Учебно-исследовательская работа

Получение композиционного материала на основе полиэтилена с применением наполнителей

Богатенко Татьяна, Зюркалов Андрей,

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Гимназия № 8 » Энгельсского муниципального района

Саратовской области

г. Энгельс - 2014

Оглавление

Введение. 3

История получения полиэтилена. 3

Виды полиэтилена. 3

Производство полиэтилена. 5

Сырье производства полиэтилена. 5

Наполнители полиэтилена. 6

Экспериментальная часть. 7

Введение в полиэтилен различных видов наполнителей. 7

Изучение влияния наполнителей на физико-химические свойства полиэтилена. 7

Заключение. 15

Литература. 17

Введение

Основу нефтехимических производств составляют установки по производству углеводородных газов: этилена, пропилена, бутана, а также комплексы по производству ароматических углеводородов:  бензола, ксилолов и т. д. В состав нефтехимических производств входят также производства кислородсодержащих веществ-спиртов, эфиров  и т. д. Важное место в структуре нефтехимических производств занимают производства высокомолекулярных соединений: полиэтилена, полипропилена.

Целью данной работы является:

- изучение физико-химических свойств полиэтилена;

- получение полиэтилена с введение различных наполнителей;

- изучение физико-химических свойств полученных полимеров;

- оценить точность измерений;

- определить область применения новых материалов.

История получения полиэтилена

Полиэтилен, занимающий первое место по объему производства, был открыт совершенно случайно. В 1933 г. в лаборатории ICI Великобритания ученые пытались синтезировать стирол взаимодействием бензальдегида с этиленом при высоком давлении. Вместо ожидаемого продукта они получили белое парафинообразное вещество, осевшее на стенках реактора. Это и был полиэтилен. Спустя 6 лет немецкий химик Макс Фишер, работая в компании IGFarbenIndutie над получением смазочных масел из этилена, проводил реакцию при низком давлении в присутствии порошка алюминия и титана и также выделил в результате белое парофинообразное вещество – полиэтилен.

Исследования, проведенные в Великобритании, выделились в конце концов в разработку метода полимеризации при высоком давлении, которым получают полиэтилен низкой плотности ЭВД.

В 1950 – 1960 гг. когда Карл Циглер и Джулио Натта выступили с сенсационным открытием – каталитическими системами на основе металлов. Наиболее широкое распространение из этих катализаторов получили соединения из титана – триалкилалюминия.

В настоящее время в мировой промышленности существуют четыре метода производства полиэтилена: один метод при высоком давлении и три при низком давлении.

Виды полиэтилена.

Полиэтилен ( - СH₂ - - СH₂ -)_n- карбоцепной термопластичный кристаллический полимер белого цвета со степенью кристалличности при 20⁰С  0,5 – 0,9. При нагревании до температуры плавления он переходит в аморфное состояние. Макромолекулы полиэтилена  имеют линейное строение с небольшим количеством боковых отверстий. Полиэтилен водостоек, не растворяется в органических растворителях, но при температуре выше 70⁰С набухает и растворяется в ароматических углеводородах и галогенпроизводных углеводородов. Стоек к действию концентрированных кислот и щелочей, однако разрушается при воздействии сильных окислителей. Обладает низко газо- и паропроницаемостью. Звенья ПЭ неполярные, поэтому он обладает высокими диэлектрическими свойствами и является высокочастотным диэлектриком. Практически безвреден. Может эксплуатироваться при температурах от -70 до +60⁰С.

Физические свойства полиэтилена.

Таблица 1.

Правильные  представления о молекулярной структуре  ПЭВД сложились не сразу, а некоторые её характеристики не определены точно до сих пор. Это связано как с особенностями структуры ПЭВД, так и с вытекающими отсюда трудностями исследования этого полимера.

         ПЭВД обладает сильно развитой разветвленностью и большой полидисперсности  по молекулярной массе, определяющих надмолекулярную структуру и физические свойства полиэтилена.

Эти особенности молекулярного строения ПЭВД и ныне отличают его от всех известных синтетических полимеризационных полимеров.

Молекулярная  структура и основные свойства полиэтилена.

Таблица 2

Производство полиэтилена.

Полиэтилен получают полимеризацией этилена. Полиэтилен высокого давления (низкой плотности). Образуется при температуре 200—260 °C, давлении 150—300 МПа в присутствии инициатора (кислород или органический пероксид).

Полиэтилен среднего давления. Образуется при температуре 100—120 °C, давлении 3—4 МПа в присутствии катализатора (катализаторы Циглера — Натта или смеси TiCl4).

Полиэтилен низкого давления (высокой плотности). Образуется при температуре 120—150 °C, давлении ниже 0.1 — 2 МПа в присутствии катализатора.

Существуют и другие способы полимеризации этилена, например под влиянием радиоактивного излучения, однако они не получили промышленного распространения.

Сырье производства полиэтилена

В получении полиэтилена используется этилен высшего сорта. Чистый этилен имеет следующие свойства.

Физические свойства этилена.

Таблица 3.

Наполнители полиэтилена

Дисперсные. Группа дисперсных наполнителей является наиболее разнообразной по свойствам. Более или менее эффективно используются практически любые поддающиеся измельчению продукты как неорганического, так и органического происхождения: композиции с кожурой ореха, шелухой зернобобовых, плодовыми косточками, порошковым фторопластом, древесная мука, сажа, мел, природный диоксид кремния, асбест.

Волокнистые. Волокнистые наполнители по разнообразию существенно уступают дисперсным. Наиболее распространенными являются стекловолокна, углеволокна, хлопчатобумажные и синтетические волокна, а также отходы их производства.

Тканые. Тканые наполнители производятся главным образом на основе хлопчатобумажных, стеклянных и углеродных тканей. В качестве тканых наполнителей применяют рулонные ткани, тканые ленты и шнуры, а также однонаправленные ленты, в которых несущие высокопрочные волокна «основы» соединены в непрерывную ленту редкими нитями «утка».

Нетканые. К нетканым наполнителям относятся бумага, картон, войлочные маты, сетки.

Коррозионная стойкость полиэтилена

Полиэтилен обладают высокой стойкостью к агрессивным веществам, транспортируемым по нефтепромысловым трубам (нефть, нефтяной попутный газ, пластовые и сточные воды, в том числе с большим содержанием сероводорода, кислорода, углекислого газа и др.), и содержащимся в грунте. Стальные трубопроводы с наружной и внутренней антикоррозионной защитой по этому параметру уступают полиэтилену, превосходя их по стоимости.

Являясь диэлектриками, полиэтилен и полиэфирные нити, не подвержены

действию блуждающих токов, в отличие от стальных трубопроводов и не нуждаются в станциях электрохимической защиты.

Внутренняя поверхность полиэтилена не подвержена коррозии и зарастанию карбонатными отложениями, в отличие от стальной трубы.

Трубопроводы из полиэтилена обычно прокладывают подземно, т.к. полиэтилен  чувствителен к ультрафиолетовому излучению. В случае необходимости в материал наружного слоя вводятся светостабилизирующие добавки.

Гидроабразивная стойкость

Трубы из полиэтилена высокой плотности имеют высокую гидроабразивную стойкость по сравнению с трубами из других полимеров. Результаты испытаний полиэтиленовых и стальных труб, в которой гидроабразивная среда (кварцевый песок + вода, содержащая 25% объема песка) прогонялась через трубы со скоростью 5,4 м/с, показали, что износ за единицу времени в стальных трубах приблизительно в 2,5 раз больше чем в трубах полиэтилена. Испытания, проведенные с целью определения влияния изгибов трубопроводов на относительный износ, показали, что сопротивление гидроабразивному износу полиэтилена в 4 раза выше, чем у стали. Эти испытания проводились абразивными средами с 7 % и с 14 % содержанием по объему кварцевого песка, со средней скоростью потока 6,9 м/с .

Экспериментальная часть.

Введение в полиэтилен различных видов наполнителей.

Для получения композитов в приготовленный прибор помещали полиэтилен и наполнители в следующих соотношениях:

Таблица 4

Изучение влияния наполнителей на физико-химические свойства полиэтилена.

В ходе исследовательской работы нами проводилось по 5 опытов с каждым образцом, средние значения приведены в таблицах.

Опыт 1. Определение плотности контрольного образца и полученных композитов.

Для  определения плотности композита использовали формулы

 ;

Физические свойства исследуемых образцов.

Таблица 5.

Вывод:

ü  ведение композиционных  материалов  приводит к увеличению плотности;

ü  ведение углеродного волокна и сосновых опилок повышает удельную теплоемкость.

