvenți

Emulsia de polimer se testează folosind patru electroliți/solvenți, și anume: hidroxid de amoniu, citrate de sodiu, clorură de sodiu și etanol, astfel:

În patru pahare Berzelius se introduc volume cunoscute de emulsie peste care s-au adăugat soluțiile de electroliți și solvent organic;

Se urmăresc procesele care au loc după trecerea a 3 minute și apoi a 24 ore de la expunerea emulsiei la acțiunea agenților chimici mentionati, observațiile sistematizându-se într-un tabel de forma celui de mai jos (Tab.6.1).

Tab.6.1. Rezistența emulsiei la electroliți/solvenți

Determinarea calitativă a mărimii particulelor de polimer din emulsie

Determinarea mărimi particulelor polimere se determină cu ajutorul unei metode calitative numită metodă turbidimetrică.

se obțin 100 mL emulsie diluată, (se diluează emulsia de analizat până la un procent de CS de aproximativ 0,5%);

se poziționează un pahar Berzelius deasupra unei hârtii pe care este scris un text tipărit; în jurul paharului restul se acoperă cu hârtie albă;

se privește textul prin baza paharului și se adaugă ușor emulsia până în momentul în care nu se mai observă scrisul;

se notează volumul dispersiei introduse în pahar;

se repetă operația de câteva ori pentru corectitudinea rezultatului.

Mărimea particulelor polimere se determină în funcție de volumul de emulsie adăugat.

Determinarea capacității de îngroșare a emulsiei de polimer

Se urmărește dacă emulsia poate fi sau nu utilizată ca îngroșător pentru pastele de impregnare.

se introduc 50 mL emulsie într-un pahar Berzelius;

se adaugă cu pipeta soluție de NH3 cu concentrația 5 – 10% sub agitare continuă;

se observă variația în timp a vâscozității emulsiei.

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde modul de lucru pentru analiza emulsiilor polimerice indicate de către cadrul didactic îndrumător de laborator, calculele necesare și observațiile experimentale aferente.

5. Bibliografie

Oprea V. Polimeri (structură și proprietăți). Editura Tehnică, București, 1986.

Bulacovschi V., Nicu M., Mihăilescu C. Fizico-chimia polimerilor. Universitatea Tehnică, Iași, 1995.

Lucrarea #7

Obținerea de compozite cu matrice termorigidă armate cu pulberi anorganice

1. Scopul lucrării

Se urmărește familiarizarea studenților cu un tip de materiale frecvent utilizate în diferite ramuri ale industriei și anume materialele compozite.

Se va obține un material compozit cu matrice polimerică organică formată din rășină epoxidică armată cu pulbere de marmură (carbonat de calciu cristalin).

2. Principii teoretice

Materialele compozite rezultă prin combinarea controlată a două sau mai multe componente distincte din punct de vedere fizico-chimic, materialul rezultat prezentând proprietăți îmbunătățite (ameliorate) față de componentele privite la nivel individual. Acest tip de material a apărut și s-a dezvoltat ca urmre a cerințelor specifice din industria aronautică (materiale rezistente mecanic și la acțiunea agenților corozivi, dar în același timp și cu densitate scăzută).

Componentele unui material compozit sunt:

Matricea: reprezintă componenta majoritară și continuă a materialului compozit;

Materialul de umplutură: reprezintă componenta minoritară și discontinuă a compozitului, care conferă rezistență mecanică sporită materialului final;

Interfața: reprezintă o fază distinctă a materialului compozit, cu proprietăți diferite față de ale matricii și materialului de umplutură.

Circa 70% dintre materialele compozite obținute în prezent prezintă matrice polimerică. Cel mai utilizat tip de polimer este reprezentat de rășinile termorigide (termoreticulabile). Acestea se obțin prin reacția de reticulare a unui material polimeric nesaturat cu un component denumit agent de întărire. Scopul reacției de reticulare este de a obține o matrice tridimensională infuzibilă și rezistentă la acțiunea apei și a solvenților organici.

Polimeri termorigizi tipici sunt cei din categoria rășinilor epoxi, a poliesterilor nesaturați, a vinilesterilor și rășinilor polibutadienice [1,2].

Rășinile epoxidice ocupă un loc important în realizarea materialelor compozite datorită excelentelor proprietăți fizico-mecanice și a rezistenței ridicate la acțiunea diverșilor factori degradativi fizico-chimici (radiații UV, posibilitatea încălzirii la temperaturi de peste 200oC, rezistență la acțiunea soluțiilor de acizi și baze anorganice concentrate).

NEUKADUR EP571 este o rășină epoxidică modificată,cu vâscozitate medie, ce se intărește la temperatura mediului ambiant în amestec cu întăritor de tip T3.

Conform indicațiilor producătorului se utilizează ca rășină de turnare în combinație cu diverși agenți de umplutură minerali (nisip, praf de marmura) sau ca rășină de laminare pentru fibra de sticlă.

Carbonatul de calciu (agentul de umplere) contribuie la creșterea durității, rezistenței la încovoiere și compresiune, la îmbunătățirea conductivității termice a materialului și la scăderea costului materialului obținut.

3. Modul de lucru

Pentru realizarea părții experimentale sunt necesare materiale și instrumentarul de laborator prezentat în continuare.

Substanțe: pulbere de marmură (agentul de umplutură); rășină epoxi NEUKADUR EP571; întăritor T3 pentru rășina epoxi;

Instrumentar de laborator: balanță analitică cu precizie de două zecimale; pahare de unică folosință din material plastic; baghete de sticlă, matriță confecționată din lemn; hârtie siliconată.

Caracteristicile rășinii epoxi NEUKADUR EP571 sunt redate în Tab.7.1 [1]:

Tab. 7.1. Caracteristici ale rășinii epoxi

Întăritorul selectat asigură un timp de procesare total de 35 minute (amestecare cu agentul de umplere, turnare în matriță și eliminarea incluziunilor de aer). Este un compus organic cu moleculă liniară, cu grupări de tip –NH2 (amino).

Pentru realizarea părții experimentale sunt necesare materiale și instrumentarul de laborator prezentat în continuare.

Pulberea de marmură se încălzește anterior începerii experimentului la 100-120C timp de o oră pentru îndepărtarea urmelor de apă adsorbită;

Se determină lungimea (L), lățimea (l) și înălțimea matriței (h) cu ajutorul unui șubler și se calculează volumul matriței (VM), cu ajutorul ecuației 1;

Se introduce hârtia siliconată în interiorul matriței din lemn pentru evitarea aderării rășinii epoxi de pereții acesteia;

Se calculează cantitățile de rășină epoxi (mr), de pulbere de marmură (mp) și de întaritor (mi) necesare, cunoscând densitatea rășinii (Tab.1) și a pulberii de marmură (1,3 g/cm3) și raportul dintre pulbere și rășină de 20% (p), conform ec. 2-4;

Se cântăresc la balanța analitică cantitățile de componenți necesari, fiecare în câte un pahar de plastic de unică folosință;

În paharul cu rășină epoxi se adaugă în cantități mici și sub agitare pulberea de marmură, până la încorporarea în totalitate a acesteia. Se va evita agitarea excesivă care conduce la formarea de incluziuni de aer;

După încorporarea agentului de armare în rășină, se adaugă întăritorul T3. Amestecul se omogenizează timp de 2-3 minute prin agitare, după care se toarnă în matriță și se menține în repaus minim 24 de ore pentru definitivarea reacțiilor chimice care conduc la întărirea materialului compozit.

