Ćwiczenie 1: Preparatyka materiałów do...

Ćwiczenie1:PreparatykamateriałówdobadańBeataGrabowska

A K A D E M I A G Ó R N I C Z O - H U T N I C Z A W Y D Z I A Ł O D L E W N I C T W A K A T E D R A I N Ż Y N I E R I I P R O C E S Ó W O D L E W N I C Z Y C H

Ćwiczenie1:PreparatykamateriałówdobadańPRZEDMIOT:NOWOCZESNETECHNIKIBADAWCZEWINŻYNIERIIMATERIAŁOWEJOpracowała:drhab.BeataGrabowska

ćw1


2

SPISTREŚCI

1.WPROWADZENIETEORETYCZNE...............................................................................................................................32.RODZAJEPRÓBEK......................................................................................................................................................43.POBIERANIEPRÓBEKDOANALIZYILOŚCIOWEJ........................................................................................................44.PRZYGOTOWANIEPRÓBEKDOBADAŃ.....................................................................................................................5

4.1.Suszenieiliofilizacja..........................................................................................................................................54.2.Rozdrabnianie...................................................................................................................................................64.3.Przesiewanie.....................................................................................................................................................74.4.Mineralizacjairoztwarzanie..............................................................................................................................74.5.Ekstrakcja..........................................................................................................................................................9

5.PRZYKŁAD:PRZYGOTOWANIEPRÓBEKMATERIAŁÓWDOBADAŃMETALOGRAFICZNYCH...................................105.1.Pobraniepróbkidobadańzmateriału............................................................................................................115.2.Przygotowaniezgładu.....................................................................................................................................11

5.2.1.Szlifowanie...............................................................................................................................................115.2.2.Polerowanie.............................................................................................................................................115.2.3.Trawienie.................................................................................................................................................12

6.SIECIOWANIESPOIWPOLIMEROWYCH..................................................................................................................127.INSTRUKCJADOĆWICZENIA1a...............................................................................................................................17

7.1.Tematćwiczenia1a:Przygotowaniepróbkimateriałudobadańtermoanalitycznych...................................177.2.Celćwiczenia:..................................................................................................................................................177.3Aparaturaisprzętlaboratoryjny......................................................................................................................177.4.Odczynnikiimateriały.....................................................................................................................................177.5.Wykonaniećwiczenia......................................................................................................................................177.6.Opracowaniesprawozdania............................................................................................................................18

8.INSTRUKCJADOĆWICZENIA1b..............................................................................................................................188.1.Tematćwiczenia1b:Przygotowaniepróbkimateriałudobadańspektrofotometrycznych...........................188.2.Celćwiczenia...................................................................................................................................................188.3.Aparaturaisprzętlaboratoryjny.....................................................................................................................188.4.Odczynnikiimateriały.....................................................................................................................................188.5.Wykonaniećwiczenia:.....................................................................................................................................188.6.Opracowaniesprawozdania............................................................................................................................19


3

1.WPROWADZENIETEORETYCZNE

Preparatyka materiałów do badań obejmuje szereg czynności związanych z odpowiednimprzygotowaniem próbki, które to mają doprowadzić do wykonania poprawnego pomiaru podwzględem jakościowym lub/i ilościowym. Preparatyka materiałowa ściśle związana jest z etapemprzygotowania próbki lub próbek materiału do badań, który jest poprzedzony procesem ichpobierania(Rys.1).Pobieraniepróbekjestustalonąprocedurąpostępowaniaiwymagapobraniadobadańczęściokreślonejsubstancji,materiałulubwyrobu,takbyzapewnićpróbkęreprezentatywnądla całości. Pobrana do badań próbka musi odpowiadać materiałowi, z którego została pobranazarównopodwzględemjakościowym,jakiilościowym.Przykładowodladanegotypuodpadunależystosować techniki pobierania odpadów podane w normach. W normach opisane są równieżprzyrządy do pobierania próbek materiałów sypkich, ciekłych, półciekłych, czy też mazistych. Wsytuacji, gdy laboratorium nie pobiera samo próbek, powinno uzyskać informację w jaki sposóbzostałapobranapróbka, jeślitakiej informacjinieuzyska,to laboratoriumniemoże–napodstawieotrzymanychwyników–wnioskowaćocałejpartiimateriału.

Rys.1.Schematpostępowaniazpróbkąmateriału

POBIERANIEPRÓBEK

TRANSPORTIPRZECHOWYWANIEPRÓBEK

PRZYGOTOWANIEPRÓBEKDOBADAŃ

OBRÓBKAPOBRANEJPRÓBKI

WYKONANIEPOMIARU

ANALIZAWYNIKÓW


4

2.RODZAJEPRÓBEK

Próbka jesttoczęśćmateriału,którypodlegabezpośredniobadaniuzewzględunadanącechę inapodstawiektóregoorzekasięokształtowaniusięwartościtejcechywcałymmateriale.Rodzajepróbek:

• próbka reprezentatywna – próbka, której struktura podwzględem danej cechy nie różni sięzasadniczoodstrukturycałościmateriału;

• próbkapierwotna–częśćpartiimateriałupobranajednorazowozjednegomiejsca;• próbkajednostkowa–częśćmateriałuzłożonazewszystkichpróbekpierwotnychpobranychzokreślonegomiejsca;

• próbkaogólna–częśćpartiimateriałuzłożonazewszystkichpróbekpierwotnychpobranychzdanejpartii;

