Задача

Задача на тему Сборник задач и расчетно графических работ по технологии переработки полимеров

Работа добавлена на сайт bukvasha.ru: 2014-11-09
Сборник задач и расчетно-графических работ по технологии переработки полимеров

Содержание
1. Формование изделий (1,2,3,4,5,6,7)
2. Характеристики волокнистых наполнителей (8,9,10)
3. Отверждение термореактивных связующих (11,12,13,14,15,16)
4. Физико-химическое взаимодействие между связующим и наполнителем в переходных слоях(17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30)
5. Диффузионные процессы в системе «связующее-наполнитель» (31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43)
6. Структура и свойства сетчатых полимеров (44,45)
7. Материальные расчеты (46,47)
8. Статистическая обработка результатов измерений (48)

1. Рассчитать массовую скорость m , г / мин истечения расплавленного поликапроамида при линейной скорости формования v=700 м/ мин капроновой нити метрического номера N=10,7 , если плотность капрона ρ=1,14 г/ см3. Рассчитав эффективное сечение нити S,мкм2 по соотношению
S=106 / Nρ , определите условный радиус нити r.
Решение:
Толщина нити в текстах Т=1000/N=93,4 г/1000м
S= ≈82000 мкм2=8,2·10-4см2.
Объёмная скорость V истечения расплава V=v·S=7·104cм/мин·8,2·104см2=57,4 см3/мин
Массовая скорость истечения расплава
m=V·ρ=57,4 cм3/мин·1,14 г/см3=65,4 г/мин=1,09·10-3 кг/с
S=πr2; r=√S/π=√82000/3,14=160 мкм
Ответ: m=65,4 г/мин; r=160 мкм
2. Пользуясь законом Пуазейля m= , определить поправку q, характеризующую отклонение реального полимера от ньютоновской жидкости. Принять : m=65,4 г/мин =1,09·10-3кг/с. ∆P=10кгс/см2=1,02·106Па; r=160мкм; ρ=1,14 г/см3; ℓ=1см ; η=8 Па·с
Подсчитать, во сколько раз понизилась вязкость при течении? Какова причина этого явления?
Решение:
Для расчёта величины q из указанного соотношения все входящие в него величины необходимо выразить в единицах системы СИ:
∆P=10кгс/см2=10/9,8 МПа=1,02 МПа=1,02·106Па
r=160 мкм=160·10-6м=1,6·10-4м; ρ=1,14 г/см3=1,14·10-3кг/см3=1140 кг/м3; ℓ=1см=10-2м;
q= ;
В начальном состоянии : η1н
В конечном состоянии : η2к=0,0275ηн

Ответ: q=2,75·10-2; вязкость полимера понизилась в 36 раз.
3. Найти показатель степени m в обобщённом законе течения жидкостей σ=η·γm, если при увеличении напряжения σ в 2 раза скорость деформирования γ увеличилась в 12 раз, а вязкость η жидкого полимера понизилась в 5 раз. О каких структурных изменениях в полимере свидетельствует полученное значение m?
Решение
Записываем обобщённый закон течения в начальном и конечном состояниях рассматриваемой системы:
σ11γ1m
1=0,2η1·12mγ1m
Почленно логарифмируем эти соотношения:
ℓgσ1=ℓgη1+mℓgγ1
ℓg2+ℓgσ1=ℓg0,2+ℓgη1+mℓg12+mℓgγ1
и вычитаем одно из другого:
ℓgσ1-ℓg2-ℓgσ1=ℓgη1+mℓgγ1-ℓg0,2-ℓgη1-mℓg12-mℓgγ1
После взаимного уничтожения некоторых слагаемых получаем алгебраическое уравнение:
+ℓg2=+mℓg12+ℓg0,2;откуда m= ≈0,92
Ответ: m=0,92; значение m‹1 свидетельствует об уменьшении размера надмолекулярных структур в процессе переработки полимера.
4.Найти напряжение σ, при котором вязкость расплава поликапроамида составляет η=9 Па·с при скорости деформирования γ=0,3 мин-1, если показатель степени в обобщённом законе течения σ=ηγm m=0,92.
Решение:
γ=0,3 мин-1= с-1=0,005 с-1
Применяем обобщённый закон течения:
σ=9·0,0050,92;
ℓgσ=ℓg9+0,92ℓg(5·10-3)=ℓg9+0,92ℓg5-2,760=0,954+0,92·0,699- 2,76=0,954+0,643-2,760=-1,163. Следовательно σ=10-1,163≈0,07 Па
Ответ: σ=0,07 Па
5. Вычислить среднюю массу межузловых цепей в сетчатом полимере, если модуль упругости при растяжении Ер=109 Па. Расчёт проводить по соотношению  где Т=393 К, ρ=1200 кг/м3, R=8,31 Дж/моль·К. Каково соотношение между модулями упругости при растяжении и межслоевом сдвиге?
Решение
=
Полученное среднее значение массы межузловых цепей Мс=12 г/моль соответствует физическим узлам ветвления (перепутывания), поскольку физические сетки значительно более частые, чем химические сетки.
Ответ: Мс=0,012 кг/моль=12 г/моль

6. Вычислить среднюю толщину d прослойки связующего при равномерном распределении однонаправленных элементарных волоконец в материале. В качестве наполнителя используется техническая нить капрон с линейной плотностью Т=90.Масса прессованного образца 40 г при массовом соотношении связующего и наполнителя 1:1. Плотность эпоксидного связующего ρсв.=1,2 г/см3, плотность капрона ρкапр =1,14 г/см3.Для расчёта применить соотношение
 

d =   
где mсв.и mнап.- масса связующего и наполнителя в образце, г, соответственно.
Указанное соотношение получено для модели равномерного распределения армирующих волоконец в поперечном сечении образца ПКМ. При этом суммарная площадь промежуточных слоёв определяется как разность общей площади поперечного сечения образца и суммарной площади поперечных сечений армирующих волоконец.
Решение


