Студенцов В.Н. Исследование структуры полимерных материалов методом обращенной газовой хроматографии - файл n1.doc

Студенцов В.Н. Исследование структуры полимерных материалов методом обращенной газовой хроматографии
Скачать все файлы (72.5 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.doc73kb.27.01.2014 11:52скачать

n1.doc



Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А»

Энгельсский технологический институт (филиал)



Кафедра химической технологии

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ОБРАЩЕННОЙ

ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Методические указания

к учебно-исследовательской работе

по дисциплине «Структура полимерных композиционных материалов»

для подготовки магистров по программе 550814





Одобрено

редакционно-издательским

советом Саратовского государственного

технического университета


Саратов 2011

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ




В классической газовой хроматографии (ГХ) через колонку, заполненную определенным сорбентом, пропускают анализируемую смесь газов. При прохождении через сорбент газовая смесь разделяется на компоненты. Линейная скорость U перемещения компонента обратно пропорциональна производной da/dc


в

da/dc

(1)

,

U ===
где а – количество сорбированного вещества; с – концентрация компонента; в – постоянная.

Зависимости а и с при постоянной температуре называются изотермами сорбции (рис. 1).


а



с
Рис. 1. Основные формы изотерм сорбции:

1 – линейная, 2 – вогнутая, 3 – выпуклая


Практически изотермы сорбции редко бывают линейными. При вогнутой изотерме увеличение концентрации приводит к снижению линейной скорости, а при выпуклой – к увеличению линейной скорости. Различие в скоростях движения участков пробы с различными концентрациями является на практике одной из основных причин размывания хроматографических полос.

Основной характеристикой каждого компонента (при прочих одинаковых условиях) является время удерживания  (время выхода). Время удерживания – главный критерий при идентификации компонентов в классической газовой хроматографии. Время удерживания определяется соотношением [1].

L

U


(A1S1+1),


(2)
 
где L – длина колонки; U средняя линейная скорость газа-носителя; А1 – коэффициент сорбции данного компонента; S1 – поверхность сорбента на единицу объема сорбционного слоя.

П
(3)
рактически измеряемое время удерживания  является общим временем удерживания. Если от него отнять мертвое время колонки о, то есть время прохождения через колонку несорбируемого вещества, например, газа-носителя, то получаем чистое время удерживания


ч =  - о.

Объем газа-носителя, пропущенного через колонку за время пребывания в ней компонента, называется удерживаемым объемом V

V
(4)
= Vr  ,

где Vr – объемная скорость газа-носителя при температуре колонки.

У
(5)
держиваемый объем, соответствующий чистому времени удерживания, называется чистым удерживаемым объемом Vч


Vч = Vr  ч .

Он считается равным объему компонентов, принимавшему участие в сорбционно-десорбционном процессе.

В обращенной газовой хроматографии (ОГХ) через изучаемый сорбент пропускают известные вещества и определяют удерживаемый объем. В качестве изучаемых сорбентов можно использовать химические волокна и другие полимерные объекты. Например, при изучении смесей полимеров отклонение наблюдаемого удерживаемого объема от рассчитанного по правилу аддитивности свидетельствует о наличии в изучаемом объекте промежуточной фазы, возникшей на границе взаимодействия полимеров [2,3,.4].

В общем случае увеличение удерживаемого объема свидетельствует о повышении пористости полимера.

Целью данной работы является определение характеристик микропластиков и полимерных композиционных материалов (ПКМ) по величине чистого удерживаемого объема. Нахождение удельной поверхности волокна по величине времени удерживания возможно при условии распределения сорбируемого вещества мономолекулярным слоем по поверхности полимерного сорбента.

Изучая ПКМ различного состава, можно контролировать структурные и фазовые изменения в полимерах при повышении температуры сорбции.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ



Для изучения структуры полимеров методом ОГХ в принципе может быть использован обычный газовый хроматограф с набивной колонкой (рис. 2).





Рис. 2. Принципиальная схема хроматографа:

1 – источник газа-носителя; 2 – дозатор; 3 – разделительная колонка;

4 – детектор; 5 – расходомер
В данной лабораторной работе используется современный отечественный хроматограф. Правила работы на этом хроматографе необходимо изучить по заводскому руководству. Особенностью данного хроматографа является то, что в нем установлены две одинаковые разделительные колонки: одна соединена с рабочей камерой детектора по теплопроводности – катетометра, другая – со сравнительной камерой. Поэтому основной поток газа-носителя разделяется на два параллельных равных потока, каждый из которых проходит через свой дозатор, колонку и камеру детектора. Оба потока равнозначны, пробу можно вводить в любой поток.

В качестве газа-носителя используется высокочистый азот с концентрацией 99,998 об.% из баллона, в качестве проб – гексан, этанол и метилэтилкетон (МЭК). Гексан, этанол и МЭК в обычных условиях являются жидкостями. Если оба плечевых элемента детектора находятся в одинаковых условиях в атмосфере азота, то между ними нет разности потенциалов. Когда через одну из камер проходит проба, то изменяются условия теплоотдачи соответствующего плечевого элемента, соответственно изменяется его температура, сопротивление и потенциал, между плечевыми элементами появляется разность потенциалов, которая фиксируется в виде пика на диаграммной ленте электронного потенциометра.