• próbka laboratoryjna – próbka przygotowana z próbki ogólnej, reprezentująca właściwościmateriałuprzeznaczonadoprowadzeniaanaliz;

• próbkadobadań–próbkaprzygotowanazpróbki laboratoryjnej,zktórejpobierasiępróbkęanalityczną;

• próbkaanalityczna–częśćpobranazpróbkilaboratoryjnej,przeznaczonawcałościdojednegooznaczenia;

• próbkawzorcowa–próbkaodokładnieznanymskładzie;• próbka rozjemcza – próbka mająca na celu ustalenie zawartości składników, którychoznaczeniawykonaneprzezróżnelaboratorianiesązgodne;wynikianalizypróbkirozjemczejwykonanewinstytucjiprzyjętejprzezzakładysąobowiązującedlaobustron;

• próbkazłożonasekwencyjnie–próbkapowstałanaskutekpobieraniapróbek jednostkowychdojednegopojemnikawedługustalonegoprogramu.

3.POBIERANIEPRÓBEKDOANALIZYILOŚCIOWEJ

Całośćmateriałunależyocenićnapodstawieanalizypartiimateriału.Pobierasiępróbkipierwotnewceluustaleniazakresustężeniaanalizowanegoskładnika.Próbkaogólna,jednostkowalubpierwotnapowinna być większa im bardziej niejednorodny jest skład produktu, większe i bardziejniejednorodne są bryły produktu, mniejsza jest zawartość poszukiwanego składnika oraz próbkapowinnabyćtymwiększaimwiększajestpartiaproduktu.Wtabeli1przedstawionowielkośćpróbkipierwotnejwzależnościodwielkośćziarna.Tabela1.WielkośćpróbkipierwotnejwzależnościodwielkośćziarnaWielkośćziarenlubkawałków[mm]

do1 1-10 11-50 ponad50

Pierwotnapróbka(minimum)[g]

100 200 1000 2500

Próbkaogólnamusibyćmożliwieszybkopoddanazmniejszeniudowielkości laboratoryjnej,abyniezmieniła zawartości wilgoci lub nie uległa wpływom atmosfery. Zawiera ona w kawałkach zwykleokoło 1000 kg i przed zmniejszeniem musi być rozdrobniona. Kawałki rozbija się na mniejsze,wielkościorzechawłoskiego.


5

Technikizmniejszaniapróbkiogólnejmateriałówsypkich:• technikaćwiartkowania;• technikaprzemiennegosypaniadwóchstożków;• technikaprzesypywaniafrakcjonowanego.

4.PRZYGOTOWANIEPRÓBEKDOBADAŃ

Przygotowanie próbek materiałów stałych do badań jest procesem złożonym i obejmuje wieleetapówpostępowania:

• suszenie/liofilizacja,• rozdrabnianie,• przesiewanie,• mineralizacjairoztwarzanie,• ekstrakcja.

4.1.Suszenieiliofilizacja

Suszenie wstępne prowadzi się w celu usunięcia wilgoci przemijającej. Temperaturę suszeniadostosowujesiędanegomateriału.Zwyklesuszenietermicznewsuszarkachelektrycznychwykonujesię w temperaturze ok. 105ᵒC, tak by całkowicie odparować wodę rozpuszczalnikową, aleprzykładowoproduktyodpadowezprzemysłówsiarkowegoczycelulozowo-papierniczegosuszysięw temp. 70ᵒC. Niektóre rodzaje materiałów metalurgicznych suszy się w temperaturze 200ᵒC(dotyczymateriałówo dużej zawartości chlorków).Natomiastmateriałymetalurgiczne zawierającekwassiarkowysuszysięnałaźnipiaskowejwtemperaturze350ᵒC.Przedwysuszeniemmateriałuczęstowykonujesięoznaczeniewilgocicałkowitej(Wc)wpróbce:

𝑊𝑐 = 𝑊𝑝 +𝑊𝑠(100 −𝑊𝑝

100)

gdzie:Wp – wilgoć przemijająca, która jest tracona podczas suszenia na powietrzu osiągając stanrównowagizwilgociąatmosferyczną,Ws – wilgoć próbki powietrzno-suchejWs, która jest tracona podczas suszenia w suszarce(105ᵒC).

Liofilizacja jest to sposób suszeniamateriałów stałychw temperaturze pokojowej lub poniżej zerapod zmniejszonym ciśnieniem. Jest to metoda hermetyczna, w której próbki są izolowane odotoczenia,niesąwięcnarażonenazabrudzenie,comaistotneznaczenieprzyoznaczaniuzawartościskładnikówśladowych.Narysunku2przedstawionoprzykładowyliofilizatorAlpha,przeznaczonydoliofilizacji materiałów biologicznych, żywnościowych, farmakologicznych i chemicznych, osadów, atakże materiałów archeologicznych. Pozwala na kontrolowane przeprowadzenie procesu suszeniaróżnorodnych produktów, gdyż posiada automatyczną regulację ciśnienia, zapewnia pomiar czasuprzebieguprocesuorazkontrolętemperaturykondensatoralodu.