Ответ: d≈0,07 мм=0,007 см=70 мкм

7. Определить объём V, см3, децинормального (0,1 н) раствора соляной кислоты, пошедшего на нейтрализацию основных групп, содержащихся в 1 см3 смеси эпоксидная смола ЭД-20 -отвердитель полиэтиленполиамин (ПЭПА) по соотношению
V=N (1-xэп)vэп+(N - xэпN )vотв ,
где v  =1,4∙10-20; vотв=3∙10-20 объём кислоты на нейтрализацию одной функциональной группы смолы и отвердителя, см3;
N =3,6∙1020 част/см3, N =1,8∙1020 част/см3 - начальные концентрации эпоксидных групп и аминогрупп отвердителя;
xэп=0,8 – степень превращения эпоксидных групп в процессе отверждения;
n≈2 – среднее количество эпоксидных групп, связываемых одной аминогруппой отвердителя.
Решение:
Расходующаяся при титровании хлористоводородная (соляная) кислота затрачивается главным образом на нейтрализацию эпоксидных групп смолы (первое слагаемое главного соотношения) и на нейтрализацию первичных аминогрупп отвердителя (второе слагаемое).Количество подлежащих нейтрализации кислотой основных групп определяется разностью начальных количеств и прореагировавших количеств указанных    функциональных групп:
V=3,6∙1020 0,2∙1,4∙10-20 (1,8∙1020 - 0,4∙3,6∙1020
×3∙10-20 =1,008 +1,08 =2,088
Ответ: V=2,088
8.Вычислить продолжительность ,с заполнения глухих пор наполнителя эпоксидным связующим вязкостью =7 Па∙с. Средняя длина пор =10 мкм, глубина заполнения =7 мкм, внешнее давление P1=8 МПа=8∙106 Па, начальное давление внутри поры P2=105 Па (атмосферное давление), радиус пор R=1 нм. Расчёт провести по соотношению

Что является движущей силой процесса заполнения пор, закрытых с одного конца (глухих пор)? Сформулируйте закон, который выражается используемым соотношением.
Решение:
Относительное заполнение поры < 1,поэтому n < 0 есть
величина отрицательная, поэтому  есть разность давлений внешнего и внутри поры, то есть движущая сила процесса заполнения поры. Таким образом, продолжительность заполнения поры пропорциональна вязкости жидкого полимера и обратно пропорциональна движущей силе процесса. Для заполнения поры на 7 мкм (70% полной глубины) потребуется

Ответ: τ=43 с

9.Вычислить толщину переходного слоя δ в системе, содержащей mсв=13 г фенольного связующего при содержании наполнителя (лавсан) 60% масс., если массовая доля переходного слоя γ=0,34.Удельная поверхность наполнителя Sуд=6 м2/г, плотность связующего ρ=1,2 г/см3. Расчёт вести по соотношению
δ=  ,
где m- масса связующего на 1 г наполнителя.
Что такое переходный слой и где он локализуется?  
Решение:
Среднюю толщину переходного слоя δ определяют как отношение объёма V переходного слоя к его поверхности, принимаемой равной поверхности наполнителя S=Sуд∙mнап  (1).
Масса наполнителя mнап= (2)
Величина V= (3). С учетом соотношений (1-3) получаем:
δ=
Ответ: δ=0,03∙10-4 см=0,03 мкм
10. Методом обращенной газовой хроматографии (ОГХ) получено, что время удерживания τ паров этанола вискозной стренговой нитью (ВСН), помещенной в колонну хроматографа, составляет τ=50,5 с. Объемная скорость газа-носителя Vг=0,3 мл/с. Объем V сорбированного нитью пара этанола вычислить по соотношению V=Vг∙(τ-τо)=Vг∙Δτ (1), где τо=15 с – время удерживания несорбируемого компонента (“мёртвое” время колонки).
Считая пары этанола идеальным газом, следует найти количество молей и количество частиц в объёме V. При расчете суммарной поверхности S волокон принять, что сорбированный этанол покрыл поверхность мономолекулярным слоем, а площадь, занимаемая одной молекулой этанола, составляет δ=20∙10-20 м2. Найти удельную поверхность ВСН Sуд=  (2) при массе нити m=4,618 г.
Что называют молем? Что такое удельная поверхность твердого материала?
Назовите основные части и принцип работы газового хроматографа.
Решение:
Количество молей n сорбированных паров находим с использованием объема одного моля идеального газа 22400 мл/моль: n=
Количество сорбированных молекул N определяем через число Авогадро А=6,02∙1023 частиц/моль:
N=n∙A
Поверхность сорбции S определяем как площадь мономолекулярного слоя:
S=δN=δnA.
Отсюда удельная поверхность Sуд:
Sуд= = = = = ≈12,13 м2
Ответ: S=56 м2; Sуд≈12 м2

11. Рассматривается процесс отверждения эпоксидной смолы ЭД-20.
Температурная зависимость изобарной мольной теплоёмкости этой смолы Сролиг, Дж/моль∙К, определяется соотношением
Сролиг=595+0,47Т+0,0002Т2 (1),
а температурная зависимость изобарной мольной теплоёмкости продукта с молекулярной массой 800 (димера) имеет вид
Српрод =7019-37,9Т+0,0607Т2 (2), то же для продукта с молекулярной массой 2000: Српрод 2000=17290-93,4Т+0,15Т2 (3).
Вычислить тепловой эффект отверждения при 100°С, если при 30°С он составляет -122 кДж/моль, по соотношению:
Q373=Q303+Δαo(373-303)+ Δα1(3732-3032)+ Δα2(3733-3033) (4)
Решение:
В данной задаче рассматриваются две модельные реакции
2 Ол. Прод 800 (I)
5 Ол. Прод2000 (II),
где Ол.- исходный олигомер со средней молекулярной массой 400.
В соответствии с правилами термодинамики величины Δαi рассчитываются по соотношениям:
Δαii прод 800- 2αi для реакции (I) и
Δαii прод 2000- 2αi для реакции (II)
1.Расчёт теплового эффекта реакции (I) при 373К:
Δαo=7019-2∙595=5829
Δα1=-37,9-2∙0,466=-38,832
Δα2=0,061- 0,00042=0,0605,
При этом обязателен учет знака коэффициентов αi:
Q373=-122000 +5829∙70-19,416∙47320+0,02∙24076990=- 122000Дж/моль-29195 Дж/2 моль = -122000 Дж/моль –14597 Дж/моль ≈-137 кДж/моль
2.Расчёт теплового эффекта реакции (II) при 373 К:
∆αo=17290-5∙595=17290-2975=14315
∆α1=-93,36-5∙0,466=-93,36-2,33=-95,69
∆α2=0,15- 0,00021∙5=0,15-0,00105=0,14895
Q373=-122000+(14317∙70-0,5∙95,69∙47320+0,33∙0,14895∙24076990)=-122000+(1002190-2264025+1177112)=-122000+(2179302-2264025)=-122000 -
-84723Дж/5моль=-122000 Дж-16945Дж ≈139 кДж/моль
Ответ: Q373=-122-15=-137 кДж/моль
Q373=-122-17=-139 кДж/моль
13. Найти поверхность S наполнителя в образце массой m=21,6 г при соотношении связующего и наполнителя 3:2 по массе, если в качестве наполнителя использована капроновая нить с удельной поверхностью Sуд=10 м2
Решение:
Материал содержит две массовые части из пяти, то есть 40% масс.
Следовательно , масса наполнителя mнап=21,6∙0,4=8,64 г.Суммарная поверхность S всех макрочастиц наполнителя
S=mнап∙Sуд=8,642∙10 =86,4 м2
Ответ: S=86,4 м2