(1)

(2)

(3)

(4)

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde materialele și instrumentarul de laborator necesar, modul de lucru și calculul volumului matriței, cantităților de rășină, întăritor și agent de armare.

Se vor stabili o serie de concluzii privitoare la capacitatea de prelucrare a recepturii polimer-agent de umplutură (grad de amestecare, vâscozitate, gradul de incluziune al golurilor de aer, etc.). De asemenea se va discuta influența prezenței agentului de umplutură asupra timpului de întărire al rășinii.

5. Bibliografie

http://www.btools.ro/shop/Rasina-Epoxidica-EP571-1Kg accesat la 31.03.2015

S. Horun. Aplicațiile materialelor plastice. Seria ”Polimeri”. Editura Tehnică, București, 1975.

Lucrarea #8

Studiul prin spectroscopie de emisie atomică a materialelor polimerice aditivate

1. Scopul lucrării

Se urmărește evaluarea caracterului ecologic al unor materiale polimerice aditivate prin estimarea calitativă și semicantitativă prin intermediul spectroscopiei de emisie atomică a speciilor chimice ionizabile din arcul electric și din plasma formată în jurul acestuia (ioni de metale grele). Pentru cuantificarea speciilor chimice de interes se utilizează un spectroscop simplu (stiloscop) sau rețea de difracție, cuplat(ă) la camera foto a unui smartphone capabil să ruleze aplicația SpectraSnapp.

2. Principii teoretice

Plasma generată în cadrul procedeelor de sudare electrică reprezintă o sursă generatoare de ioni metalici din compoziția materialelor polimerice aditivate. Acești ioni metalici au rol antistatizant, rol de corector al densității, de modificare a nuanței culorii materialelor precum și efect antibacterian.

Determinarea speciilor chimice ionizabile din materialele polimerice aditivate se poate realiza facil prin intermediul spectroscopiei de emisie atomică. Informația calitativă obținută din spectroscopia atomică (natura speciilor chimice prezente) este redată de lungimea de undă (λ) la care se găsește fiecare linie spectrală din cadrul spectrului obținut (prin comparare cu o serie de tabele standardizate (vezi Anexa 1 de la sfârșitul îndrumarului de laborator) iar informația cantitativă obținută (cantitatea în care se găsesc speciile chimice existente) este redată de intensitatea liniilor spectrale (luminozitatea lor).

Plasma generată în cadrul procedeelor de sudare reprezintă o sursă de excitare adecvată atât pentru elementele ușoare (Na, Si, Ca, Mg, Al) cât și pentru metalele grele (Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, W, Cr, Pb, Sn etc.). În cadrul procesului de excitare are loc tranziția atomului respectiv de pe nivelul de energie fundamental pe un nivel energetic superior. După un timp foarte scurt (de regulă fracțiuni de ns) atomul respectiv revine pe nivelul energetic fundamental, emițând energia absorbită inițial sub formă de radiație luminoasă. Fracțiunea de radiație emisă în domeniul vizibil (VIS) poate fi descompusă cu ajutorul unui element dispersiv (prismă, rețea de difracție) în radiațiile componente. Pentru acest scop se poate utiliza instrumentul numit stiloscop (spectroscop portabil), a cărui schemă de principiu este redată în Fig. 8.1 împreună cu aspectul general al unor spectre obținute cu ajutorul stiloscopului.

Este de remarcat că, în principiu, datorită prezenței radiației de fond (lumină naturală solară, lumină artificială) spectrele de emisie atomică pot prezenta un fond (background) luminos [1].

3. Modul de lucru

Se vor utiliza o serie de materiale polimerice aditivate, conform indicațiilor cadrului didactic îndrumător.

Se aliniază stiloscopul astfel încât fanta de ieșire să fie poziționată în dreptul camerei foto a smartphone-ului, conform indicațiilor cadrului didactic îndrumător (Fig.8.2).

Se pornește aplicația SpectraSnapp (Fig.8.3a) pe telefonul mobil. Se îndreaptă ansamblul smartphone-stiloscop spre sursa de lumină (naturală sau artificială) și se selectează opțiunea ”Calibrate”.

Software-ul reține spectrul luminii naturale sau al sursei artificiale de lumină și il va sustrage ulterior din fiecare spectru înregistrat (Fig.8.3b). Se pornește echipamentul de tăiere cu plasmă, se aleg materialele polimerice de analizat și parametri de lucru, conform indicațiilor cadrului didactic.

Se selectează în continuare meniul ”Analize” în aplicația SpectraSnapp, și se îndreaptă pistolul de tăiat cu plasmă spre suprafața materialului polimeric.

Stiloscopul se îndreaptă spre zona plasmei și zona adiacentă și se colectează spectrul de emisie corespunzător (Fig.8.3c). Din submeniul ”Settings” se poate selecta opțiunea ”Show wavelength”. Software-ul afișează lungimile de undă corespunzătoare mijlocului fiecărei linii de emisie din spectru.

Prin compararea acestor lungimi de undă cu cele afișate în Anexa 1 se pot identifica calitativ elementele de interes (se vor căuta în special C, W, Fe, Ni, Co, Cu, Zn, Cr, Al). Din submeniul ”Save” se poate salva imaginea fiecărui spectru în format *jpg. Imaginile se încarcă pe un calculator, unde cu ajutorul software-ului Adobe Photoshop, se selectează parametrul L (din paleta Info- spațiul de culoare Lab) pentru fiecare linie spectrală în parte (atribuită anterior unui element), după cum este exemplificat în Fig.8.4.

Parametrul L este atribuit luminozității culorii respective și în acest caz poate fi corelat cu intensitatea liniei spectrale respective. Cu cât linia spectrală asociată unui element este mai intensă, cu atât concentrația lui în plasma generată de arcul electric este mai mare.

De notat că în locul aplicației proprietare Adobe Photoshop (versiunea demonstrativă pentru 30 de zile) se poate utiliza și aplicația gratuită Gimp 2.8).

Fig.8.4. Fereastră de lucru Adobe Photoshop

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde modul de lucru și observațiile experimentale aferente, formulate sub îndrumarea cadrului didactic titular de laborator, înscrise într-un tabel de forma celui de mai jos (Tab.8.1). Cunoscând atribuirea liniilor spectrale și intensitatea acestora se vor formula o serie de concluzii referitoare la caracterul ecologic al electrozilor studiați, din punct de vedere al concentrației speciilor chimice cu potențial toxic.