Опыт 2.Определение теплоемкости испыытуемых образцов.

1. Поместим испытуемый образец в стакан с горячей водой и измерим термометром ее температуру, она будет равняться температуре образца, т. к. через определенное время температура воды и  образца сравняются.

2. Затем наливаем в калориметр холодную воду и измеряем ее температуру.

3. После этого помещаем привязанный на нитке образец в калориметр с холодной водой и, помешивая в нем воду термометром, измеряем установившуюся в результате теплообмена температуру.

Измеренная установившаяся конечная температура в калориметре и остальные данные позволят нам рассчитать удельную теплоемкость композита, из которого изготовлен образец. Вычислять искомую величину мы будем исходя из того, что, остывая, образец отдает ровно такое же количество теплоты, что и получает вода при нагревании, происходит так называемый теплообмен.

Соответственно получаем следующие уравнения. Для нагрева воды количество теплоты:

, где:

 удельная теплоемкость воды (табличная величина), ;

 масса воды, которую можно определить с помощью весов, кг;

 конечная температура воды и цилиндра, измеренная с помощью термометра, ⁰ С.

 начальная температура холодной воды, измеренная с помощью термометра, ⁰ С.

При  охлаждении композита количество теплоты:

, где:

 удельная теплоемкость материала, из которого изготовлен образец (искомая величина), ;

 масса образца, которую можно определить с помощью весов, кг;

 температура горячей воды и, соответственно, начальная температура образца, измеренная с помощью термометра, ⁰ С.

 конечная температура воды и цилиндра, измеренная с помощью термометра, ⁰ С.

В обеих формулах мы вычитаем из большей температуры меньшую для определения положительного значения количества теплоты.

Как было указано ранее, из-за процесса теплообмена между холодной водой и  образцом их количества теплоты равны:

.

Следовательно, удельная теплоемкость материала образца:

Оценка точности измерений

На точность измерений физических величин оказы­вает влияние ряд причин, вызывающих появление пог­решностей.

Погрешности измерений в зависимости от причин их возникновения классифицируются так.

1.Погрешности метода измерения — это погрешнос­ти, возникающие вследствие несовершенства применяе­мого метода измерения или из-за влияния допущений и упрощений в применении эмпирических формул.

2.Погрешности, возникающие в результате непра­вильной установки прибора. Измерительные приборы требуют предварительной проверки и определенной ус­тановки.

3.Погрешности, возникающие вследствие внешних влиянии на средства измерений или объекты измерения.

а) Влияние температуры. Большинство измеритель­ных приборов, дают верные по­казания при температуре +20°С. При отклонении от этой температуры результаты измерений искажаются.

б) Влияние магнитных полей (магнитного поля земли и магнитных полей токов) устраняют экранированием.

в) Влияние вредных вибраций и сотрясений устра­няют путем применения различных пружин, резиновых прокладок.

4.Субъективные погрешности — это погрешности, обусловленные индивидуальными свойствами наблюда­теля.

5.Инструментальные погрешности (основные) — это погрешности, возникающие при изготовлении меры или измерительного прибора.

6.Погрешности отсчета — это погрешности, которые в основном появляются вследствие округления показания измерительных приборов до заданной степени точности.

Приближенное значение измеряемой величины, абсолютная и относительная погрешности измерения

Значения, получаемые при измерении физических величин, являются не истинными значениями, а прибли­женными, с неточностями, определяемыми абсолютной погрешностью.

Абсолютная погрешность измерения выражается в единицах измеряемой величины. Абсолютная погреш­ность измерения ΔХ определяется формулой

ΔХ = X_ном - Х,

где Х_ном — значение, полученное при измерении,  Х - ис­тинное значение измеряемой величины.

Поскольку истинное значение измеряемой величины остается неизвестно, на практике можно найти лишь приближенную оценку погрешности намерения.  Отношение абсолютной погрешности измерения к ис­тинному значению измеряемой величины есть относительная погрешность измерения. Относительная погреш­ность может быть выражена в процентах.

Основные методы учета погрешностей

·                   Метод подсчета цифр. При обработке результатов измерений, где погрешности измерений учесть за­труднительно, а строгого учета погрешностей не требу­ется, целесообразно применять метод подсчета цифр.