14. Найти во сколько раз кажущаяся поверхность Sрасч капроновой нити толщиной Т=2 текс, состоящей из 50 элементарных волокон, отличается от удельной поверхности Sуд=10 м2/г, плотность капрона ρ=1,14 г/см3. Элементарные волокна считать круглыми цилиндрами с поперечным сечением F=  мкм2.Почему удельная (истинная) поверхность значительно больше кажущейся (расчётной) поверхности?
Решение:
Общее сечение нити F= = =1754 мкм2
Сечение элементарного волокна Fвол= =35 мкм2
Условный радиус элементарного волокна r = 3,34 мкм=
=3,34∙10-6 м.
Из сущности определения толщины в тексах: 2 г1000 м
1 г – 500 м =
Поверхность круглого элементарного волокна определяется в основном как поверхность круглого цилиндра: S= =6,28∙3,34∙10-6 м∙500 м =
=21∙500∙10-6 м2=10488∙10-6 м2=0,0104876 м2≈0,0105 м2
Sрасч=nS=0,0104 м2∙50=0,52 м2
Искомое отношение Sуд/Sрасч= ≈19
Большое отличие Sуд от Sрасч обусловлено тем, что при вычислении Sрасч не учитывали дефекты поверхности.
Ответ: ≈19

15. Исходя из выражений для средней степени превращения связующего в композиции x=xсв(1-γ)+yγ (1) и степени превращения связующего в переходном слое y=xсв+χ (2), вывести соотношение для вычисления параметра влияния χ (xсв- степень превращения связующего в объёме, γ- массовая доля связующего,образовавшего переходный слой).
Решение:
Подставив соотношение (2) в соотношение (1), получаем:
X=xсв-γxсв+γxсв+χγ
Отсюда χ=
Ответ: χ=
17. Степень превращения связующего y в переходном слое больше степени превращения связующего в объёме xсв на 0,18: y-xсв=χ=0,18. Пользуясь соотношением χ=(x-xсв)/γ=∆x/γ, найти массовую долю γ связующего, образовавшего переходный слой, если из кинетических результатов получено ∆x=0,10 (x-средняя степень превращения связующего в материале).Каково в этом случае влияние наполнителя на кинетику отверждения?
Решение:
Из соотношения χ=(x-xсв)/γ получаем : γ= =0,55.
Из соотношений y>xсв, χ=y-xсв>0 видно, что степень превращения в переходном слое выше, чем в объёме, то есть наполнитель ускоряет отверждение.
Ответ: γ=0,55. Наполнитель ускоряет отверждение.

16. Найти скорость диффузии U=Δx/τ олигомерных молекул фенолоформальдегидной смолы к поверхности наполнителя по кинетическим данным:
τ,мин
x,масс.
доли
xсв,масс.
доли
Δx=x-xсв
(U,с-1)∙
∙105
γ
χ=
30
0,33
0,30
60
0,67
0,60
90
0,90
0,80
120
0,92
0,84
150
0,94
0,88
180
0,95
0,91
210
0,96
0,94
240
0,97
0,96
Принято, что отверждение протекает в диффузионной области.Построить на миллиметровой бумаге график зависимости U(τ).Путем графического интегрирования графика U(τ) найти значения γ:
γτ=  и вычислить значение параметра влияния χ.Заполните таблицу.
Решение:
Величина U=  есть по существу скорость физико-химического взаимодействия между наполнителем и связующим.Для вычисления U продолжительность отверждения τ следует выразить в секундах. Величины Δx и U проходят через максимум, поэтому график U(τ) имеет экстремальную форму. Для графического интегрирования графика U(τ) необходимо:
1)               определить количество массовых долей, приходящихся на 1 см2 площади графика – найти “цену” С одного квадратного сантиметра площади, ограниченной данным графиком;
2)               выразить в квадратных сантиметрах площади Si полос, соответствующих продолжительности процесса 30;60;90;120;150;180;210;240 минут;
3)               величина γ1=СS1; γ2=C(S1+S2); γ3=C(S1+S2+S3)…. γ8=C
Значения параметра влияния χ >1 не имеет реального смысла и обусловлены погрешностью данного метода расчёта.
Ответ: γmax=0,14; χmax=0,70
17. Определить среднюю толщину δ переходного слоя, образованного фенолоформальдегидным связующим массой m=12,96 г на поверхности S=86,4 м2 при массовой доле γ связующего, образовавшего переходный слой, γ=0,56. Плотность фенолоформальдегидного связующего ρ=1,2 г/см3.
Решение:
Средняя толщина переходного слоя определяется отношением объёма υ переходного слоя к его площади S:
δ= 0,07∙10-4 см=0,07 мкм
Фенолформальдегидная смола образует на поверхности волокнистых наполнителей сравнительно тонкие переходные слои: 0,03 мкм – на поверхности лавсана (задача 9), 0,07 мкм – на поверхности капрона (задача 17).
Ответ: δ=0,07 мкм
18.Определить концентрации непрореагировавших олигомеров в объёме связующего С1 и в переходном слое С2, а также их разность ∆С=С21 (движущую силу диффузии), если xсв=0,80; χ=0,17;γ=0,56.Общая масса связующего m=12,96 г. Расчет вести по модели 1 (см. рис.1):

REF  SHAPE  \* MERGEFORMAT
Рис.1 Схема переходного слоя по модели 1
Волокно
Переходный слой
Связующее в объёме
Подпись: Волокно

Переходный слой 


Связующее в объёме
 

Плотность связующего ρ=1,2 г/см3.
В какую сторону диффундируют олигомерные молекулы в соответствии с полученными результатами ? Найти движущую силу диффузии ΔС=С21.
Решение:
С1~  (1), С2~  (2), где V- объём связующего, υ- объём переходного слоя.
V=  (3), υ=  (4), y=xсв+χ (5).
Подставляя (3), (4), (5) в (1) и (2), получаем:
C1= масс. доли/см3=см-3
С2= =0,00280 см-3
∆С=С21=0,00280-0,04209=-0,03929≈-0,0393 см-3
Ответ: ∆С=-0,0393 см-3; олигомерные молекулы диффундируют из объёма связующего к поверхности наполнителя, т.к наполнитель ускоряет отверждение.
19. Определить среднюю толщину δ переходного слоя, образованного эпоксидным связующим массой m=12,96 г на поверхности наполнителя S=86,4 м2 при массовой доле связующего,образовавшего переходный слой,γ=0,90.Плотность эпоксидного связующего ρ=1,2 г/см3.
Решение:
Среднюю толщину переходного слоя можно оценить как отношение объёма переходного слоя υ к его поверхности S:
Δ= 0,1125∙10-4 см=0,1125 мкм
Ответ: δ=0,1125∙10-4 см=0,1125 мкм
20. Вычислить коэффициент диффузии D, олигомерных молекул фенолоформальдегидного связующего к поверхности волокна капрон используя соотношение U=-DS(∆C/δ) (первый закон Фика), где скорость диффузии U=1,85∙10-5 с-1, движущая сила диффузии ∆С=-0,0393 см-3, толщина переходного слоя δ=0,07 мкм, площадь переходного слоя (поверхность диффузии) S=86,4 м2. S выразить в см2, δ- в см
Решение:
Из данного выражения первого закона Фика в конечных приращениях следует :
D1=- 0,0382∙10-13 =3,82∙10-15 см2/с.
Порядок полученной величины D1 соответствует известным значениям коэффициентов диффузии молекул низкомолекулярных веществ в твёрдых полимерах.
Ответ: D1=3,82∙10-15 см2
21. Вычислить коэффициент диффузии D2 олигомерных молекул фенолоформальдегидного связующего к поверхности волокна капрон, используя соотношение  (второй закон Фика), где толщина переходного слоя (путь диффузии) δ=0,07 мкм, продолжительность процесса Δτ=90 мин. (необходимо Δτ выразить в секундах).
Решение:
Величины движущей силы диффузии ΔС=С21 в левой и правой частях выражения для второго закона Фика в конечных приращениях сокращаются, поэтому указанное выражение принимает вид  ,
откуда D2= .
Порядок величины D2 совпадает с порядком коэффициента диффузии D1, полученного в задаче 20 с использованием первого закона Фика. В принципе коэффициент диффузии D в обоих законах Фика – одна и та же величина.
Ответ: D2=8,98∙10-15 см2
22. Вычислить коэффициент диффузии D1 олигомерных молекул фенолоформальдегидного связующего к поверхности волокна капрон, используя соотношение U=-D1S(ΔC/δ) (первый закон Фика),где скорость диффузии U=1,85∙10-5 с-1, движущая сила диффузии ΔС=0,0377 см-3, толщина переходного слоя δ=0,07 мкм, площадь переходного слоя (поверхность диффузии) S=86,4 м2. S выразить в см2, δ- в см.
В данной задаче величина ΔС определена на основе модели 2 переходного слоя (рис.2)

Волокно
Переходный слой
Связующее в объёме
Подпись: Волокно

Переходный слой

Связующее в объёме

















































































































REF  SHAPE  \* MERGEFORMAT


Рис.2 Схема переходного слоя по модели 2
Решение:
D1= 3,98∙10-15
Ответ: D1=3,98∙10-15 см2
23. Вычислить коэффициент диффузии D2 олигомерных молекул фенолоформальдегидного связующего к поверхности волокна капрон,используя соотношение  (второй закон Фика), где ΔС – движущая сила диффузии, δ=0,07 мкм – толщина переходного слоя (путь диффузии), Δτ=90 мин. – продолжительность диффузии.
Следует δ выразить в см, τ- в секундах.
Решение:
Из данного выражения второго закона Фика в конечных приращениях получаем:
D2=
Из сравнения задач 21 и 23 следует, что при нахождении коэффициента диффузии с использованием второго закона Фика получаемое значение D не зависит от того, по какой модели переходного слоя рассчитывают величину ΔС, т.е величина ΔС в этом случае не имеет большого значения.
Ответ:D2=8,97∙10-15 см2
24. Используя приведённые кинетические данные зависимости степени превращения xсв ненаполненного эпоксидного связующего и степени превращения такого же связующего в смеси с волокнистым наполнителем (нить лавсан) от продолжительности отверждения τ, найти скорость U=  взаимодействия между наполнителем и связующим. Графическим интегрированием зависимости U(τ) найти массовые доли γ связующего,образовавшего переходные слои γ= :
τ,мин
x,масс.
доли
xсв,масс.
доли
Δx=x-xсв
(U,с-1)∙
∙105
γ
χ=
30
0,51
0,30
60
0,72
0,47
90
0,80
0,64
120
0,86
0,70
150
0,90
0,75
180
0,93
0,80
210
0,94
0,84
240
0,94
0,86
Вычислить также параметр влияния χ и указать, чему равна скорость диффузии олигомерных молекул связующего к поверхности элементов наполнителя, если отверждение протекает в диффузионной области.
Решение:
Для вычисления и U продолжительность отверждения τ следует выразить в секундах. Величины Δx и U проходят через максимум, поэтому график U(τ) имеет экстремальную форму. Для графического интегрирования графика U(τ) необходимо:
1)               определить количество массовых долей, приходящихся на 1 см2 площади графика – найти “цену” С одного квадратного сантиметра площади, ограниченной данным графиком;
2)               выразить в квадратных сантиметрах площади Si полос, соответствующих шагу Δτ=30 мин. при изменении τ от 0 до 240 минут (рис.3);
3)               величина γ1=CS1, γ2=С(S1+S2), γ3=C(S1+S2+S3), ….. γ8=С=
Значения параметра влияния χ>1 не изменяют реального смысла и обусловлены погрешностью данного метода расчёта.
Сравнение результатов задач 24 и 16 показывает, что эпоксидное связующее образует более толстые (массивные) переходные слои, чем феноло-формальдегидное связующее (значения γmax составляют 0,63 и 0,14 соответственно). При этом в переходных слоях эпоксидного связующего выше роль химического взаимодействия между связующим и наполнителем (χmax составляет 0,96 и 0,70 соответственно).
Скорость диффузии олигомерных молекул связующего равны скорости U взаимодействия между связующим и наполнителем, если отверждение протекает в диффузионной области.
Ответ: γmax=0,63  χmax=0,96
25. Определить концентрации (массовые доли/см3) непрореагировавших олигомеров в объёме связующего С1 и в переходном слое С2, если степень превращения в объёме xсв=0,64; χ=0,35; γ=0,34. Общая масса связующнго m=12,96 г. Расчёт вести по модели 1 (то есть всё связующее, находящееся вблизи поверхности наполнителя, считать относящимся к переходному слою). Плотность связующего ρ=1,2 г/см3.
Найти движущую силу ΔС диффузии олигомерных молекул связующего в системе связующее-наполнитель. В какую сторону диффундируют олигомерные молекулы в данной задаче?

Решение:
Концентрацию С1 олигомеров в объёме связующего V можно оценить как массовую долю олигомеров в единице объёма: С~ .
Аналогично концентрация в олигомеров в переходном слое С2~ ,
где степень превращения связующего в переходном слое y=xсв+χ=0,99.
Принимая плотности связующего в объёме и в переходном слое равными, можно вычислить объёмы:
V= =7,128 см3;
υ = =3,672 см3
Используя приведённые соотношения, получаем:
C1= =0,05050 см-3
С2= 0,000926 см-3;
ΔC=C2-C1=-0,004957 см-3
Самодиффузия протекает в направлении от большей концентрации к меньшей, то есть из объёма к поверхности наполнителя, ускоряющего отверждение.
Ответ: С1=0,005050 см-3, С2=0,000926 см-3, ΔС=С21=-0,04957 см-3
26. Определить концентрации (массовые доли/см3) непрореагировавших олигомеров в объёме связующего С1 и в переходном слое С2,если степень превращения в объёме xсв=0,64; χ=0,35; γ=0,34. Общая масса связующего m=12,96 г.Расчёт вести по модели 2 (то есть к переходному слою относить только отвержденные участки, находящиеся вблизи поверхности элементов наполнителя), при этом объём переходного слоя υ=myγ/ρ несколько сократится по сравнению с расчётом по модели 1 (y=xcв+χ – cтепень превращения олигомеров в переходном слое). Плотность связующего ρ=1,2 г/см3.
Найти движущую силу ΔС диффузии олигомерных молекул связующего в системе связующее-наполнитель.В какую сторону диффундируют олигомерные молекулы в данной задаче?
Решение:
По аналогии с задачей 25 концентрацию С1 олигомеров в объёме связующего V можно оценить как массовую долю олигомеров в единице объёма: C1~ , концентрацию С2 олигомеров в переходном слое объёмом υ : С2~ , где степень превращения связующего в переходном слое y=xсв+χ=0,99.
Принимая плотности связующего в объёме и в переходном слое равными, можно вычислить объёмы, исключив из переходных слоев неотвержденные участки (в соответствии с моделью 2):
V= =7,165 см3;
υ= =3,635 см3
Используя вышеуказанные соотношения, получаем:
C1= =0,0524 см-3
С2= =0,000935 см-3
ΔС=0,000935-0,05024=-0,04931 см-3
Таким образом, различие между величинами ΔС, рассчитанными при использовании моделей 1 и 2, невелико (см. задачу 25), так как при y 1 различие между моделями 1 и 2 сглаживается.
Ответ: С1=0,05024 см-3; С2=0,000935 см-3; ΔС=С21=-0,04931 см-3.
27. Вычислить коэффициент диффузии D1 олигомерных молекул эпоксидного связующего к поверхности волокна лавсан в процессе отверждения, используя соотношение U=-D1S(ΔC/δ) (первый закон Фика), где U=3,00∙10-5 масс. доли/с- скорость диффузии олигомеров, численно равная скорости взаимодействия связующего и наполнителя в диффузионной области; ΔС=-0,04957 масс.доли/см3- движущая сила диффузии, рассчитанная по модели 1 переходного слоя; масса полимерного образца m=21,6 г.; содержание наполнителя Снап=40 масс.%, удельная поверхность волокнистого наполнителя Sуд=6 м2/г; толщина переходного слоя δ=2 мкм.
Решение:
Величину коэффициента диффузии D1 находим из данного выражения для первого закона Фика:
D1=- , где S- поверхность диффузии, которую принимаем равной поверхности наполнителя:
S=mCнапSуд=21,6 г ∙0,4∙6 м2/г=51,84∙104 см2.
Используя полученное значение S, имеем:
D1= ≈2,33∙10-13 см2
Ответ: D1=2,33∙10-13 см2
28. Вычислить коэффициент диффузии D2 олигомерных молекул эпоксидного связующего к поверхности волокна – наполнителя лавсан в процессе отверждения, используя соотношение (второй закон Фика), где движущая сила диффузии ΔС=-0,04957 масс. доли/см3 рассчитана по модели 1 переходного слоя, толщина переходного слоя (путь диффузии) δ=2 мкм; продолжительность отверждения Δτ=90 мин. при атмосферном давлении.