6

Rys.2.LiofilizatorAlphafirmyDONSERW

4.2.Rozdrabnianie

Przyjmuje się, że stopień rozdrobnienia powinien być tym większy, im niższe są zawartościoznaczanegoskładnika.Przyrozdrabnianiupróbeknależyzachowaćodpowiedniewarunki:

• rozdrabnianie próbek należy prowadzić w laboratoryjnych urządzeniach rozdrabniających,odpowiednichdlamateriałupróbki;

• wczasieoperacjirozdrabnianiaskładpróbkiniemożeulegaćzmianie;• próbkimateriałówwłóknistychłatwiejjestrozdrabniaćwobniżonejtemperaturze;• w przypadku rozdrabniania próbek odpadów do oznaczania składników śladowych należy

dobrać materiał, z którego wykonane są części trące rozdrabniarek, aby próbki nie byłynarażonenazanieczyszczeniemateriałemmłynka.

Rozdrabnianieprzeprowadzasięwmłynachlubmoździerzach(Rys.3).Przykładymłynów:

• młynytarczoweorazkulowenp.młynekRetschaS-100zmisąporcelanową,• młynywibracyjne-schładzaniewciekłymazocie,możnarozdrabniaćmateriaływłókniste,• młyny koloidalne – proces mielenia zachodzi na mokro, rozdrabnianie cząstek próbki do

wielkościułamkówmikrona.

a) b) c)Rys.3.Procesrozdrabnianiamateriałów:a)młynfirmyMolinari,b)linierecyklingumateriałowegofirmyNufar,

c)moździerz


7

4.3.Przesiewanie

Czynność przesiewaniama na celu osiągnięcie jednorodności próbki. Do przesiewania używane sąsita o znormalizowanych otworach (Rys. 4). Przy badaniu materiałów odpadowych zazwyczajwystarczystosowaćsitaowielkościoczek10mm i0,5mm.Natomiastprzyoznaczaniuskładnikówśladowychzalecanesąwielkościoczek0,1mm.Wceluujednorodnieniapróbozłożonymskładziestosujesięnastępującezabiegi:

1. intensywnemieszaniezmielonejiprzesianejpróbkibezpośrednioprzedwykonaniemodważek,2. zastosowaniehomogenizatorówlaboratoryjnych,najczęściejwibracyjnych.

a) b)

Rys.4.Procesprzesiewaniamateriałów:a)przesiewaczlaboratoryjnyLPzE-2edlasitośrednicy200mmfirmyALAB,b)przykładowesitaśrednicy200mmfirmyALAB

4.4.Mineralizacjairoztwarzanie

Mineralizacja polega na rozkładzie zazwyczaj trudno rozpuszczalnych w wodzie związkóworganicznychzawartychwpróbceiumożliwieniuprzeztoprzeprowadzeniadoroztworuskładników,jakie chcemy oznaczyć bez strat. Mineralizacja powinna zapewnić całkowite utlenienie substancjiorganicznych oraz zapewnić ilościowy odzysk oznaczanych substancji mineralnych. Na rysunku 5przedstawionosystemmineralizacyjnydoanalizyKjeldahlaLabtec.WmetodzieKjeldahlazadaniemmineralizacji jest rozerwaniewszystkichwiązańazotuwpróbce ikonwersjacałościazotudo jonówamonowych. 1-2 gramy wstępnie zmielonej próbki zostaje zważone z dokładnością do czterechmiejscdziesiętnychiumieszczonewstojakuwprobówcedomineralizacji.

Rys.5.SystemmineralizacyjnydoanalizyKjeldahlaLabtec


8

Głównesposobymineralizacjito: 1. Mineralizacjanasucho:Poleganawyprażeniupróbkiwpiecu(poniżej500-600ᵒC)pojejpoprzednimspopieleniunapalnikugazowymlubpłytceelektrycznej.Mineralnąpozostałośćrozpuszczasięwniewielkiejilościkwasumineralnego,anastępniewwodzie.Dogrupytechnikrozkładupróbeknasuchonależy:

• spopielanie - polega na powolnym rozkładzie materii organicznej w piecu w temperaturzepomiędzy 400–600ᵒC. W trakcie rozkładu powstaje popiół, złożony głównie z węglanów itlenków,którynastępnieroztwarzasię̨wodpowiednimkwasielubmieszaniniekwasów.

• mineralizacja niskotemperaturowa w plazmie tlenowej - metoda polega na kierowaniustrumienia bardzo czystego tlenu wzbudzonego w polu generator wysokiej częstotliwości(ponad 27 MHz), czyli plazmy tlenowej o temperaturze 80-200ᵒC na analizowaną próbkę.̨Wzbudzony tlen spala (utlenia) próbkę.̨ Zamknięty układ i brak konieczności stosowaniadodatkowych odczynników ogranicza możliwość zanieczyszczania próbki. Wadą jeststosunkowodługiczasprzebieguprocesuodkilkudokilkunastugodzin.

• mineralizacja w atmosferze tlenowej - próbkę umieszcza się w kwarcowej łódeczce wzamkniętym hermetycznie naczyniu ciśnieniowym, tzw. bombie tlenowej. Naczynie napełniasiętlenempodciśnieniem0,2do6,0MPaielektrycznie inicjuje się zapłon. Technikę tęwykorzystuje się do rozkładu materiału biologicznego i żywności. Technika stosowana dooznaczaniapierwiastkówgłównychwmaterialeroślinnym.