Tab.8.1. Rezultatele observațiilor experimentale

5. Bibliografie

Dăneț A.F., Analiza instrumentală partea I-a, Editura Universității din București, 2010.

Lucrarea #9

Obținerea unui material compozit armat cu țesătură din fibre de sticlă

1. Scopul lucrării

Lucrarea are ca scop obținerea și caracterizarea unor materiale compozite structurale stratificate cu matrice poliesterică nesaturată și agent de armare format din fibre de sticlă.

2.Principii teoretice

Metoda formării prin contact reprezintă procedeul cel mai comun de obținere a pieselor din material compozit. Metoda constă în aplicarea manuală succesivă a pliurilor din țesătură din fibre de sticlă și a rășinii în prezență de catalizator. Procedeul se remarcă prin simplitatea tehnologiei și costurile reduse ale mulajelor folosite, însă prezintă următoarele dezavantaje: timp de obținere a pieselor ridicat, grosimea relativ neuniformă a pieselor, caracteristici fizico-mecanice medii ale materialului compozit, costuri ridicate precum și toxicitatea ridicată a materialelor.

Rășinile poliesterice nesaturate sunt larg utilizate la obținerea materialelor compozite. Azastral 60 este o soluție stirenică de răsină ortoftalică. Reticularea (întărirea) rășinii are loc prin copolimerizarea stirenului (ca și monomer reactiv) cu componenta nesaturată ortoftalică. Procesul de copolimerizare este de regulă inițiat de un sistem redox format din peroxid de metiletilcetonă și naftenat de cobalt. De regulă, pentru evitarea întăririi rășinii pe timpul depozitării, aceasta este stabilizată cu hidrochinonă (inhibitor), motiv pentru care reacția de copolimerizare prezintă o perioadă de inducție, ceea ce înseamnă că reacția nu pornește în momentul adăugării inițiatorului ci după un anumit interval de timp necesar consumării inhibitorului.

Proprietățile fizico-mecanice ale produsului depind de gradul de reticulare, care la rândul lui depinde de gradul de nesaturare al rășinii. Gradul de nesaturare se poate modifica variind raportul dintre componenta ortoftalică nesaturată și cea saturată.

Componenta de bază a fibrelor de sticlă este dioxidul de siliciu în amestec cu oxizi de calciu, bor, sodiu, fier și aluminiu și se obțin prin procedeul filării din topitură. Fibrele se produc în două variante: fibre continue și fibre discontinue.

Imediat după filare, fibrele de sticlă sunt supuse unor tratamente de finisare, aceasta făcându-se cu o soluție ce conține agent de finisare, lubrifiant, antistatizant și agent de cuplare:

agentul de finisare (un polimer peliculogen: poli (alcool vinilic), poli (acetat de vinil)) unește filamentele de sticlă și formează o peliculă care le protejează de distrugere prin abraziune,

lubrifiantul (de obicei un ulei vegetal) micșorează coeficientul mare de frecare al fibrelor, reducând uzura,

antistatizantul previne și reduce încărcarea electrostatică de suprafață.

agentul de cuplare (de obicei un organosilan bifuncțional) asigură compatibilitatea dintre fibră și matrice.

Tab.9.1. Sistemele chimice utilizate pentru obinerea matricii

*) Peroxidul de metiletilcetonă este un amestec de 11 izomeri, din care cel mai important (peste 30%) are formula prezentată.

Schema de principiu după care se desfășoară reacția de reticulare este redată în Fig.9.1.

Fig.9.1. Mecanismul reacției de formare a matricii polimerice

3. Modul de lucru

Se stabilesc dimensiunile laminatului și se calculează aria (S);

Se propune grosimea laminatului (GF);

Se alege raportul dintre matricea polimerică și agentul de ranforsare (A = 30÷70 %);

Se estimează grosimea unui pliu (GP) cu relațiile:

GP = GR + GS (1)

unde: GR – grosimea stratului de rășină; GS – grosimea țesăturii de fibre de sticlă;

(2)

unde S – greutatea specifică a țesăturii; R – densitatea rășinii.

Se calculează numărul de pliuri n necesare pentru realizarea grosimii propuse (GF):

(3)

n se rotunjește pentru a rezulta un număr întreg

Se estimează consumul de țesătură (MS) și rășină (MR) cu relațiile:

MS = n S S; (4)

(5)

Peroxidul de metiletilcetonă (PMEC) se ia 4% față de rășină (MR), naftenatul de cobalt fiind deja dozat în rășină.

Se croiesc cele n pliuri de țesătură pe dimensiunile stabilite.

Într-un pahar de sticlă se cântărește necesarul de rășină. Peroxidul de MEC se dozează considerând că o picătură de peroxid are cca 0,02 g, după care se amestecă cca 5 min cu o baghetă de sticlă.

Structura se realizează în felul următor:

se depune un strat de rășină pe matrița de polietilenă cu ajutorul unei pensule peste care se aplică primul pliu de țesătură.

se depune următorul strat de rășină, urmat de aplicarea următorului pliu de țesătură ș.a.m.d.

se depune ultimul strat de rășină și se acoperă cu a doua matriță.

Materialul astfel obținut este lăsat timp de 24 de ore pentru definitivarea reacției de reticulare.

Tab.2. Proprietățile materialelor necesare

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde materialele și instrumentarul de laborator necesar, modul de lucru și calculul volumului matriței, numărului de pliuri de țesătură,cantităților de rășină, întăritor și inițiator.

Se vor stabili o serie de concluzii privitoare la capacitatea de prelucrare a recepturii polimer-agent de umplutură (grad de amestecare, vâscozitate, gradul de incluziune al golurilor de aer, etc.). De asemenea se va discuta influența prezenței agentului de umplutură asupra timpului de întărire al rășinii.

5. Bibliografie

http://www.policolorexim.ro/detaliiprodus.php?p=NESTRAPOL%20450-66

Horun. Aplicațiile materialelor plastice. Seria ”Polimeri”. Editura Tehnică, București, 1975.

Lucrarea #11

Obținerea materialelor compozite din țesătură de fibre de sticlă preimpregnată

1. Scopul lucrării

Lucrarea de față are ca scop obținerea unui material compozit de tip multistrat din țesătură de fibră de sticlă impregnate cu rășină polimerică reticulabilă la cald.

2.Principii teoretice

În comparație cu metoda formării prin contact, prin care se obțin piese neomogene din punct de vedere al proprietăților fizico-mecanice și cu abateri dimensionale semnificative, utilizarea preimpregnatelor înlătură aceste dezavantaje.

Utilizarea prepregurilor permite creșterea cadenței de fabricație, motiv pentru care sunt utilizate în special în producția de serie.

