Проект отчета №3

Читать PDF

Анализ с целью обратной разработки (реверс-инжиниринг) полимерных смесей — это узкая область знаний, где для достоверного и воспроизводимого результата требуется учитывать эксплуатационные требования готового изделия, знать технические характеристики распространённых полимерных продуктов и, в зависимости от типа пластика и присутствующих в нем функциональных добавок, применять методики анализа физико-механических свойств, фазовых переходов, количественного соотношения элементов. Для многих практических целей достаточно определить, к какому классу пластмасс относится неизвестный образец. Для определения конкретной марки материала требуется сделать анализ на пластификаторы, наполнители (от них очень часто зависят важные свойства смесей), провести анализ сложных сополимеров и смесей полимеров, что требует привлечения серьезных и достоверных инструментальных способов анализа.

Для проведения лабораторных испытаний в лабораторию опытного производства предоставлен образец продукции с целью определения физико-механических характеристик продукта. Из данного изделия получены образцы для испытаний на твёрдость, прочность, относительное удлинение – основной перечень показателей, позволяющий полно отобразить технические требования к применяемому пластику:

Для начала произвели определение плотности полимера, измерение твердости:

Измерение твёрдости образцов проводилось в 3-х разных точках, определено среднее значение результатов. Данные измерений занесены в таблицу №1:

Таблица №1

Измерение плотности (объёмной массы) образцов проводилось методом гидростатического взвешивания на весах аналитических с точностью взвешивания до 0,0001 г. в дистиллированной воде (0,9978 г/мл) тремя определениями. Образцы эластомерных материалов вырублены на пневматическом прессе. Данные измерений занесены в таблицу №2:

Таблица №2

Затем было принято решение провести CHNS-анализ.   В настоящее время метод CHNS-анализа широко применяется для определения элементного состава органических соединений, по результатам которого судят о соответствии вещества определенной брутто-формуле, определяют брутто формулу неизвестных соединений. В работе на основе результатов CHNS анализа оценивают степень чистоты веществ.

Для проведения лабораторных испытаний в лабораторию термического анализа предоставлен образец № 3 (15 граммов) с целью определения количественного CHNS – состава.

Данные измерений занесены в таблицу №3:

Таблица №3

Соотношение C и H в исследованных образцах позволяет сделать выводы о рецептурном составе данных продуктов.

Следующим было принято решение сделать элементный анализ совместно с электронной микроскопией. Известно, что физикомеханические свойства материалов определяются их микроструктурой, которая зависит от электронного строения, химического состава и технологии получения продукта. Методы сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) для анализа материалов нашли широкое применение в решении таких конкретных технологических задач вследствие их высокой информативности и достоверности получаемых результатов исследования. CЭМ позволяет одновременно исследовать размеры и форму зерен, распределение зерен и фаз по размерам, определить состав фазы и распределение химических элементов по ее площади и по площади исследуемого образца, химическую неоднородность, а также получить изображение объекта в широком диапазоне увеличений во вторичных и отраженных электронах. В данной работе исследования проводились на сканирующем электронном микроскопе JSM-IT300LV  с энерго- и волнодисперсионным элементным анализатором, с системой микроанализаторов фирмы Oxford Instruments (Великобритания). Разрешение микроскопа до 1,2 нм при ускоряющем напряжении 30 кВ (изображение во вторичных электронах), ускоряющее напряжение – от 0,5 до 30 кВ, увеличение – от x 10 до x 1 000 000, ток пучка до 200 нА, элементный анализ – от B до U.

Микроструктура полимера, ускоряющее 1,5 кВ, увеличение – х 5 000.

Результаты элементного анализа с электронной микроскопией.

Рисунок №1 – Микроснимок поверхности исходного образца

Рисунок №2 – Распределение отдельных элементов по поверхности исходного образца

Таблица №4 – Полуколичественный элементный состав исходного образца

После элементного анализа совместно с электронной микроскопией был сделан качественный анализ образца методом пиролитической газовой хромато-масс-спектрометрии по продуктам их термического распада (600 ⁰С).       Пиролитическая газовая хроматография (Py-GC) позволяет определять полимерные соединения, анализировать полимеры, пластмассы, резины. Так как пиролитическая хроматография предоставляет информацию, которую сложно получить другими методами, она является мощным инструментом анализа полимерных материалов.

Используемое оборудование — Газовый хромато-масс-спектрометр GCMS-QP2010 с пиролизером и термодесорбером на основе хромато-масс-спектрометра Shimadzu GCMS-QP2010 Plus. В модели предусмотрена вакуумная система с турбомолекулярным насосом. Технология ASSP (Advanced Scan Speed Protocol) позволяет проводить сканирование без потери чувствительности и искажения спектра. Многофункциональный пиролизер EGA/PY-3030D в основе своей конструкции имеет вертикальную микропечь. В серии многофункциональных пиролизеров, созданных компанией Frontier Laboratories Ltd, EGA/PY-3030D является моделью высшего класса.

Рисунок №1 — Хроматограмма продуктов пиролиза образца № 4  (при 600°С)

Таблица №5 — Идентификация пиков хроматограммы образца №1

Следующим на очереди исследовании стало определение относительного удлинения и прочности при разрыве.    Прочность при разрыве – это максимальное напряжение при растяжении, выдерживаемое образцом в процессе испытания на растяжение. Вычисляют как отношение максимальной растягивающей нагрузки к площади первоначального поперечного сечения образца. Из листового материала толщиной 1,7 мм были вырублены на пневмопрессе лопатки тип А (№5,6) необходимые для проведения испытания. Образцы для испытания растянули вдоль продольной оси с постоянной скоростью, в процессе растяжения измеряли нагрузку, выдерживаемую образцом, и измерили удлинение образца. Испытательная машина, используемая при испытании, обеспечивает измерение нагрузки с погрешностью не более 1% измеряемой величины и постоянную скорость раздвижения зажимов в пределах, требуемых настоящим стандартом. В испытании была задействована испытательная Shimadzu AGS-X 50кН, скорость 50мм/мин.

Данные измерений прочности на разрыв занесены в таблицу №6:

Таблица №6

Данные измерений относительного удлинения при разрыве занесены в таблицу №7:

Таблица №7

Исходя из продуктов пиролиза исследуемого образца можно сделать вывод, что исследуемый образец изготовлен на основе диметилсилоксанового каучука. Это подтверждает и соотношение углерод/водород, которое равно 4,0 как у теоретического состава диметилсилоксанового каучука, так и у исследованного образца. Каких-либо наполнителей, содержащих элементы, отличные от кремния, кислорода и углерода, образец не содержит. Поскольку измеренное содержание углерода и водорода меньше теоретического примерно на 22 %, то образец вероятно содержит около 20-22 % кварцевой муки (оксида кремния). Предоставленный образец имеет черный цвет, поэтому он, вероятно, содержит технический углерод в качестве черного пигмента, но количество его невелико, иначе соотношение углерод/водород было бы выше. Итоговый предполагаемый состав образца приведен ниже.