• stapianie - znajduje zastosowanie dla próbek zawierających składniki trudne do rozkładu wbezpośredniej reakcji z kwasami. Metoda polega na stapianiu sproszkowanej próbki ztopnikami takimi jak:węglanyalkaliczne,boraks,w tyglugrafitowymumieszczonymwpiecu.Poochłodzeniuotrzymanystoprozpuszczasięwkwasach.Wanalityceśrodowiskatętechnikęwykorzystuje się rzadko z następujących powodów: wzrostu poziomu tła ze względu nastosowanie dużych ilości topnika i kontakt w podwyższonej temperaturze z materiałemnaczynia oraz ze względu na wiele strat lotnych składników próbki z powodu wysokiejtemperaturystapiania,zużyciaznacznychilościodczynnikówodużejczystości,stosowanietygliwykonanychzespecjalnychmateriałówizwiązaneztymwysokiekoszty.

2. Mineralizacjanamokro:Poleganautlenieniumateriiorganicznejzapomocąkwasówutleniającychlubichmieszanin.Prowadzenie procesu stapiania zależy od właściwie dobranego topnika, od dokładnegosproszkowaniapróbki,dokładnegowymieszaniajejztopnikiemorazdoboruodpowiedniegotygla.ProwadzićmożnamineralizacjępromieniowaniemUVlubmineralizacjękwasami.Roztwarzaniepróbek–stosujesiękwasymineralneHNO3,HCl,H2SO4,wodakrólewska,HCLO4iHF.Technikirozkładupróbeknamokro:

• zzastosowaniemkonwencjonalnegoogrzewania,• zwykorzystaniemultradźwięków,• promieniamiUV,• zwykorzystaniemenergiimikrofalowej,• wsystemachotwartychlubwsystemachzamkniętych(ciśnieniowa),• wsystemachstacjonarnych,wsystemachprzepływowychlubwfaziegazowej.


9

Rozkładmatrycyodbywasięzapomocąjednegolubkilkumocnychkwasówmineralnychzdodatkiemlub bez innych związków o właściwościach utleniających. Utleniaczami są zazwyczaj mocne kwasyuteniające (HNO3, H2SO4, HCIO4) oraz H2O2. Najszerzej stosuje się rozkład z wykorzystaniemultradźwiękówlubzwykorzystaniemenergiimikrofalowej.Mineralizacja z wykorzystaniem ultradźwięków polega na umieszczeniu próbki wraz z naczyńkiemreakcyjnym, zawierającym kwasy i ewentualne utleniacze, w łaźni ultradźwiękowej. Technika tastosowana jest do roztwarzania stałych próbek środowiskowych. Polega na naświetlaniumineralizowanegoroztworuwkwarcowymnaczyniureakcyjnymnisko-lubwysokociśnieniowąlampąultrafioletowa. Technika ta stosowana jest do mineralizacji próbek wód, ścieków, płynówustrojowych,napojów.Mineralizacjaciśnieniowazwykorzystaniemenergiimikrofalowejjesttonajczęściejpołączenietrzechtechnikmineralizacji:mineralizacjizzastosowaniemkwasu(ów)iinnychsubstancjimineralizujących,w układzie zamkniętym-ciśnieniowym w tzw. „bombie teflonowej'" oraz z zastosowaniem energiimikrofalowej. Podczas, gdy rozkład próbki przez trawieniew kwasach,bądź́ też stapianie z solamimetali alkalicznych, jestopartyna zastosowaniuenergii chemicznej i energii cieplnej,mineralizacjamikrofalowa zachodzi w wyniku działania promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości2450 MHz. co powoduje wytworzenie ciepła wzmagającego reakcje chemiczne prowadzące dorozkładu próbki. Energia promieniowania mikrofalowego jest bezpośrednio absorbowana przezpolarnecząsteczki (wodę,kwasynieorganiczne, itd.) istanowiwtychprzypadkachznacznieszybszeoraz skuteczniejsze źródło energii niż klasyczne ogrzewanie oparte o konwekcję i przewodnictwocieplne.Ponadtozlokalizowane,wewnętrzneogrzewaniepojedynczychcząsteczekpróbkinajczęściejpowoduje ich rozpad, zwiększając tym sposobem powierzchnię kontaktu z reagentami i szybkośćrozkładu. Zaletamimineralizacjimikrofalowej są:dobra powtarzalność, prostotawykonania, krótkiczasprzebieguprocesu,niewielkiezużycieodczynników,możliwośćoznaczaniawmineralizacjiwielupierwiastkóww szerokim zakresie stężeń, ograniczone straty analitu,małeodważki analizowanegomateriału (0,1 g), stosunkowo proste dostosowanie parametrów decydujących o mineralizacji(rodzaju i stężenia kwasów, mocy generatora, ciśnienia) do rodzaju analizowanych próbek,skuteczność rozkładu substancji organicznej i nieorganicznej. Wady mineralizacji mikrofalowej toprzedewszystkim:cenaaparatuikoniecznośćstosowaniamałychnaważekpróbki.

4.5.Ekstrakcja

Ekstrakcja jest to metoda rozdzielania składnikówmieszaniny między dwie niemieszające się fazywykorzystująca selektywną rozpuszczalność jednego lub kilku składnikóww jednej z faz. Ekstrakcjarozpuszczalnikiem jest to proces wyodrębniania substancji (analitu) z mieszaniny lub roztworu winnymrozpuszczalnikualbozfazystałejprzezprzeniesieniejejdofazyciekłej.Ekstrakcjamożesłużyćdousuwania zmieszaninniepożądanychdomieszek lub zanieczyszczeń. Tenostatniprocesnazywasięprzemywaniem.Zjawiskazachodzącepodczasekstrakcjipodlegajątzw.prawupodziałuNernsta.Według tego prawa, jeśli do układu dwóch niemieszających się (lub mieszających się w bardzoniewielkim stopniu) cieczyA i B tworzącychdwiewarstwydoda się pewną ilość trzeciej substancjirozpuszczalnej w obu cieczach, wówczas ustali się równowaga powodująca podział tej substancji