Un prepreg poate fi definit ca o țesătură de fibre impregnată cu rășină și agent de reticulare, el conținând deci toate cele 3 componente ale unui compozit polimeric, întărirea făcându-se însă doar la temperatură ridicată. Amestecul de impregnare, format în principal dintr-o rășină termoreactivă și un agent de reticulare, trebuie să aibe o reactivitate foarte scăzută la temperatura camerei pentru evitarea reticulării pe timpul depozitării.

Ca matrice polimeră folosim rășină epoxidică (DINOX 010-S) iar în calitate de agent de reticulare se folosește diciandiamida (!!!), activă doar la temperaturi ridicate (180°C). Agentul de armare folosit în lucrare este țesătura din fibre de sticlă.

Fibrele se obțin prin filare din topitură. Imediat după filare fibrele de sticlă sunt supuse unor tratamente de finisare, aceasta făcându-se cu o soluție ce conține agent de finisare, lubrifiant, antistatizant și agent de cuplare:

agentul de finisare (un polimer peliculogen: poli (alcool vinilic), poli(acetat de vinil)) unește filamentele de sticlă și formează o peliculă care le protejează de distrugere prin abraziune;

lubrifiantul (de obicei un ulei vegetal) micșorează coeficientul mare de frecare al fibrelor, reducând uzura;

antistatizantul previne și reduce încărcarea electrostatică de suprafață;

agentul de cuplare (de obicei un organosilan bifuncțional) asigură compatibilitatea dintre fibră și matrice.

3. Modul de lucru

Se aleg dimensiunile a×b ale țesăturii de impregnat, calculându-se aria (S)

Se propune un raport între agentul de armare și rășină (A = 60 70 %)

Necesarul de rășină se calculează cu relația:

(1)

Soluția de diciandiamidă – 80% față de rășină.

Solvenți: acetonă și etanol – fiecare 40% față de rășină.

Lucrarea de laborator se desfășoară în două etape:

Obținerea țesăturii preimpregnate

Realizarea laminatului multistrat și reticularea rășinii.

1. Cantitățile calculate de rășină epoxidică, soluție de DDA, acetonă și etanol se introduc într-un balon prevăzut cu sistem de agitare. Amestecul este omogenizat circa 30 minute, după care soluția de impregnare se toarnă într-un pahar Berzelius.

Țesătura din fibre de sticlă se așează pe o folie de polietilenă și se introduce în nișă. Cu ajutorul unei pensule se depune un strat uniform de soluție de impregnare peste țesătură și se așteaptă cca 20 de minute pentru evaporarea solvenților. Operațiunea de impregnare se repetă de 4 ori, după care prepregul este lăsat 24 de ore pentru evaporarea completă a diluanților.

2. Din prepregul uscat* se croiesc un număr de 3-4 pliuri și se așează unul peste celălalt. Pliurile sunt așezate între două fâșii de celofan (pentru evitarea lipirii de matriță), după care laminatul se așează între fețele matriței (tablă metalică). Structura astfel formată este introdusă în etuvă la 180°C timp de 2 ore, pentru reticularea rășinii.

* se va utiliza un prepreg obținut anterior (minim 24 ore) de o altă grupă.

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde materialele și instrumentarul de laborator necesar, modul de lucru și calculul volumului matriței,cantităților de rășină, întăritor și țesătură de fibre de sticlă

Se vor stabili o serie de concluzii privitoare la capacitatea de prelucrare a recepturii polimer-agent de umplutură (grad de amestecare, vâscozitate, gradul de incluziune al golurilor de aer, etc.). De asemenea se va discuta influența prezenței agentului de umplutură asupra timpului de întărire al rășinii.

5. Bibliografie

Horun. Aplicațiile materialelor plastice. Seria ”Polimeri”. Editura Tehnică, București, 1975.

www.resist.pub.ro/Cursuri_master/SMC/CAP.2.DOC.

Lucrarea #10

Obținerea unui compozit structural armat cu miez metalic sau nemetalic

1. Scopul lucrării

Scopul lucării este realizarea unei compozite structurale complexe de tipul celor "sandwich" cu fețe din compozite pe bază de țesătură din fibre de sticlă și rășină poliesterică nesaturată și miez din fagure de aluminiu sau spumă poliuretanică.

2.Principii teoretice

O structură de tip "sandwich" constă din trei elemente principale (vezi Fig.1):

pereche de fețe subțiri, rezistente, metalice sau din compozite polimerice, cu rolul de a prelua eforturile axiale și cele de forfecare.

Un miez gros, cu greutate redusă, care separă cele două fețe și asigură transmiterea eforturilor de la o față la alta. Uzual, acest miez poate fi de tip fagure (de aluminiu, hârtie, materiale plastice), de tip spumă (poliuretanică, polistirenică) sau profile (metalice, plastice).

Un material cu proprietăți adezive care transmite eforturile axiale sau de forfecare la sau de la miezul structurii. În cazul fețelor din materiale compozite polimerice, matricea polimerică poate avea și rolul de adeziv.

Fig.1. Elementele constitutive ale unui compozit de tip "sandwich" cu miez de tip fagure

Pot exista compozite structurale de tip "sandwich" cu miez simplu, cu miez dublu (multiplu) sau cu miez dublu (multiplu) hibrid, format din mai multe structuri fagure, spumă rigidă și profile suprapuse și separate de straturi interioare (Fig. 2).

Fig.2. Compozite tip "sandwich" cu miez simplu (1), cu miez dublu (2), cu miez triplu hibrid (3).

a-structuri fagure, b-spumă rigidă, c-profile.

Structurile tip "sandwich" cu fețe din materiale compozite polimerice și miez de fagure de aluminiu (sau hârtie) sunt cele mai performante materiale sandwich existente în ceea ce privește proprietățile mecanice specifice, gradul de izolare termică, fonică și durata de viață (80-110 ani). De asemenea, ele pot fi ignifugate, nu mai trebuie vopsite, au rezistență deosebită la radiațiile ultraviolete, variații de temperatură, nu sunt higroscopice, nu putrezesc, nu se oxidează.

Toate aceste proprietăți remarcabile recomandă utilizarea lor în diverse domenii cum ar fi: aviația (aprox. 80% din aeronavă: aripi, derivă, direcție, stabilizatoare, zone fuselaj, dușumele, uși acces), construcția de mașini (carosare remorci, rulote, izoterme auto, rame de metrou, vagoane), construcții navale, articole de sport, construcții, etc.

Panourile cu fețe din tablă metalică (sau compozite polimerice) și miez din spumă poliuretanică sau polistiren expandat sunt utilizate în principal în construcțiile civile și industriale, acestea prezentând o bună izolare termică și fonică.