Решение:
В соответствии с данным выражением второго закона Фика величина движущей силы ΔС не играет существенной роли при вычислении D2:
D2= =7,40∙10-12 см2/с=74∙10-13 см2
Получено ,что D2 примерно в 30 раз больше, чем D1 (cм. Задачу 27):
=31,8
Ответ: D2=7,40∙10-12 см2
29. Вычислить коэффициент диффузии D1 олигомерных молекул эпоксидного связующего к поверхности волокна лавсан в процессе отверждения, используя соотношение U=-D1S(ΔC/δ) (первый закон Фика), где U=3,00∙10-5 масс. доли/с – скорость диффузии олигомеров, численно равная скорости взаимодействия связующего и наполнителя в диффузионной области;ΔС=-0,04931 масс.доли/см3 – движущая сила диффузии, рассчитанная по модели 2 переходного слоя; масса полимерного образца m=21,6 г; содержание наполнителя Снап=40% масс., удельная поверхность волокнистого наполнителя Sуд=6 м2/ч; толщина переходного слоя δ=2 мкм.
Решение:
 Величину коэффициента диффузии D1 находим из данного в условии выражения для первого закона Фика:
D1=- , где S – поверхность диффузии, которую принимаем равной поверхности наполнителя: S=m∙Cнап∙Sуд=21,6 г∙0,4∙6 =51,8∙104 м2 используя полученное значение S, имеем:
D1= ≈2,35∙10-13 см2
При использовании ΔС, рассчитанной по модели 1 переходного слоя, имели незначительное отличие величины D1 (cм. Задачу 27):
D1=2,33∙10-13 см2/с.
Ответ: D1=2,35∙10-13 см2/с.
30. Вычислить коэффициент диффузии D2 олигомерных молекул эпоксидного связующего к поверхности волокна – наполнителя лавсан в процессе отверждения, используя соотношение  (второй закон Фика), где движущая сила диффузии ΔС=-0,04931 масс.доли/см3 рассчитана по модели 2 переходного слоя, толщина переходного слоя (путь диффузии) δ=2 мкм; продолжительность отверждения при атмосферном давлении Δτ=90 мин.
Решение:
Из данного в условии задачи соотношения получаем: D2= =7,34∙10-12 см2
Сравнение результатов расчетов коэффициентов диффузии в задачах 27-30 по моделям 1,2 переходных слоёв:
D11=2,33∙10-13 см2/с; D12=2,35∙10-13 см2
D21=7,40∙10-12 см2/с; D22=7,34∙10-12 см2
 показывает,что использование различных моделей переходных слоёв обусловливает меньшее различие в величине коэффициентов диффузии, чем использование различных законов диффузии.
Решение: D2=7,34∙10-12 см2/с.
31. Определить среднюю толщину  прослойки эпоксидного связующего между волокнами, зная путь  диффундирующих молекул в момент времени τ1, когда разбавляющее и замедляющее влияние волокнистого наполнителя компенсировано физико-химическим взаимодействием между связующим и наполнителем:
Х     1                        1- с наполнителем; 2 – без наполнителя;
 
                        2
 
 
τ
(x- cтепень превращения олигомерной термореактивной смолы в сетчатый продукт)
При расчёте исходить из того, что 2 =d, и использовать соотношение D= , где D=6,0∙10-12 см2/с – коэффициент диффузии олигомерных молекул смолы, =10-7 см/с – средняя линейная скорость диффундирующих олигомерных молекул в рассматриваемом направлении.
Решение:
Из данного в условии задачи соотношения D= =  cледует:
= =36∙10-5 см=3,6∙10-4 см=3,6 мкм
Ответ: =3,6∙10-4 см=3,6 мкм
32. Вывести в общем виде выражение для движущей силы ΔС диффузии олигомерных молекул в системе связующее-наполнитель, используя модель 1 переходного слоя, через параметры y,γ,χ (y-cтепень превращения связующего в сетчатый продукт в переходном слое); γ-массовая доля связующего, образовавшего переходный слой; y=xсв+χ, где xсв- cтепень превращения связующего в объёме; χ-параметр влияния. При выводе исходить из того, что ΔС=С21 – движущая сила диффузии определяется разностью концентраций олигомеров в переходном слое С2 и в объёме С1.Концентрации определяются как отношение массовых долей олигомеров в переходном слое и в объёме связующего к соответствующим объёмам υ и V (γ(1-y)-количество олигомеров в переходном слое по модели 1).
Решение:
ΔС=С21=
Учитывая, что =V, получаем:
ΔС=
Используя соотношение y=xсв+χ, окончательно имеем:
ΔC=
Ответ: ΔС=-
33. Вывести в общем виде выражение для движущей силы ΔС диффузии олигомерных молекул в системе связующее с массой и плотностью ρ – наполнитель, используя модель 2 переходного слоя, через параметры y,γ,χ (y-степень превращения связующего в сетчатый продукт в переходном слое; γ- массовая доля связующего, образовавшего переходный слой; y=xсв+χ, где xсв- степень превращения связующего в объёме; χ-параметр влияния. При выводе исходить из того, что ΔС=С21 – движущая сила диффузии определяется разностью концентраций олигомеров в переходном слое С2 и в объёме С1. Концентрация определяется как отношение массовых долей олигомеров в переходном слое и в объёме связующего к соответствующим объёмам υ и V (γ(1-yγ)- количество олигомеров в переходном слое по модели 2).Общий объём связующего V определяется его массой m и плотностью ρ: V=m/ρ.
Решение:
ΔС=С21=
Учитывая соотношение υ/γ=V, y=xсв+χ, получаем:
ΔC=
Ответ: ΔС= =
34. Используя аддитивность тепловых эффектов отверждения ненаполненного эпоксидного связующего Q и взаимодействие Qдоп эпоксидного связующего с лавсаном, из которых складывается тепловой эффект суммарного процесса Qсумм=γQдоп+(1-γ)Q, найти величину Qдоп, если Qсумм=104 кДж/моль, Q=122 кДж/моль; массовая доля связующего, образовавшего переходный слой, γ=0,63.
Решение:
Выразив аддитивность тепловых эффектов отверждения ненаполненного эпоксидного связующего Q и взаимодействии Qдоп эпоксидного связующего с лавсаном, из которых складывается тепловой эффект суммарного процесса Qсумм=γQдоп+(1-γ)Q, найти величину Qдоп, если Qсумм=104 кДж/моль, Q=122 кДж/моль; массовая доля связующего, образовавшего переходный слой , γ=0,63.
Выразив Qдоп из соотношения, приведённого в условии задачи, и подставив численные значения величин, получаем:
Qдоп=
Ответ: Qдоп=94 кДж/моль

35. На основании известных экспериментальных значений тепловых эффектов отверждения эпоксидной смолы без наполнителя
Q=-122 кДж/моль, отверждения эпоксидной смолы с полипропиленовой нитью Qсумм=-132 кДж/моль и эффективных энергий активации, кДж/моль, отверждения эпоксидной смолы без наполнителя Е=27, эпоксидной смолы с полипропиленовой нитью Есумм=100 найти значения параметров А и В соотношения Е=А+В|Q|, считая, что значения А и В одинаковы для отверждения ненаполненных и наполненных систем.
Решение:
Применив зависимость Е от |Q| для ненаполненной и наполненной эпоксидной смолы, получаем систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными:
27=А+122В
100=А+132В,
Откуда имеем: А=27-122В; 100=27-122В+132В;
10В=73; В=7,3
А=27-122∙7,3=-863,6≈-864 кДж/моль
Ответ: А=-864 кДж/моль; В=7,3.
36. Из соотношения Qдоп=200χ+20(1-χ) найти значения параметра влияния χ на основании известных значений теплового эффекта Qдоп взаимодействия между связующим и наполнителем для систем: эпоксидная смола ЭД-20 и полипропиленовая нить (ППН), анилино-фенолоформальдегидная смола СФ-342А и ППН-180 и 50 кДж/моль соответственно.
Решение:
Из данного в условии задачи соотношения следует, что тепловой эффект взаимодействия между связующим и наполнителем аддитивно складывается из теплоты химического (первое слагаемое) и физического (второе слагаемое) взаимодействия. Из этого соотношения следует: 180χ=Qдоп-20; χ= .
Применив последнее соотношение к смолам ЭД-20 и СФ-342А, получаем соответственно: χ1= =0,89; χ2= =0,17
Из полученных значений χ12 следует, что при взаимодействии наполнителя ППН со смолой ЭД-20 преобладают химические процессы, а при взаимодействии ППН со смолой СФ-342А- физические.
Ответ: χ1=0,89; χ2=0,17
37. Используя аддитивность тепловых эффектов отверждения ненаполненного связующего Q и взаимодействия Qдоп связующего с полипропиленовым наполнителем (ППН)
Qсумм=γQдоп+(1-γ)Q, вычислить массовые доли γ переходных слоев в системах эпоксидная смола+ППН (Q=122; Qcумм=132; Qдоп=180 кДж/моль) и фенолоформальдегидная смола+ППН (Q=21; Qсумм=23; Qдоп=50 кДж/моль) и толщину переходных слоёв δ=  в тех же системах
(m=32 г- масса смолы на 1 г. наполнителя, ρ=1,2 г/см3- плотность связующего, она практически одинакова для обеих рассматриваемых смол; Sуд=5 м2/г- удельная поверхность полипропиленовой нити, используемой в качестве наполнителя).
С каким связующим ППН образует более толстые и прочные переходные слои?
Решение:
Из данного в условии соотношения аддитивности тепловых эффектов выражаем величину γ:
γ =
Подставляя в это соотношение численные значения тепловых эффектов, получаем для двух связующих:
γ1 = =0,172
γ2= =0,069
Затем вычисляем соответственно среднюю толщину переходных слоёв
δ1 = =0,92∙10-4 см=0,92 мкм
δ2 = =0,37∙10-4 см=0,37 мкм
 При взаимодействии ППН с эпоксидной смолой выделяется больше теплоты, чем при взаимодействии ППН с фенолоформальдегидной смолой:
180>50 кДж/моль. Таким образом, эпоксидная смола образует более толстые 0,92>0,37 мкм и прочные переходные слои.
Ответ: γ1=0,172; δ1=0,92 мкм;
γ2=0,069; δ2=0,37 мкм.
38. Используя аддитивность тепловых эффектов отверждения Q ненаполненной анилино-фенолоформальдегидной смолы СФ-342А и взаимодействия Qдоп этой смолы с лавсаном, из которых складывается тепловой эффект суммарного процесса Qсумм=γQдоп+(1-γ)Q, найти величину Qдоп, если Qсумм=65 кДж/моль, Q=21 кДж/моль; массовая доля связующего, образовавшего переходный слой, γ=0,56
Решение:
Из балансового уравнения тепловых эффектов, данного в условии задачи, находим:
Qдоп= ≈100 кДж/моль
Отверждение анилино-фенолоформальдегидной смолы при повышенных давлениях ускорится капроном, тепловой эффект взаимодействия капрона с этим связующим сравнительно велик, величина Qдоп=100 кДж/моль близка к прочности химических связей между связующим и наполнителем.
Ответ: Qдоп=100 кДж/моль
39. На основании известных экспериментальных значений эффективной энергии активации отверждения смеси анилино-фенолоформальдегидной смолы СФ-342А с капроном Есумм=101 кДж/моль и суммарного теплового эффекта отверждения указанной смеси Qсумм=-65 кДж/моль. Найти параметр А соотношения Е=А+В|Q|.Параметр В=7,3 считать одинаковым для смол СФ-342А и эпоксидной ЭД-20.
Решение:
Из соотношения зависимости Е от |Q| выражаем :
А=Е-В|Q|=101-7,3∙65=101 =-374 кДж/моль.
Указанное соотношение является уравнением прямой, в котором В-тангенс угла наклона прямой, А-значение Е при |Q|=0, то есть точка пересечения прямой с осью Е.
Ответ: А= - 374 кДж/моль.
40. Используя соотношение между энергией активации Е и тепловым эффектом Q; Е= - 864+7,3|Q| для отверждения эпоксидной смолы ЭД-20, вычислить абсолютные значения |Qдоп|, кДж/моль тепловых эффектов взаимодействия ЭД-20 с лавсаном и ППН, если энергии активации Едоп этих процессов составляют 43 и 172 кДж/моль соответственно.

Решение:
Выразим величину |Q| из данного соотношения: |Q|= .
Применяя это соотношение к процессу взаимодействия между связующим и различными наполнителями, получаем для лавсана:
|Qдоп |= =124 кДж/моль
и для полипропиленовой нити:
|Qдоп |= =142 кДж/моль
Полученные значения |Qдоп | и |Qдоп | свидетельствуют о том, что эпоксидная смола образует с полипропиленом более прочные химические связи, чем с лавсаном.
Ответ: |Qдоп |=124 кДж/моль
|Qдоп |=142 кДж/моль
41. Используя соотношение Е=-374+7,3|Q| между энергией активации Е и тепловым эффектом Q для отверждения анилино-фенолоформальдегидной смолы СФ-342А, вычислить абсолютные значения |Qдоп|,кДж/моль, тепловых эффектов взаимодействия смолы СФ-342А с ППН при повышенном (8 МПа) и атмосферном давлении, если энергии активации этих процессов Едоп составляют 34 и 21 кДж/моль соответственно.
Решение:
Выразим величину |Q| из данного в условии соотношения: |Q|= .
Применив это соотношение к процессу взаимодействия между связующим и наполнителем, получаем величины |Qдоп | при повышенном и |Qдоп | при атмосферном давлении соответственно:
|Qдоп |= =56 кДж/моль,
|Qдоп |= =54 кДж/моль.
Полученные значения показывают, что величина давления практически не влияет на прочность физико-химических связей, образующихся между смолой СФ-342А и полипропиленовой нитью.
Ответ: |Qдоп |=56 кДж/моль; |Qдоп |=54 кДж/моль.
42. Используя соотношение γ=А  (1), аналогичное соотношению Вант-Гоффа для константы равновесия K: K=A (2), где А-предэкспоненциальный множитель; Qдоп- тепловой эффект взаимодействия между связующим и наполнителем; Q- тепловой эффект рассматриваемого обратимого процесса, найти массовую долю γ2 переходного слоя в системе анилино-фенолоформальдегидная смола СФ-342А – полипропиленовая нить ППН при температуре Т2=443 К, если при Т1=393 К известно значение γ1=0,38. Тепловой эффект Qдоп взаимодействия ППН со связующим в данном случае составляет Qдоп=-45 кДж/моль. Рекомендуется записать соотношение (1) в логарифмической форме для температуры Т1 и для температуры Т2.
Решение:
Записываем соотношение (1) для температур Т1 и Т2:
γ1 =A  (2)
γ2=A (3)
Почленно логарифмируем соотношения (2) и (3):
 (4)
 (5),
из соотношения (4) вычитаем соотношение (5):
,
откуда . Подставив сюда значения всех величин из условия задачи, получаем:

10-1,08=10-2∙100,92=8,3∙10-2=0,083.
Результат показал, что при повышении температуры отверждения массовая доля переходного слоя уменьшается, так как взаимодействие между наполнителем и связующим – экзотермический процесс.
Ответ: .
43. Равновесная деформация жгута из диацетатных нитей при усилии Р=0,7 Н составила Δ =2,34 мм (однонаправленное растяжение). Начальная длина жгута между зажимами =140,0 мм, текс жгута t=554 (то есть
1000 м такого жгута имеют массу 554г.).Испытания проводились при Т=413 К. Плотность диацетата целлюлозы ρ=1320 кг/м3.
Вычислить относительную деформацию ε , площадь поперечного сечения S, мкм2 по соотношению S=1000t/ρ (1), где ρ выражено в г/см3.
Далее определить напряжение в жгуте σ=  (2), модуль упругости
ЕР=  (3) и среднюю массу молекулярных цепей между узлами сетки
MC=  (4), где ρ- плотность, кг/м3; R- универсальная газовая постоянная R=8,31 Дж/моль∙К. В каких единицах выражается напряжение σ и модуль упругости Е в системе СИ?

Решение:
1.                Расчет относительной деформации ε:
ε =  
2. Вычисляем площадь поперечного сечения исходной нити :
S=
При расчете по данному соотношению величину S выражают в мкм2 (эта размерность определяемая коэффициентом 103 при выражении ρ в г/см3)
3.Механическое напряжение σ относительно начального сечения вычисляем по соотношению:
σ = =1,7∙106 Па=1,7 МПа
4.Для упругих деформаций модель упругости Ep при растяжении рассчитывается как Ер= =1,7∙106 Па/0,017=108 Па
5. Известно, что модуль упругости сетчатого полимера при сдвиге Ecдв=ncRT= , а также Ер=3Есдв.
Отсюда следует: Mc=
Полученное значение Mc сравнительно невелико.Это есть средняя масса цепей между химическими и физическими узлами сетки.
Ответ: ε=0,017; S=4,2∙10-7 м2; σ=1,7∙106 Па;
E=108 Па; Mc=140 г/моль

Ответы:
1.                m=65,4 г/мин, r= 160 мкм
2.                q=2,75∙10-2 ; вязкость уменьшилась в 36 раз
3.                m=0,95
4.                σ=0,07 Па
5.                Mc=0,012 кг/моль=12 г/моль
6.                d=0,07 мкм
7.                V=2,09 см3/см3
8.                τ=43 с
9.                δ=0,03∙10-4 см=0,03 мкм
10.           S=56 м2; Sуд=12 м2
11.           1.Q373=-122-15=-137 кДЖ/моль
2.Q373=-122-17=-139 кДж/моль

Литература:
1. Липатов Ю.С.

1. Реферат на тему Modern Crime Essay Research Paper
2. Реферат Профессия бухгалтер
3. Реферат на тему Parasitic Diseases Essay Research Paper As I
4. Реферат Литва 2
5. Курсовая Пресноводные экосистемы 2
6. Контрольная работа по Теоретические основы пргрессивных технологий
7. Реферат на тему The Role Of The Management Accountant Is
8. Контрольная работа Современные социальные проблемы муниципального управления
9. Диплом Оптимизация сроков посева зерновых культур в степной зоне Южного Урала на примере ООО Брединское
10. Реферат на тему Abortion Murder Or Not Essay Research Paper