10

między obie ciecze w taki sposób, że stosunek stężenia substancji w rozpuszczalniku A (CA) dostężeniatejsubstancjiwdrugimrozpuszczalnikuB(CB)jestwstałejtemperaturzewielkościąstałą:

!!!!= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 = 𝐾

gdzie:𝐾– stała podziału.Rozdzielanie związków zachodziwoparciuowspółczynnikpodziału związkóworganicznychmiędzyfazę ruchomą i stały sorbent. Uwolnienie analitów zachodzi przy pomocy rozpuszczalnika lub nadrodze termicznej. Proces adsorpcji można przeprowadzać przy zastosowaniu „klasycznych”kolumienek wypełnionych sorbentem, krążków do przyśpieszonej ekstrakcji lub kolumienekwypełnionychkrążkami(Rys.6).

Rys.6.Ekstrakcja:a–położenierozdzielaczapodczasspuszczaniadolnejwarstwy,b–położenierozdzielaczapodczaswstrząsania,c–zestawdoekstrakcjimetodąciągłązużyciemaparatuSoxhleta.A–gilzazbibuły,B–

aparatSoxhleta,C–kolbaokrągłodenna,D–chłodnicazwrotna,E–ogrzewacz,F–rurkaprzelewowa[http://snauka.pl/ii-ekstrakcja.html].

5.PRZYKŁAD:PRZYGOTOWANIEPRÓBEKMATERIAŁÓWDOBADAŃMETALOGRAFICZNYCH

Pobieraniepróbekdobadańmetalograficznychnależytakprzeprowadzić,abyotrzymaćpełnyobrazstruktury w całym badanym materiale. Sposób pobierania próbek zależy od tego, czy badaniupodlegaodlew,półwyróbhutniczy,materiałobrobionyplastyczniem,czy teżobrobionycieplnie.Wprzypadkuodlewunależypobraćpróbkizmiejscoróżnymprzekroju,ponieważstrukturawodlewiemoże się zmieniać w zależności od szybkości stygnięcia. Pełny i dokładny obraz struktury całegoodlewudaje dopierowykonanie kilku zgładów z różnychmiejsc.Z odlewówbardzo dużychmożnauzyskać próbki wstępne do badań za pomocą palnika gazowego lub łuku elektrycznego. W celuuniknięcia wpływu ciepła wydzielającego się przy cięciu palnikiem lub łukiem elektrycznym próbkinależy wyciąć w odległości co najmniej 50 mm od miejsca, w którym chcemy wykonać zgładmetalograficzny.Następniewycina się je zapomocąpił ręcznych imechanicznychoraz specjalnychprzecinarekdowycinaniapróbekkierowanychdobadańmetalograficznych.


11

5.1.Pobraniepróbkidobadańzmateriału

Wybór odpowiedniego miejsca pobrania materiału pozwala na określenie interesującej nas cechycharakterystycznej dla całego wyrobu. Niezwykle istotnym parametrem jest właściwe chłodzeniepodczaswycinania, gdyż obcinanie na gorącopowodujenieodwracalne zmianyw strukturze, którąchcemyujawnić.Wszczególnychprzypadkachnależyprzewidziećodpowiednienaddatkimateriału.Zależnie od tego, jakie informacje chcemy uzyskać, stosuje się szlif wzdłużny lub poprzeczny.Wymagatowiedzynatematorientacjiwłókien.Przykładowo:szlifpoprzecznystosujesięprzeważniedo statystycznych oznaczeń ilościowych, a szlif wzdłużny daje informację o plastyczności faz czywarunkach gorącej przeróbki plastycznej. Nie należy również zapominać o znakowaniu próbek iwykonaniuszkicuichpobraniazwyrobu.Podczas poboru istotny jest wybór odpowiedniej tarczy tnącej. Ogólnie do żelaza i jego stopówstosujesię tarczezAl2O3,adlametalinieżelaznych iniemetali tarczeSiCorazdiamentowe.Należypamiętać nie tylko o odpowiednim rozmiarze i twardości tarczy, ale o samej jej konstrukcji. Doprzecinania w trybie oscylacyjnym stosuje się tarcze wzmacniane, natomiast w zwykłym cięciukątowym konstrukcja nie powinna być wzmacniana. Tak więc dobór rodzaju tarczy i parametrówcięcia wynika zarówno z własności materiałów próbki, jak i sposobu cięcia. Drugim krokiem jestoprawieniepróbek.Jegocelemjestuzyskanietakiejformy,któraułatwijejręcznąpreparatykębądźumożliwizamocowaniepróbkiwurządzeniachautomatycznych.Istniejekilkasposobówmocowaniapróbek.Stosujesięspecjalneuchwytymechaniczne,galwanizowanie,zalewaniepróbektworzywami,lecznajbardziejpopularnąmetodąjestinkludowanie.Powodemtegojestfakt,iżtametodanajlepiejzabezpieczapróbkęwdalszychetapachpreparatyki.Wtrakciemocowaniaelementunależyuważać,abyniewywołaćniepotrzebnychnaprężeń.