·                   Метод среднего арифметического. На точность результатов измерений могут сказаться не только свойства средств измерения (инструментальная погрешность и т. д.), но и особенности измеряемого физического тела. Все причины, влияющие на результат измерений, учесть и выявить невозможно, вследствие этого неизбежные случайные погрешности дают отличные друг от друга результаты. Беря среднее арифметическое из всех полученных результатов, мы ослабляем влияние случайных погрешностей и находим результат, более близкий к истинному значению измеряемой величины. Средняя относительная погрешность результата определяется отношением средней абсолютной погрешности к среднему значению величины.

Данный метод  использовался в нашей работе.

·                   Метод границ. Это один из основных методов при­ниженных вычислений при косвенных измерениях и при однократных прямых измерениях.

·                   Метод оценки результатов измерений дает возможность определять абсолютные и относительные погрешности, получаемые при измерении физических величин. Он основан на применении формул теории приближённых вычислений.

Расчет погрешности  измерений на примере измерение плотности  Образца 1.

ρ=- среднее значение величины

ρ == 1420(кг/м³)

Δρ ₁ =| ρ - ρ ₁|    -  абсолютная погрешность отдельных измерений

Δρ ₌     - средняя абсолютная погрешность               измерений

Δρ _= = 29 (кг/м³)

ε =  100%    - средняя относительная погрешность результатов

ε =

Опыт 3.Определение электропроводности методом электролиза.

Проводили электролиз хлорида натрия, иодида калия и сульфата меди.

Налили в  химический стакан раствор иодида калия (хлорида натрия, сульфата меди) так, чтобы концы электродов были погружены в раствор на 4-5 см. Электроды прибора включаются в цепь постоянного тока (от выпрямителя).

Ø Электролиз иодида калия:

КI → К⁺+ I^-

Н₂О → Н⁺+ОН^-

Катод:                                                       Анод

К⁺                                                                                                       2I^- - 2е →I₂

2Н⁺+2е →Н₂                                                                            ОН^-

2КI + 2Н₂О→ I₂+Н₂+2КОН

В растворе КОН, при добавлении фенолфталеина раствор окрашивается в малиновый цвет. На катоде наблюдали выделение пузырьков водорода. На аноде выделяется йод, при добавлении крахмального клейстера раствор у анода окрашивается в синий цвет.

Ø Электролиз хлорида  натрия:

NaCl→ Na⁺ +Cl^-

Н₂О → Н⁺+ОН^-

Катод:                                                       Анод

Na⁺                                                                                                    2Cl ^- - 2е →Cl ₂

2Н⁺+2е →Н₂                                                                            ОН^-

2NaCl + 2Н₂О→Cl₂+Н₂+2NaОН

В растворе NaОН, при добавлении фенолфталеина раствор окрашивается в малиновый цвет. На катоде наблюдали выделение пузырьков водорода. На аноде выделяется хлор, который определяли по запаху.

Ø Электролиз сульфата меди:

CuSO₄→ Cu⁺² +^-SO₄^-2

Н₂О → Н⁺+ОН^-

Катод:                                                       Анод

Cu⁺² + 2е→ Cu^о                                                                     SO₄^-2

Н⁺                                                                                                       4ОН^- - 4е→2Н₂О +О₂

2CuSO₄+ 2Н₂О→2Cu^о+О₂+2Н₂SO₄

Далее рассчитывали массу выделившейся меди на катоде по закону М.Фарадея

,            = 0,08г

Вывод:  введение графита к полиэтилену приводит к появлению свойств электропроводности.

Опыт 4. Определение твердости.

Твёрдость – сопротивление материала вдавливанию или царапанию.

Твердость тел «а»иногда оценивают по условной десятибалльной шкале Мооса (шкала была предложена в 1811г. немецким минерологом Ф. Моосом) Шкалу составляют минералы, подобранные таким образом, что каждый последующий является более твердым, чем предыдущий. Например: тальк имеет твердость «1», алмаз имеет твердость «10». По десятибалльной шкале определяется относительная твердость исследуемых тел; эта твердость характеризуется числом и не имеет размерности.

В своей работе мы пользовались другим научным способом - «б»

         Твердость тел «б» определяют таким образом: вещества с твердостью ниже «2» царапаются ногтём; с твердостью ниже «4» - ножом; ниже «7» - напильником; вещества с твёрдостью выше «8» царапаются стеклом; выше «9» режут стекло

Таблица твердости  композитов

Таблица 6

Кроме этого мы проводили испытания на эластичность и твердость композитов при помощи травматического пистолета «Гроза-041» (9 PA) и винтовки «Rossi» (.38 Special, .357 Magnum).

Технические характеристики

Таблица 7

Известно, что если резиновая пуля с кинетической энергией 140 Дж попадет в грудную клетку человека, то последуют сильные повреждения внутренних органов, высока вероятность летального исхода.

Резиновая пуля от образца отскочила..38 Special и .357 Magnum прошли насквозь.

Рассчитаем среднее давление пули на образец.

m = 1∙10^-3кг

υ₁=400м/с

Е_к1 =  =  = 80 Дж

Е_к2 =140 Дж

Работа равна изменению кинетической энергии

А = Е_к2 – Е_к1 = 140 – 80 = 60 Дж

Среднюю силу удара пули можно определить из формулы:

А = F∙s∙cos

Выстрел производили на расстоянии s = 7м

cos = 1

F =  =  = 8,5 Н

Площадь соприкосновения пули и образца

= 3,14∙ = 64∙10^-6м²

Среднее давление пули на поверхность образца

p =   =  = 14,078 Па

Вывод: образец с графитовым наполнителем имеет наименьшую твёрдость.

Опыт 5.Действие растворителей на испытуемые образцы.

Испытуемые образцы поместили в различные химические вещества, для выявления растворимости, полученных образцов. Результаты внесены в таблицу.

Определение химической стойкости исследуемых образцов.

Таблица 6.

+ растворился;

- не растворился

Вывод: композиты по сравнению с полиэтиленом более устойчивы к воздействию концентрированной азотной кислоты.

Заключение

Наша работа  имеет большое практическое значение: полимеры используются человеком в повседневной жизни, и без знания их свойств и особенностей сложно обеспечить безопасную среду обитания. Актуальность данной тематики обусловлена тем, что полиэтилен широко используются в науке, технике и других областях, современная жизнь без них немыслима. Ни одна отрасль промышленности не обходится без пластмасс, химических волокон, каучуков и резине на их основе. Повседневная жизнь немыслима без изделий из полимеров от полиэтиленовой пленки до посуды, а также жевательной резинки, белка молока, рыбы, мяса и такого углевода, как крахмал. А если возьмем производство лекарств, медицинского оборудования, то тут уж точно не обойтись без полимеров.

Новизна нашей работы состоит в том, что нами были получены образцы полиэтилена с разными видами наполнителей.

Исследовали физико-химические свойства полученных и контрольных образцов, оценили точность измерений.

Сделаны следующие выводы: изготовление композиционных материалов на основе полиэтилена изменяет плотность, удельную теплоемкость и электропроводность, что позволяет в будущем найти новое применение композиционного материала, на основе полиэтилена.

Литература

1.     Агапчев В. И. и др. Новая технология диагностирования нефтепромысловых трубопроводов из полимерных материалов// – В сб. докладов Научно практического семинара «Обеспечение эксплуатационной надежности систем трубопроводного транспорта», 11 апреля 2006 г., Киев 2006, с. 68-69.

2.     Галичанин Е.Н. Применение новых технологий в транспортировке углеводородного сырья// Нефть. Газ. Промышленность, №1 (29), 2007, с. 52-55 Глухова О.В., Фаттахов М.М. Эффективность применения трубопроводов из полиэтиленовых труб // Нефтегазовое дело, 2006

3.     Гребенькова Г.Л. и др. Анализ работоспособности коррозионностойких трубопроводов// Нефтегазовое дело, 2004

4.     Ращепкин А.К. и др. Новые отечественные технологии при изготовлении и монтаже трубопроводных систем нефтегазовой инфраструктуры из комбинированных труб на основе термопластов // Нефтегазовое дело, 2005

5.     Пепеляев В.С., Тараканов А.И. Полиэтиленовые трубы, армированные

синтетическими нитями для нефтепромысловых трубопроводов// Интервал. Передовые нефтегазовые технологии, №9, 2006, с. 33-37

6.     Пепеляев В.С., Тараканов А.И. Полиэтиленовые армированные трубы

для газопроводов с рабочим давлением свыше 1,2 МПа// Полимергаз, № 4, 2006, с. 14-18

7.     Пепеляев В.С., Тараканов А.И. Выбор методики испытаний промысловых трубопроводов из полиэтиленовых армированных синтетическими нитями труб // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса, № 3, 2007, с 78-80