Panourile cu miezul din spumă poliuretanică au un mare dezavantaj: eliminarea din porii spumei a unor gaze reziduale toxice (cianați), efect mai pronunțat în primii 2 ani de la fabricare. Acest aspect duce și la micșorarea în timp a gradului de izolare termică și la o instabilitate dimensională. De asemenea, un alt dezavantaj este dat de folosirea în procesul de expandare a freonului (CF2Cl2) sau a altor produși similari care distrug stratul de ozon.

Pentru realizarea fețelor se folosesc rășini poliesterice nesaturate (NESTRAPOL H-450, livrat ca soluție în stiren).

Rășina se obține prin policondensarea diacizilor sau anhidridelor nesaturate și saturate – în principal anhidrida maleică și anhidrida ftalică – cu un diol (etilenglicol sau 1,2-propilenglicol).

Reticularea (întărirea) rășinii are loc prin copolimerizarea stirenului (monomer reactiv) cu rășina poliesterică nesaturată. Procesul de copolimerizare este inițiat de sistemul redox: peroxid de metiletilcetonă și naftenat de cobalt. Pentru evitarea întăririi rășinii pe timpul depozitării, aceasta este stabilizată cu inhibitor (hidrochinonă), motiv pentru care reacția de copolimerizare prezintă o perioadă de inducție, adică reacția nu startează în momentul adăugării inițiatorului, ci după un interval de timp, necesar consumării inhibitorului.

Pentru fețe se utilizează țesături din fibre de sticlă (FER 3L). Fibrele se obțin prin filare din topitură. Imediat după filare, fibrele de sticlă sunt supuse unor tratamente de finisare, aceasta făcându-se cu o soluție ce conține agent de finisare, lubrifiant, antistatizant și agent de cuplare:

agentul de finisare (un polimer peliculogen: poli (alcool vinilic), poli (acetat de vinil)) unește filamentele de sticlă și formează o peliculă care le protejează de distrugere prin abraziune.

lubrifiantul (de obicei un ulei vegetal) micșorează coeficientul mare de frecare al fibrelor, reducând uzura.

antistatizantul previne și reduce încărcarea electrostatică de suprafață datorată frecării.

agentul de cuplare (de obicei un organosilan bifuncțional) asigură compatibilitatea dintre fibră și matrice.

Miezul structurii sandwich poate fi:

Fagure de aluminiu.

Fagurii sunt obținuți pornind de la folii din aluminiu, procedeul fiind prezentat în figura 3. Se poate observa existența mai multor variante de faguri.

Fig.3. Obținerea fagurilor pornind de la folii din aluminiu

Poliuretanii

Sunt polimeri heterocatenari care conțin în molecula lor gruparea uretanică (─NH─CO─O─), obținuți prin reacția de poliadiție dintre un poliizocianat și un polialcool, respectiv un poliester sau polieter. Reacția implică transferul unui proton de la componenta hidroxilică la gruparea izocianică:

Izocianații cei mai utilizați sunt:

toluilen 2,x-diizocianat (TDI) sub forma de amestecuri:

amestecul a 80 % 2,4 TDI cu 20 % 2,6 TDI

amestecul a 65 % 2,4 TDI cu 35 % 2,6 TDI

toluilen 2, 4-diizocianat toluilen 2,6-diizocianat

– difenilmetan 4,4’ diizocianat (MDI)

Compușii hidroxilici utilizați în producția poliuretanilor sunt glicoli cu masă moleculară mică (di sau polifuncționali, de ex: etilenglicol, glicerină), polieteri (cu grupe terminale hidroxilice, proveniți din polimerizarea eterilor cicli: etilenoxid, propilenoxid, tetrahidrofuran) sau poliesteri (cu funcțiuni terminale hidroxilice).

etilenglicol glicerină poli(etilenoxid)

Agenții de expandare utilizați pentru obținerea spumelor poliuretanice pot fi: apa, hidrocarburi fluorurate (freon CF2Cl2), CO2 rezultat din interacțiunea grupelor izocianice în exces cu apa.

În cazul în care ambele componente sunt bifuncționale se obțin poliuretani liniari. Dacă cel puțin una din componente (izocianică sau hidroxilică) este tri- sau polifucțională rezultă poliuretani reticulați total insolubili și infuzibili. (Izocianații polifuncționali se folosesc la obținerea cleiurilor pentru metale, lemn și alte materiale.)

Utilizările de bază ale poliuretanilor constau în obținerea spumelor poliuretanice. Acestea sunt materiale celulare care se fabrică în următoarele sorturi: flexibil, elastomer, semirigid, rigid, rigid structural (în funcție de natura chimică a celor două componente).

Poliuretanul expandat rigid se obține într-o singură fază din 4,4’-difenilmetan diizocianat (MDI) și un poliester sau polieter poliolic, în prezența apei sau 2-clorpropanului drept agenți de expandare.

Proprietățile fizico-mecanice depind de gradul de reticulare, care se reglează prin cantitatea de triol (glicerină, trimetilolpropan) din polimer, dar și de numărul și tăria legăturilor de hidrogen dintre catene. Gradul de reticulare influențează în special rezistența la tracțiune și alungire. Rezistența chimică, stabilitatea termică, proprietățile electrice sunt bune.

3. Modul de lucru

Evaluarea necesarului de materiale pentru obținerea miezului din spumă poliuretanică

Se calculează volumul matriței Vm, utilizând dimensiunile interioare ale acesteia (Lint, lint, h – pentru o matriță paralelipipedică).

Se pot calcula cantitățile de componente necesare cu relațiile:

(1)

(2)

știind următoarele :

coeficientul volumetric de expandare pentru spuma poliuretanică (de la volumul inițial al componentelor neamestecate la volumul final al spumei) este =9.

raportul masic între componente: poliol / MDI = 100 / 125

factor de exces 1,25 prin care se asigură excesul de spumă în matriță, ceea ce duce la crearea presiunii și umplerea colțurilor matriței,

Dacă agentul de expandare (freon) nu este deja dozat în componenta poliolică, atunci acesta se folosește în proporție de 5% față de MDI.

Evaluarea necesarului de materiale pentru obținerea fețelor din materiale compozite polimerice

Se stabilesc dimensiunile fețelor a × b (în funcție de dimensiunile miezului) și se calculează aria (S):

Se propune grosimea unei fețe (GF);

Se alege raportul dintre matricea polimeră și agentul de ranforsare ( A = 30÷70 %);

Se estimează grosimea unui pliu (GP) cu relațiile:

GP = GR + GS (3)

unde: GR – grosimea stratului de rășină; GS – grosimea țesăturii de fibre de sticlă;

(4)

unde S – greutatea specifică a țesăturii; R – densitatea rășinii.

Se calculează numărul de pliuri n necesare pentru realizarea grosimii propuse (GF):

(5)

n se rotunjește pentru a rezulta un număr întreg

Se estimează consumul de țesătură (MS) și rășină (MR) cu relațiile:

MS = 2 n S S; (6)

(factorul "2" apare pentru că sunt 2 fețe)

(7)

Peroxidul de metiletilcetonă (PMEC) se ia 4% față de rășină (MR), naftenatul de cobalt fiind deja dozat în rășină.