5.2.Przygotowaniezgładu

5.2.1.SzlifowanieSzlifowanie jest pierwszym etapem przygotowania zgładu metalograficznego. Powierzchnię próbkiszlifujesięnaszlifierkachdopłaszczyznwyposażonychwspecjalnegłowicedomocowaniazgładówbądź ręcznie. Szlifowanie rozpoczyna się z użyciem papieru o najgrubszym ziarnie, a wartość jegogradacji dobiera sięw zależnościod tego, jakąpowierzchnięuzyskaliśmypodczasprzecinania.Przyczymnależypamiętać:imgładszajestpowierzchnia,tymmniejszejgradacjipapierubędziemymogliużyć jako pierwszej. Kolejne zmiany gradacji na mniejszą wykonujemy dopiero po całkowitymzeszlifowaniu śladów poprzedniej. Trzeba również uważać przy doborze samej wartości gradacji,ponieważ istnieją różne skale gradacji (FEPA: przedział 60-4200,ASTM:przedział 60-1200), czasemwartościpodawanesąteżwμm.Podobniejakprzyprzecinaniunależyprowadzićproceschłodzeniaszlifowanejpróbki(zwyklewodą).5.2.2.Polerowanie.Powyszlifowaniupróbkęzmywamywbieżącejwodzieiprzystępujemydopolerowania.Polerowaniemanaceluusunięcie śladówszlifowania.Uzyskaniegładkiej strukturypoprocesiepolerowaniamabardzo duże znaczenie. Obserwacja dobrze przygotowanej struktury pod mikroskopem nie dajefałszywych kontrastów, a proces trawienia przebiega wówczas tylko w obszarach zdefektowanejbudowy krystalicznej metalu. Proces polerowania prowadzi się ręcznie lub mechanicznie. Przypolerowaniu mechanicznym używa się jedno- lub wielotarczowej polerki o pionowej względniepoziomejosiobrotu.Dopolerowaniastosujesięrównieżpastydiamentoweoróżnejgradacjiziarn.


12

Wytwarzasię jezprzeznaczeniemdopolerowaniamateriałówookreślonejtwardości.Pastęnanosisię na tarczę polerską dobraną odpowiednio do rodzaju pasty. Zawiesiny i pasty są najczęściejtworzone na bazie tlenku glinu, magnezu, żelaza lub chromu, jak też krzemionki koloidalnej.Występują one w różnych postaciach oraz ziarnistości. Do polerowania wstępnego stosujemyzawiesinyowielkościziarna3-15μm,adokońcowego0,05-3μm.5.2.3.Trawienie.Ostatnim etapem przygotowania zgładumetalograficznego jest ujawnienie struktury. Istnieje kilkametod, jak trawienie, odparowanie i barwienie nalotowe, które powodują zmianę powierzchnizgładu. Istnieją także optyczne techniki ujawniania struktur, a należą do nich: obserwacja w polujasnym, w polu ciemnym, w świetle spolaryzowanym, zastosowanie kontrastu fazowego lubinterferencyjnego. Często jednak przeprowadzenie skontrastowania, jakie daje trawienie, jestniezbędne do obserwacji struktury zgładu.W zależności od rodzaju tworzywa, jego struktury orazwymaganej techniki trawienia stosuje się różne odczynniki chemiczne. Do trawienia zgładówmetalograficznych używa się rozcieńczonych kwasów, zasad i wielu roztworów soli. Omówienieodczynników stosowanych w metalografii znaleźć można w odpowiednich normach PN(przykładowo:PN-H/-04503,PN-/H-04512).Niektórewytrzymałemateriały(jakceramika)wymagajątrawieniawwyjątkowoagresywnychodczynnikach,wktórychsągotowanedokilkugodzin.

a) b) c)

Rys.7.Badaniamikroskopowe:a)mikroskopmetalograficznyDeltaOptical,b)obrazmikrostrukturyodlewuzżeliwa,zgładnietrawiony[5],c)obrazmikrostrukturyodlewuzżeliwa,zgładtrawiony[5]

6.SIECIOWANIESPOIWPOLIMEROWYCH

W reakcji polimeryzacji z monomerów (związków małocząsteczkowych) powstają polimery(związki wielkocząsteczkowe, zwane też makrocząsteczkami). Łańcuch polimerowy składa się zpowtarzających jednostek strukturalnych zwanychmerami (A) (od 10 000 do 1 000 000 i więcej).Natomiastoligomerysątomakrocząsteczkizbudowaneod1000do10000merów.


13

-A-A-A-A-A-A- -[A]n-

a) b) c)Rys.6.Modeloweprzedstawienie:a)łańcuchypolimerowe,b)ogólnyzapispolimeru,c)wzórogólny

poli(kwasuakrylowego)Podziałpolimerówwynikającyzrodzajumerówjestnastępujący:

• Homopolimer–polimerzbudowanyzjednegorodzajumerów:-A-A-A-A-A-,• Kopolimer–polimerzbudowanyzdwóchrodzajówmerów:-A-B-,• Terpolimer–zbudowanyztrzechrodzajówmerów:-A-B-C-.

Polimerymożnapodzielićzewzględunapochodzenienadwiegrupy:1. Polimerysyntetyczne–otrzymywanewlaboratorium,np.polietylen(PE),polistyren(PS).2. Polimery naturalne – występujące w przyrodzie (tzw. biopolimery), np. polisacharydy

(skrobia,celuloza),polipeptydy.Dodatkowo zarówno polimery syntetyczne, jak i naturalne można modyfikować (polimerymodyfikowane). Polimery i ichmodyfikatywystępująwpostaci amorficznej (formabezpostaciowa,brakuporządkowaniastruktury)lubkrystalicznej(strukturauporządkowana).Polimerysąnajważniejszymiskładnikamitworzywsztucznych,wktórychskładzieznajdująsięjeszczedodatki, które są wprowadzane w celu osiągnięcia określonych właściwości fizykochemicznych, wtymużytkowych(min.wypełniacze,plastyfikatory,antypireny,stabilizatory).

Polimery są składnikami żywicorganicznych, które stanowią substancjeo konsystencji płynnej,półpłynnej lub miękkiego ciała stałego, wytworzone na drodze polimeryzacji, polikondensacji lubpoliaddycji.Stanowiąmieszaninyprepolimerów(oligomerówipolimerów)zawierającychreaktywnegrupy funkcyjne, które umożliwiają dalsze prowadzenie polireakcji bądź sieciowania. Przykładamiżywicsążywicefenolowe,mocznikowe,fenolowo-formaldehydowe.

Polimery znajdują zastosowaniawwielugałęziachprzemysłu zewzględuna swojewłaściwościfizykochemiczne.Wtabeli1zebranoprzykładypolimerówwrazzogólnąichcharakterystyką.

Tabela1.PrzykładypolimerówsyntetycznychiichogólnacharakterystykaPolimerysyntetyczne

Skład Właściwościizastosowanie

Polietylen,PEIUPAC:polimetylen

-[CH2-CH2]n- polimer amorficzny, w temp. pok. może podlegaćodwracalnymdeformacjom,Opakowania,folie,rury,izolacjaelektryczna.

Poliizobutylen,PIB -[CH2-C(CH3)2]n- w temp. pok. znajduje się w staniewysokoelastycznym. Stosowany w kauczukach

n


14

naturalnych.Poli(chlorek winylu), PVC,igelit,winidur

-[CH2-CHCl]n- polimer winylowy, w temp. pok. ciało twardenierozciągliwe, łatwo ulega plastyfikacji. Rury,płyty,folie,okładziny.

Polistyren,PSstyropian

-[CH2-CH-C6H5]n- polimer winylowy, przezroczysty, wytrzymały, wstanie amorficznym wykazuje pewna łamliwość,izotaktyczny PS jest krystaliczny, zastosowanie:opakowania,izolacjaelektrycznaicieplna.

Poli(metakrylan metylu),PMMApleksiglas

-[CH2-CCH3COOCH3]n- polimer amorficzny, przezroczysty, dużawytrzymałość. Szkło organiczne, płyty, rury, szyby,galanteria.

Poli(tetrafluoroetylen),PTFEteflon

-(CF2-CF2]n- całkowita niepalność, odporność chemiczna,doskonały dielektryk, mały współczynnik tarcia.Folie, uszczelki, aparatura chemiczna, powlekaniepowierzchni,częścimaszyn.

Poliformaldehyd(poli(oksymetylen))deladrin

-[CH2-CO]n- odpornynadziałanierozpuszczalników,rury,płyty,zbiorniki,elementymaszyn,galanteria.

Poli(alkohol winylowy),PVAL

-[CH2-CHOH]n- rozpuszczalny w wodzie, a nie rozpuszczalny wrozpuszczalnikach organicznych, kleje, koloidyochronne,włóknaifolieodużejwytrzymałości

Poliakrylonitryl,PAN -[CH2-CH-CN]n- polimer zawiera silnie polarne grupy –CN, nie jesttermoplastyczny,trudnorozpuszczalneciałostałe,zroztworu w dimetyloformamidzie otrzymuje sięwartościowewłókna(anilana,orlon)

poliamidyalifatyczne,PA -[CO-NH-(CH2)m]n--[CO-NH-(CH2)5]n-

duża wytrzymałość mechaniczna, włóknapoliamidowe–kapron,nylon6,stylon

Poli(tereftalan etylenu),PET

-[OOC-C6H4-CO-O-(CH2)2]n- mała chłonność wody, odporny na działanieczynników utleniających, włókna syntetyczne –terylen,dakron,tergal,elana

Poli(akrylonitryl-co-butadien-co-styren),ABS

polimer amorficzny. Wysoka udarność, odpornośćna zarysowania, mała odporność na działaniepromieniowania UVA-C, dobre właściwościizolacyjne, dobra odporność na działanie ługów,rozcieńczonych kwasów oraz węglowodorówalifatycznych, olejów i tłuszczów. Znalazłzastosowanie w budowie elementówelektronicznych, samochodów (kratownice,przyciski, armatura wewnętrzna, nadkola), sprzętusportowego, broni palnej, mebli, klocków legogalanterii ozdobnej. Stosowany jako materiałeksploatacyjnedladrukarek3D.

W wyniku procesu sieciowania dochodzi do łączenia łańcuchów polimerowych

(makrocząsteczek) w trójwymiarową sieć przestrzenną o nieskończenie dużych wymiarach, którazmniejsza ich ruchliwość i uniemożliwia przesuwanie się względem siebie. Utworzenie sieciprzestrzennej może nastąpić między innymi przy zastosowaniu substancji sieciującej (sieciowaniechemiczne), promieniowaniaodużej energii (sieciowanie fotochemiczne), bądźwwynikuagregacjiblokówsztywnych(sieciowaniefizyczne)[4,5].