Чтобы плечевые элементы не перегорели, питание детектора следует включать только после открывания потока газа-носителя.

Особенностью данной работы является необходимость возможно более точного измерения и поддержания заданных объемных скоростей газа-носителя. Измерение объемной скорости газа-носителя осуществляется при помощи пенного расходомера, подсоединяемого к выходу камер детектора.

Температура в термостате колонок и детектора регулируется. Установлено, что при 900 сорбция указанных веществ на химических волокнах приближается к равновесной. С целью приближения процесса сорбции к равновесию следует вводить газовые пробы объемом 0,5-1 мл при помощи медицинского шприца.

Химические волокна обычно являются полярными веществами, гексан неполярен, этанол и МЭК полярны, поэтому этанол и МЭК сорбируются в больших количествах, чем гексан.

Перед началом исследований необходимо изучаемый материал измельчить, пустые колонки взвесить на аналитических весах с точностью до 10-4г и в каждую колонку поместить по 0,8 г материала, равномерно распределив его по длине колонки. Для определения удельной поверхности необходимо точно знать массу материала в каждой колонке, поэтому заполненные колонки снова взвешиваются на аналитических весах с прежней точностью. Допускается разница масс образца в колонках порядка 1-2 г.

Время удерживания измеряется секундомером как отрезок времени от момента нажатия на поршень шприца до максимального отклонения пера потенциометра (до максимума соответствующего пика). Для каждого вещества должна быть построена зависимость времени удерживания от объемной скорости азота. Поэтому измерения проводят при пяти объемных скоростях азота в пределах до 1800 мл/ч (0,5 мл/с). При фиксированной объемной скорости каждую пробу вводят несколько раз (минимум три раза) и вычисляют среднее время удерживания.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА



Письменный отчет предъявляется каждым студентом. Отчет должен содержать экспериментальные результаты, представленные в виде таблицы и дальнейшую обработку опытных данных.
Таблица 1
Влияние вещества пробы и объемной скорости

газа-носителя Vr, мл/с, на усредненное общее

время удерживания , с, и чистое время удерживания 2, с


Vr

П Р О Б А

этанол

МЭК






r



r

0,2













0,4













0,6













0,8













1,0














Значения мертвого времени 0, необходимые для вычисления чистых времен удерживания  на основе соотношения (3), принимается равным времени удерживания гексана, поскольку это неполярное вещество.

При помощи соотношения (5) вычисляют чистый удерживаемый объем Vч и строят зависимости Vч от Vг. По этим графикам путем их экстраполяции при Vч  0 находят значения Vч0, которые можно считать равновесными сорбированными объемами газообразных проб.

Поверхность сорбции S, м2, связана с величиной Vr0 соотношением


(6)

V
S =

,
ч0273  6,02  1023  


2240 Т
где 273 – 0оС по абсолютной шкале; 22400 – объем одного грамм-моля идеального газа при нормальных условиях, см3; 6  02  1023 – количество частиц в одном грамм-моле идеального газа;  - площадь, занимаемая одной сорбированной частицей, м2.

Вычисление коэффициента уравнения Ван-дер-Ваальса показало, что пары используемых проб в рассматриваемых условиях можно считать идеальными газами.

Соотношение (6) основано на предположениях, что молекулы сорбата присоединяются торцами к поверхности сорбента и покрывают ее мономолекулярным слоем.

Величины  имеют следующие значения: гексан – 18 10-20 м2, этанол - 2210-20 м2. Для МЭК можно принять значение 2010-20 м2.

Удельная поверхность Sуд, м2/г, волокна рассчитывается, согласно определению по формуле
S
(7)
уд = S/m ,

где m – масса волокна, г.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ


  1. Какова основная причина размывания хроматографических полос, которая проявляется в расширении пиков на хроматограмме, особенно при малых скоростях газа-носителя?

  2. Из каких основных частей состоит газовый хроматограф?

  3. Что называется мертвым временем колонки?

  4. Что такое общее и чистое время удерживания и соответственно общий и чистый удерживаемый объем?

  5. При каких условиях сорбция используемых проб приближается к равновесной?

  6. Как вычисляется количество сорбируемых частиц и занимаемая ими площадь?

  7. Как влияет структура поверхности частиц полимерного материала на чистый удерживаемый объем?

  8. Как влияет химическая природа и условия получения волокон на структуру поверхности волокна?


ЛИТЕРАТУРА


  1. Столяров Б.В. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии / Б.В.Столяров, И.М.Савинов, А.Т.Витенберг; под ред. Б.В.Иоффе. – Л.: Химия, 1988. – 336 с.

  2. Нестеров А.Е. Обращенная газовая хроматография полимеров. – Киев: Научная мысль, 1988. – 184 с.

  3. Липатов Ю.С. Межфазные явления в полимерах. – Киев: Научная мысль, 1980. – 260 с.

  4. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. – М.: Химия, 1991. – 264 с.


Составители: Студенцов Виктор Николаевич

Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации