FIZYKASPAL.DOC

]

„ Oznaczenie temperatury zapalenia tworzyw sztucznych „

I. CEL ĆWICZENIA :

              Celem ćwiczenia było oznaczenie temperatury zapalenia tworzy sztucznych .

II. CZEŚĆ TEORETYCZNA  :

              1. Podstawowe pojęcia z dziedziny tworzyw sztucznych .

Tworzywa sztuczne - są  to wielocząsteczkowe substancje organiczne ( polimery ) stanowiące podstawowy składnik danego tworzywa. Obok polimerów w tworzywie sztucznym mogą znajdować się wypełniacze , plastyfikatory , barwniki , stabilizatory , antypireny i inne dodatki wprowadzone , na przykład w celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej , termicznej , względnie odporności na procesy starzenia lub procesy opóźniające zapoczątkowanie spalania .

Polimery  -  są to związki wielkocząsteczkowe , których cząsteczki zbudowane są z dużej liczby powtarzających się grup zwanych merami . Substancjami wyjściowymi do otrzymywania polimerów są związki o małym ciężarze cząsteczkowym zwane monowerami .

Rodzaje polimerów :

              Polimery ze względu na budowę i zachowanie pod wpływem temperatury dzielą się na: termoplastyczne ,  termoutwardzalne i chemoutwardzalne .

              Polimery termoplastyczne posiadają strukturę liniową lub rozgałęzioną . Ze względu na brak grup funkcyjnych zdolnych do sieciowania nie utwardzają się podczas ogrzewania , zachowując budowę liniową lub rozgałęzioną .

Polimery termoplastyczne mogą być kształtowane wielokrotnie , a ich przerób w wysokich temperaturach nie prowadzi w sposób wyraźny do zaniku plastyczności , ani możliwości do formowania się . Polimery te są rozpuszczalne w rozpuszczalnikach , topią się i płyną .

              Polimery termoutwardzalne to tworzywa , w których pod wpływem podwyższonej temperatury następuje nieodwracalny proces powstawania struktury przestrzennie usieciowionej . Struktura ta może być kształtowana tylko jednokrotnie . Polimery te są nierozpuszczalne i nietopliwe po utwardzeniu oraz znacznie mniej elastyczne , bardziej wytrzymałe mechanicznie i odporniejsze na działanie czynników agresywnych chemicznie od polimerów termoplastycznych .

              Polimery chemoutwardzalne w przypadku tych polimerów nieodwracalne sieciowanie przebiega w wyniku reakcji chemicznej ze specjalnymi utwardzaczami .

Otrzymywanie polimerów :

              Polimery otrzymuje się z monowerów na drodze polimeryzacji ( addycyjnej lub stopniowej ) oraz polimeryzacji polikondensacyjnej  ( polikondensacji ) .

Polimeryzacja jest to proces łączenia się wielu cząstek monomeru bez wydzielenia  małocząsteczkowych produktów ubocznych .

Polikondensacja jest to proces łączenia się wielu cząstek substancji wyjściowych w związek wielkocząsteczkowy z jednoczesnym wydzielaniem  prostego związku małocząsteczkowego jako produktu ubocznego reakcji np. wody H2O , chlorowodoru HCl , amoniaku NH3 .

              W związkach wielkocząsteczkowych pod wpływem takich czynników jak energia , zwłaszcza cieplna , oraz utlenianie chemiczne lub działanie czynników agresywnych mogą zachodzić zmiany chemiczne , które spowodują pogorszenie się właściwości fizykochemicznych tworzyw .

              Starzeniu polimerów towarzyszą reakcje rozkładu : destrukcja , degradacja i depolimeryzacja .

Destrukcja - w procesie tym następuje nieregularny rozpad polimeru , między innymi do produktów małocząsteczkowych .

Degradacja - w procesie tym zachodzi przypadkowe zmniejszenie masy cząsteczkowej przez rozkład polimeru nie na produkty małocząsteczkowe lecz na fragmenty o dużych , chociaż mniejszych od wyjściowego polimeru ciężarach cząsteczkowych . Metodą degradowania jest np. oddziaływanie mechaniczne - walcowanie .

Depolimeryzacja - jest to reakcja rozkładu , podczas której wydziela się czysty monomer jako produkt rozkładu termicznego związku wielkocząsteczkowego, np. polistyren do styrenu.

Odporność termiczna polimerów .

              O podstawowych właściwościach każdego polimeru decyduje przede wszystkim jego masa cząsteczkowa i struktura chemiczna . Przez strukturę polimeru należy rozumieć budowę chemiczną makrocząsteczek , ich przestrzenną konfigurację i wzajemne położenie oraz stopień krystaliczności . Atomy wchodzące w skład makrocząsteczki tworzą łańcuch główny utworzony najczęściej z atomów węgla i przyłączonych do niego podstawników .

              Związki wielkocząsteczkowe wykazują różną wytrzymałość łańcucha na rozerwanie i niejednakowo ulegają wpływom temperatury. Jednym z zasadniczych czynników , które wpływają na wielkość rozkładu termicznego jest moc ( energia ) wiązań miedzy atomami .

              Na podstawie wartości energii wiązań przyjmuje się , że polimery zbudowane na bazie wiązań wielokrotnych będą bardziej odporne na działanie temperatury niż te z wiązaniami pojedynczymi .

              2. Spalanie tworzyw sztucznych .

              Spalanie tworzyw sztucznych to proces , który obejmuje wiele przemian fizycznych i chemicznych .

              Wyróżnia się trzy podstawowe etapy spalania . Pod wpływem ciepła następuje :

- ogrzewania materiału ,

- rozkład termiczny ( piroliza ) ,

- zapalenie.

Ogrzewanie materiału :

              Pod wpływem działającego ciepła tworzywa sztuczne ulegają różnym przemianom : mięknięciu , topnieniu lub rozkładowi z wytworzeniem warstwy węgla . Kolejność tych

procesów , poprzedzających wytworzenie fazy lotnej , zależy od właściwości tworzyw.

                             Różne sposoby wydzielania fazy lotnej jako paliwa z ciała stałego .

              W większości rodzajów tworzywa odznaczają się małym ciepłem właściwym i złym przewodnictwem ciepła , co powoduje nagrzewanie się ich powierzchni i zachodzenie powolnych przemian w warstwach położonych głębiej .

Rozkład termiczny ( piroliza ) .

              Związki wielkocząsteczkowe pod wpływem energii cieplnej i promieniowania ultrafioletowego reagują z tlenem , a także z innymi związkami chemicznymi . Wynikiem tego może być zmiana składu chemicznego , degradacja lub destrukcja . Powstają produkty zdolne do dalszych , reakcji inicjujące reakcje depolimeryzacji . Temperatura i szybkość pirolizy polimeru zależy od jego termicznej stabilności i reakcji chemicznych rozkładu ( tj. depolimeryzacji , destrukcji i degradacji ) występujących w istniejących warunkach .

              Aby tworzywo mogło ulec rozkładowi , musi być dostarczona odpowiednia energia , która wystarczy do rozerwania wiązań pomiędzy poszczególnymi atomami , z których związki te są zbudowane .

              Rozkład termiczny tworzyw sztucznych jest procesem endotermicznym i nieodwracalnym przebiegającym początkowo pod wpływem dostarczonego ciepła z zewnątrz, a następnie ciepła wytworzonego w czasie spalania .

              W trakcie rozkładu termicznego mogą się wydzielać następujące produkty :

- gazy palne lub pary , które spalają się w obecności powietrza ( metan , etan , etylen ) ,

- gazy niepalne lub gazy , które nie palą się w obecności powietrza ( dwutlenek węgla , 

   chlorowodór , bromowodór , para wodna ) ,

- ciecze ,

- produkty stałe ( węgiel popiół ) ,

-          porwane cząsteczki lub stałe fragmenty polimeru jako dym .

Zapalenie  tworzyw sztucznych :

              Zapalenie tworzyw sztucznych występuje wówczas , gdy powstałe z rozkładu termicznego gazy osiągają stężenie w zakresie granic zapalności i temperaturę równą

temperaturze zapalenia chociaż jednego składnika . Podtrzymywanie procesu palenia jest zależne od ilości ciepła przekazanego z płomienia do polimeru , od ilości gazów palnych , i od ilości tlenu w otoczeniu .

              Czynnikiem wspomagającym który determinuje szybkość spalania jest ciepło spalania . Na zapalność tworzywa ma wpływ zawartość atomów wodoru w cząsteczce polimeru . Im liczba atomów wodoru jest mniejsza , tym  mniej palnych gazów wytwarza się w czasie pirolizy , zaś pozostałość stała jest większa .

              Mechanizm spalania tworzyw sztucznych zależy od budowy tych tworzyw . Inaczej ulegają spalaniu tworzywa termoplastyczne , inaczej termoutwardzalne .

Spalanie tworzyw termoplastycznych - powstała w wyniku rozkładu termicznego faza lotna ulega zapłonowi i spala się płomieniowo .

Spalenie tworzyw termoutwardzalnych - rozkładają się pod wpływem ciepła z wytworzeniem związków niskocząsteczkowych o różnych stanach skupienia. Podczas zapłonu palna faza lotna zapala się płomieniem , a pozostałość popirolityczna spala się bezpłomieniowo ( tli się ) .

III.  STANOWISKO :

              Przyrząd do oznaczania temperatury zapalenia tworzyw sztucznych składa się z następującego zestawu :

¨      bloku w postaci okrągłego , aluminiowego walca z 4 otworami na próbki ( gilzy ) z badanym tworzywem . Blok jest ogrzewany elektrycznie tak , aby można było osiągnąć temperaturę w zakresie od 0 do 700 ° C ,

¨      czterech próbek ze stali kwasoodpornej o znormalizowanych wymiarach , wyposażonych w metalowe przykrywki z otworami , przez które może uchodzić gaz pochodzący z rozkładu ogrzewanego tworzywa ,

¨      termopary ,

¨      palnika ,

¨      termometru elektronicznego ,

¨      autotransformatora .

IV. PRZEBIEG ĆWICZENIA :

              Ćwiczenie polegające na oznaczeniu temperatury zapalenia drewna sosnowego przeprowadzono wg. PN - 69 / C - 89022.

              Zgodnie z powyższą normą temperatura zapalenia tworzyw sztucznych ( wyrobów celulozopochodnych ) - jest to najniższa temperatura powierzchni grzejnej , przy której gazowe produkty rozkładu termicznego ciała stałego zapałają się płomieniem od punktowego bodźca termicznego np. płomienia .

              Temperatura zapalenia jest wielkością stałą dla danego tworzywa i w danych określonych warunkach badania . Jej wartość zależy od : sposobu i szybkości ogrzewania , stopnia rozdrobnienia tworzywa , źródła zapłonu , czasu oddziaływania .

              Istota metody polega na ogrzaniu odpowiednio przygotowanej próbki oraz   zapaleniu wydzielających  się w wyniku rozkładu termicznego ( pirolizy ) gazów .

              Za temperaturę zapalenia przyjęto  najniższą temperaturę , w której nad wylotem gilzy z trocinami dębowymi zaobserwowano płomień nie znikający przez co najmniej 5 s .

              Podczas ćwiczenia cztery stalowe pojemniki ( gilzy ) o znormalizowanych wymiarach napełniono trocinami sosnowymi o masie 1+ 0,1  g . Po nagrzaniu aluminiowego bloku do temperatury 250 ° C w otworze na próbki umieszczono metalowy pojemnik , który poddano ogrzewaniu . W wyniku rozkładu termicznego ( pirolizy ) wydzieliły się gazowe palne produkty , które nie  uległy zapaleniu Następnie podwyższając  stopniowo  temperaturę co 10 ° C poddawano ogrzewaniu  kolejne próbki , zapisując czas ogrzewania oraz temperatury w których  nie uzyskano  zapłonu. Dopiero w temperaturze 294 ° C wydzieliły się gazowe produkty spalania, które uległy zapaleniu od przyłożonego płomienia.

              Otrzymane wyniki odnotowano  w tabeli pomiarowej .

Tabela pomiarowa :