În cazul în care se utilizează un miez din spumă poliuretanică, modul de lucru pentru obținerea acestuia este următorul:

Se confecționează mai întâi din hârtie stratul antiaderent pentru tapetarea matriței.

Pentru tapetarea ramei (cu dimensiunile interioare Lint, lint, h), hârtia va avea forma și dimensiunile următoare:

Fig. 4. Confecționarea modelului de hârtie pentru tapetat rama

Pentru a obține o spumă poliuretanică rigidă se procedează astfel: într-un pahar Berzelius înalt se amestecă componenta poliolică cu agentul de expandare (dacă acesta nu este deja dozat în componenta poliolică). Se adaugă apoi componenta diizocianică. Se agită amestecul câteva secunde (10-15 s) cu o baghetă, apoi este introdus în matrița respectivă. Matrița se acoperă rapid cu placuța metalică (rol de capac), punându-se o greutate deasupra.

Miezul din spumă poliuretanică se lasă în matriță (sub greutate) aproximativ 30 minute pentru definitivarea reacției chimice și atingerea stabilității dimensionale.

Obținerea compozitului structural tip "sandwich"

Se croiesc cele 2×n pliuri de țesătură.

Într-un pahar de sticlă se cântărește necesarul de rășină și agentul de întărire specific rășinii utilizate și se amestecă cca 5min.

Cele două fețe vor fi realizate simultan după cum urmează: se depune un strat de rășină pe matrița de polietilenă cu ajutorul unei pensule peste care se aplică primul pliu de țesătură, apoi se depune următorul strat de răsină, urmat de aplicarea următorului pliu de tesătură ș.a.m.d.

Se așteaptă cca 30 min pentru ca rășina să gelifieze, evitând modificările dimensionale datorită curgerii rășinii.

Peste o față astfel realizată se așează fagurele sau paralelipipedul de spumă poliuretanică și se acoperă apoi cu cealaltă față. Peste structura astfel realizată se pune o greutate de cca 0,5 kg și se lasă la întărit (reticulat) timp de 24 de ore.

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde materialele și instrumentarul de laborator necesar, modul de lucru și calculul volumului matriței, numărului de pliuri de țesătură,cantităților de rășină, întăritor și inițiator.

Se vor stabili o serie de concluzii privitoare la capacitatea de prelucrare a recepturii polimer-agent de umplutură (grad de amestecare, vâscozitate, gradul de incluziune al golurilor de aer, etc.). De asemenea se va discuta influența prezenței agentului de umplutură asupra timpului de întărire al rășinii.

5. Bibliografie

http://www.policolorexim.ro/detaliiprodus.php?p=NESTRAPOL%20450-66

Horun. Aplicațiile materialelor plastice. Seria ”Polimeri”. Editura Tehnică, București, 1975.

Lucrarea #11

Comportamentul mecanic al unor materiale polimerice

1. Scopul lucrării

Scopul lucrării este de a studia comportamentul mecanic al unor materiale polimerice de interes tehnic general (din categoria elastomerilor, poliolefinelor, polistirenului, etc.).

2. Principii teoretice

Materialele polimerice, datorită greutății lor specifice mici comparativ cu a materialelor metalice, a costului mai scăzut, a ușurinței reciclării sunt aplicate în variate domenii ale industriei.

Comportamentul mecanic al polimerilor prezintă o deosebită importanță pentru stabilirea domeniului de aplicație al acestora. Față de materialele metalice, acestea prezintă rezistență mecanică medie spre scăzută (cu excepția fibrelor, dispuse paralel cu direcția solicitării mecanice de tracțiune).

Domeniul deformărilor elastice (Fig.1) este în general mai restrâns decât al materialelor metalice (cu excepția elastomerilor), diferite categorii de polimeri prezentând curbe de tip tensiune-deformație de diferite forme, după cum este ilustrat în Fig.2.

Alungirea relativă (ε) reprezintă raportul diferenței dintre lungimea probei în stare deformată (l) și cea în stare nedeformată (l0) și lungimea inițială a probei, între două repere alese.

Fig.1. Domeniul deformațiilor elastice și plastice pentru materialele polimerice

(1)

Efortul unitar (σ) reprezintă raportul dintre forța de solicitare mecanică (F) și suprafața secțiunii inițiale a materialului supus testului mecanic (S0).

(2)

La deformații relative mici (până la 0,01) efortul unitar depinde liniar de deformația relativă conform legii lui Hooke. Pentru acest domeniu este valabilă relația 3.

(3)

Fig.2. Comportamentul mecanic tipic al unor polimeri

În relația 3, coeficientul de proporționalitate E reprezintă modulul lui Young și este o constantă de material tabelată în lucrările sau bazele de date de specialitate.

E este o măsură a rigidității materialului polimeric. Cu cât valoarea modulului lui Young este mai mare, cu atât materialul este mai rigid.

3. Modul de lucru

Se confecționează epruvete de formă rectangulară, cu lungimi de cel puțin 200 mm și lațimi de 10-20 mm din diferite materiale polimerice;

Se trasează cu ajutorul unui marker două repere pe suprafața probei. Se măsoară cu ajutorul unui șubler distanța dintre cele două repere, l0 și grosimea epruvetelor, g;

Se determină secțiunea inițială a probelor S0=l0.g;

Se fixează proba în sistemul de prindere al mașinii de testat universale, se setează viteza de tragere (aprox. 1 mm/min), se introduce parametrii geometrici ai probei și se inițializează testul;

Curbele de tip efort unitar-alungire se reprezintă pe același grafic pentru mai multe categorii de materiale polimerice.

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde modul de lucru și observațiile experimentale aferente, formulate sub îndrumarea cadrului didactic titular de laborator. Se analizează comportamentul pe domeniul elastic și plastic al deformațiilor pentru diferite categorii de materiale polimerice. Rezultatele experimentale se înscriu într-un tabel de forma Tab.1.

Tab.1. Formular de înscriere a datelor experimentale

Rezultatele obținute se compară cu cele din literatura de specialitate prezentate în Anexa 2. Se comentează cauza eventualelor diferențe care apar.

5. Bibliografie

Popescu M.; Marta C., Pernevan M.S. Îmbinarea materialelor avansate. Aplicații. Editura Politehnica, Timișoara, 2011.

Ward I.M.; Sweeney J. Mechanical properties of solid polymers. Third Edition. Willey, New York, 2013.

Lucrarea #12

Sudarea polimerilor cu material de adaos extrudat

1. Scopul lucrării

Scopul lucrării este de a familiariza studenții cu procedeul de sudare a unor materiale termoplastice prin intermediul materialelor de adaos extrudate. Acest procedeu conex sudării este ecologic, datorită evitării utilizării solvenților organici pentru înmuierea materialului de bază.

2. Principii teoretice

Procedeul de sudare cu material de adaos a polimerilor constă în îmbinarea suprafețelor materialului de sudat supus unei preîncălziri prealabile prin intermediul introducerii materialului de adaos în stare topită în locul îmbinării sudate.

Materialul de adaos se poate procesa cu ajutorul unui pistol de extrudare pentru materiale termoplastice, ilustrat în Fig. 1.

Fig.1. Schema componentelor unui pistol de extrudare

Motorul (1) prevăzut cu reductor de turație antrenează bagheta de material de adaos termoplastic (2) cu ajutorul unor de elemente de ghidaj prin duza de intrare (3), într-o cameră de măcinare unde bagheta este mărunțită (4). Bucățile de material termoplastic sunt antrenate în continuare în camera de topire (5) unde prin intermediul unui șnec sunt împinse spre duza de ieșire (6) care poate fi înfășurată într-o rezistență electrică (7) cu rol de uniformizare a temperaturii.

Există mai multe variante ale procedeului de sudare cu material extrudat:

Sudarea cu material de adaos extrudat fără contact, când duza de ieșire a materialului de adaos nu vine în contact cu materialul de bază;

Sudarea cu material de adaos extrudat cu contact, în acest caz duza de ieșire a materialului extrudat este în contact cu materialul de bază. În acest caz duza trebuie să aibă o formă complementară rostului existent pentru a putea contribui în mod direct la încălzirea materialului de bază cu care vine în contact.

Principalii parametri tehnologici care intervin în realizarea acestui tip de sudare sunt: temperatura capului/duzei de sudare, temperatura materialului de adaos (TMA), presiunea de extrudare, viteza de sudare (vsud), presiunea de sudare (psud). Diferite regimuri de sudare cu material de adaos sunt redate în Tab.1.

Sudarea cu material de adaos poate fi utilizat pe scară largă la sudarea foliilor pe lungime mare, sudarea cap la cap a plăcilor din materiale plastice, sudarea componentelor cu grosimi mari (rezervoare, țevi)

Tab.1. Regimuri de sudare cu material de adaos

3. Modul de lucru

Se pregătesc plăci din HDPE și LDPE cu grosimi cuprinse între 0,2 și 20 mm pentru îmbinări cap la cap. Componentele se curăță cu alcool tehnic și se poziționează în configurația dorită;

Se identifică componentele instrumentului de sudare cu material de adaos extrudat și funcțiile acestora;

Se pune în funcțiune echipamentul de sudare și se alimentează cu bagheta de material de adaos;

Se sudează și se analizează prin control vizual componentele astfel obținute, conform indicațiilor cadrului didactic.

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde modul de lucru și observațiile experimentale aferente, formulate sub îndrumarea cadrului didactic titular de laborator. Se analizează fenomenele nedorite care pot apărea în timpul sudării, cauzele ce le generează și modul de evitare al lor. Se vor formula o serie de observații referitoare la potențialele aplicații ale procedeului de sudare cu material de adaos extrudat.

5. Bibliografie

1. Popescu M.; Marta C., Pernevan M.S. Îmbinarea materialelor avansate. Aplicații. Editura Politehnica, Timișoara, 2011.

Lucrarea #13

Sudarea materialelor plastice cu gaz încălzit

1. Scopul lucrării

Scopul lucrării constă în familiarizarea studenților cu procedeul de sudare cu gaz încălzit (prezentarea procedeului, a materialelor de bază, de adaos precum și cu tehnologia de sudare și echipamentele de sudare) și limitele sale de aplicare. Prin utilizarea gazului încălzit pentru realizarea îmbinării dintre materialele de sudat se evită folosirea unor solvenți sau adezivi cu potențial toxic.

2. Principii teoretice

Procedul constă din încălzirea suprafețelor pieselor din materiale polimerice termoplastice până la temperatura stării viscoelastice, prin intermediul unui jet de gaz încălzit. Sudarea se poate realiza cu sau fără material de adaos (Fig.1). Drept agent termic se poate utiliza aerul, azotul, oxigenul, argonul sau dioxidul de carbon. În mod uzual se utilizează aerul, iar pentru aplicații unde este important controlul gradului de oxidare în zona îmbinării sudate, se poate folosi argonul sau azotul.

Sudarea cu gaz încălzit prezintă aplicabilitate la sudarea plăcilor din materiale plastice sau materiale compozite polimerice cu grosimea cuprinsă în intervalul 2-30(50) mm. Materialele cel mai frecvent sudate prin această tehnică sunt: poli (clorura de vinil) [PVC], polietilena [PE], polipropilena [PP], polioxometilena [POM], poli (metacrilatul de metil) [PMMA], poliamidele [PA], policarbonatul [PC] și poliizobutena [PIB] în variantă simplă sau armate cu fibre/particule.

Fig.1. Sudarea cu gaz încălzit: (a): principiul sudării; (b): sudarea manuală; (c): sudarea mecanizată

(1): echipament de sudare; (2): piesă de sudat; (3): vergea de sudare; (4): duză de sudare; (5): ghidaj; (6): rolă de presare

Materialele de adaos utilizate în cadrul acestei tehnici se găsesc de obicei sub formă de vergele cu compoziție identică sau apropiată de a materialului de bază. Forma secțiunii vergelelor de material de adaos (Fig.2) poate influența semnificativ calitatea îmbinării sudate. Diametrul uzual al vergelelelor de material de adaos se situează în domeniul 2-6 mm. Acest diemetru se alege în funcție de grosimea materialului de bază, de grosimea sudurii, viteza de sudare și rezistența mecanică a îmbinării. La vergelele cu diametru mai mare de 4-5 mm nu se poate asigura o preîncălzire uniformă a acestora în timpul procesului de sudare. În unele cazuri este necesară o compoziție diferită a materialului de adaos față de materialul de bază. De exemplu, în cazul sudării PVC-ului se utilizează un material care conține 10% plastifiant și numai în cazul în care este necesară o rezistență ridicată a îmbinării sudate la mediul coroziv se utilizează material de adaos din PVC rigid.

Fig.2. Forme tipice de vergele de material de adaos

Cu acest procedeu se pot realiza suduri, în variantele cap la cap, prin suprapunere, în colț, în formă de T, etc. Alegerea variantei optime este determinată în primul rând de grosimea și proprietățile materialului de sudat, de particularitățile construcțiilor sudate precum și de condițiile de sudare. De regulă este recomandată abraziunea rosturilor materialelor de îmbinat precum și curățarea acestora cu alcool tehnic.

Parametrii tehnologici implicați în procedeul de sudare cu gaz încălzit sunt: temperatura gazului la ieșirea din încălzitor (Tg); presiunea gazului la ieșirea din încălzitor (ps); viteza de sudare (vs); unghiul făcut de vergeaua materialului de adaos și încălzitor față de suprafața sudurii; presiunea aplicată materialului de adaos (P) și distanța cap de sudare-material de bază.

Temperatura gazului la ieșirea din încălzitor este stabilită de tipul de material ce urmează a fi sudat și trebuie să depășască cu circa 50 °C temperatura stării semivâscoase a materialului plastic, pentru a se putea compensa pierderile de căldură care apar pe distanța încălzitor- suprafața de sudat. În Tab.1 sunt indicate temperaturile aerului încălzitor.

Tab.1. Temperatura aerului încălzit pentru sudarea diferiților polimeri

Presiunea gazului la ieșirea din încălzitor se alege uzual în domeniul 3,5-8 N/mm2. Alegerea incorectă a presiunii gazului poate avea drept consecință o încălzire insuficientă a pieselor sau vergelei sau o expulzare a materialului de adaos încălzit din zona sudurii.

Viteza de sudare, împreună cu temperatura gazului purtător de căldură sunt strâns legate. Fiecărei temperaturi îî corespunde o viteză optimă de sudare, după cum se poate vedea din ecuația 1. De regulă viteza de sudare cu un singur rând de material de adaos se situează în domeniul 0,1-0,3 m/min.

(1)

Unde: vs: viteza de sudare; Tg: temperatura gazului încălzit; R: constanta universală a gazelor (1,98·10-3 Kcal/mol·K); v0 și Q: parametri de proces determinați experimental; v0= 0,5-1,25 cm/s; Q= 5,8-6,24 Kcal/mol.

Presiunea aplicată materialului de adaos se situează de regulă în domeniul 5-50N. O presiune scăzută poate conduce la o pătrundere insuficientă a materialului de adaos iar o presiune prea ridicată poate conduce la o expulzare a materialului încălzit din rosturi. Distanța cap de sudare-material de vază este situată în plaja de valori de 5-7 mm.

3. Modul de lucru

Se pregătesc pentru sudare patru componente din material plastic cu grosimea de 3 mm pentru realizarea unor îmbinări de tip cap la cap și în colț (plăci de PE, PP, PC și PMMA). Componentele se curăță la suprafață cu alcool tehnic;

Se poziționează cele două componente cu menținerea unui rost de 1-2 mm;

Se stabilesc valorile optime ale parametrilor tehnologici ai procesului de sudare, conform indicațiilor cadrului didactic îndrumător;

Se stabilește tipul de material de adaos necesar pentru sudarea fiecărui material în parte;

Se sudează componentele conform indicațiilor cadrului didactic îndrumător de laborator utilizând o suflantă cu aer cald.

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde modul de lucru și observațiile experimentale aferente, formulate sub îndrumarea cadrului didactic titular de laborator. Se analizează vizual calitatea îmbinărilor sudate obținute pentru fiecare caz și se analizează fenomenele nedorite care pot apărea în cursul sudării, precum și cauzele ce le generează, în scopul evitării lor.

5. Bibliografie

Popescu M.; Marta C., Pernevan M.S. Îmbinarea materialelor avansate. Aplicații. Editura Politehnica, Timișoara, 2011.

Lucrarea #14

Sudarea materialelor plastice cu pană încălzitoare

1. Scopul lucrării

Lucrarea de laborator îsi propune familiarizarea studenților cu un procedeu ecologic de sudare a materialelor polimerice, și anume sudarea prin îmbinare. Se vor evidenția și aplicațiile acestui procedeu.

2. Principii teoretice

Sudarea cu pană încălzitoare se realizează prin încălzirea concomitentă a componentelor, astfel încât la atingerea stării fluide prin presare, se realizează sudarea acestora. Acest procedeu se poate realiza fie în variantă manuală fie mecanizată (Fig.1).

Fig.1.Sudarea cu pană încălzitoare: a): principiul sudării; b): sudare manuală; c): sudare mecanizată

1,2: piese de sudat; 3: pană încălzitoare; 4: suport; 5: rolă de presare; 6: sursă de energie

Materialele care se pretează acestui tip de sudare sunt: PVC, PE, PP, Pa și PMMA. În ceea ce privește componentele de sudat, acestea pot fi: plăci, folii și fâșii de etanșare cu grosimi cuprinse între 0,5-10 mm pentru sudarea manuală și 0,1-2 mm pentru sudarea mecanizată. În funcție de cerințele economico-tehnologice sudarea cu pană se poate realiza cu sau fără material de adaos. Materialul de adaos poate fi sub formă de vergele sau benzi, avand compoziția chimică identică sau cât mai apropiată de a materialului de bază.

Parametrii tehnologici ai procesului sunt:

Temperatura penei încălzitoare, care trebuie să fie mai mică decât temperatura de degradare a polimerului;

Presiunea de sudare, la valori prea ridicate determină o expulzare material din zona îmbinării și implicit obținerea de îmbinări cu bavură mare cu proprietăți mecanice scăzute;

Timpul de aplicare a presiunii: trebuie să fie suficient de mare astfel încât să asigure o răcire corespunzătoare a îmbinării sudate;

Viteza de sudare: este o funcție de temperatura penei încălzitoare.

Valorile orientative ale parametrilor de sudare sunt exprimate în Tab.1. Procedeul sudării cu pană încălzită se poate aplica utilizând echipamentele mecanizate pentru sudarea foliilor pe lungimi mari.

Tab.1. Parametrii sudării cu pană încălzitoare

3. Modul de lucru

Se pregătesc componentele polimerice pentru sudarea cu pană încălzitoare și se identifică părțile componente ale echipamentului de sudare și funcțiile acestora;

Se poziționează componentele de sudat, se stabilesc parametrii regimului tehnologic de sudare;

Se sudează componentele și se analizează vizual calitatea îmbinărilor sudate astfel obținute.

4. Rezultate și concluzii

Referatul va cuprinde modul de lucru și observațiile experimentale aferente, formulate sub îndrumarea cadrului didactic titular de laborator. Se analizează vizual calitatea îmbinărilor sudate obținute pentru fiecare caz și se analizează fenomenele nedorite care pot apărea în cursul sudării, precum și cauzele ce le generează, în scopul evitării lor. Se identifică potențialele aplicații ale procedeului.

5. Bibliografie

Popescu M.; Marta C., Pernevan M.S. Îmbinarea materialelor avansate. Aplicații. Editura Politehnica, Timișoara, 2011.

Popescu M.; Marta C.; Cocard M., Câneparu A. Sudarea materialelor plastice. Aplicații. Editura Politehnica, Timișoara, 2009.

Anexa 1. Liniile de emisie atomică în domeniul vizibil

Bibliografie:

Manoliu I.C.; Zugravescu P. G. Mic atlas de spectroscopie atomică. Editura Tehnică, București 1990.

Anexa 2. Proprietăți mecanice ale unor polimeri