Istotny wpływ na końcowe właściwości mechaniczne, a przede wszystkim na wytrzymałośćusieciowanego polimeru mają powstające w reakcji sieciowania mocne wiązania kowalencyjne.Słabsze wiązania jonowe, a zwłaszcza wiązania wodorowe tworzą sieci odwracalne. Podczas


15

sieciowaniamakrocząsteczek powstawaćmogą również –między sieciami polimerowymi – słabszedrugorzędowe wiązania chemiczne jako siły van der Waalsa. Produkty powstałe w rzeczywistychprocesach sieciowania zawierają rozmaite struktury różniące się od sieci idealnej. W przypadkupolimeruliniowego(liniowełańcuchypolimerowe)mogąpojawiaćsiędefektyzwiązanezobecnościąswobodnych łańcuchów nie związanych żadnym końcem z siecią, łańcuchy z jednym końcemswobodnym,pętle, a takżenieprzereagowane cząsteczki czynnika sieciującego lubmonomeru (rys.8).Zawartośćirozkładdefektówwsieciachrzeczywistychwistotnysposóbwpływająnawłaściwościmateriałówusieciowanych[4,5].

Rys.8.Schematprocesusieciowania[5]

Produkty reakcji sieciowaniapolimerówskładają sięnaogół zdwóch frakcji: rozpuszczalnej zwanejzolem inierozpuszczalnej zawierającejwłaściwą sieć (żel).Materiałyusieciowanemogąpowstawaćnadrodzeróżnychreakcji.Wpraktyceprzemysłowejnajczęściejpowstająnadrodzepolikondensacjizachodzącej między rozgałęzionymi cząsteczkami oligomerycznymi, kopolimeryzacji oligomerówłańcuchowych z monomerem sieciującym, ewentualnie poliaddycji z czynnikiem sieciującym(utwardzaczem).W czasie reakcji sieciowania stopniowo wzrasta lepkośćmieszaniny reakcyjnej wzwiązku ze wzrostem masy molowej, a gdy stopień przereagowania przekroczy pewien poziom,lepkośćwzrastanagleiproduktstajesiębardziejgumowaty(żel).Istotneróżnicewewłaściwościachmechanicznych już usieciowanych polimerów wynikają z ich pierwotnych (przed usieciowaniem)właściwościfizykochemicznych,aprzedewszystkimześredniejmasymolowej,lepkościorazpH[40].

Przykładowo w przypadku spoiw poliakrylowych, istnieje wiele możliwości ich sieciowania zewzględu na obecność reaktywnych grup karboksylowych i karboksylanowych. Dane literaturowewskazują,żespoiwapoliakrylowemożnasieciowaćzarównoczynnikamifizycznymi(promieniowanieUV, promieniowanie γ), jak i chemicznymi, poprzez wprowadzenie odpowiednich substancjisieciujących.

Znajomośćwłaściwościfizykochemicznychspoiwapolimerowego,wtympodatnościnaczynnikisieciujące ma istotne znaczenie w kontekście jego użycia w składzie masy formierskiej. W masieformierskiej przeprowadza się proces utwardzania spoiwa, a następnie w celu weryfikacji jegoefektywności przeprowadza się, dla normatywnie sporządzonych i utwardzonych kształtek masformierskich głównie pomiarywytrzymałości na zginanie, rozciąganie i ściskanie [5, 6].Wprocesieutwardzaniamasydochodzidopowstaniawiązańsieciującychwukładziespoiwo-osnowa(rys.9).


16

Rys.9.Przykładowyschematusieciowanegoukładuspoiwopolimerowe-osnowa.Wiązaniasieciującepowstająmiędzygrupamireaktywnymiobecnychwłańcuchachpolimerowych.Narysunkuwidocznesąrównieżsieci

powstałychwiązańwodorowych(liniaprzerywana)[5]

Istotny jest przy tym odpowiedni wybór czynnika sieciującego. Należy zwrócić uwagę, że

efektywnośćsieciowaniaspoiwawmasiezależynietylkoodjegobudowy,wtymreaktywnościgrupfunkcyjnych,odrodzajuzastosowanegoczynnikasieciującego,alerównieżodzadanychparametrówsieciowaniairodzajuzastosowanejosnowymineralnej[5,6].

Narysunku10przedstawionoporównanieczasuwiązaniapolimerowychspoiwBioCowukładzie

spoiwo-osnowaprzyzastosowaniuróżnychczynnikówsieciującychfizycznychichemicznych.

Rys.10.Czaswiązaniakompozycjipolimerowychwukładziespoiwo-osnowaprzyzastosowaniuczynnikówsieciującychfizycznychichemicznych[5]


17

LITERATURA[1]PoradnikgospodarowaniaodpadamiPodręcznikdlaspecjalistówireferentówds.ochronyśrodowiska,podredakcjąSkalmowskiegoK.,VerlagDashofer2014.[2] Czechowicz B., Pobieranie próbek, Polskie Centrum akredytacji, Prezentacja Warszawa 2011.www.pca.gov.pl/doc/info/EuroLab2011/PCA_prezentacja1.pdf[3]RudnikS.Metaloznawstwo,PWN,Warszawa1997.[4] Floriańczyk Z., Penczek St.: Chemia polimerów, tom I, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej,Warszawa,(1995).[5]GrabowskaB.,Nowespoiwapolimerowewpostaciwodnychkompozycjizudziałempoli(kwasuakrylowego)lub jego soli i modyfikowanego biopolimeru do zastosowania w odlewnictwie, Monografia, WydawnictwoNaukoweAKAPIT,Kraków2013.[6]B.Grabowska,M.Sitarz,E.Olejnik,K.Kaczmarska,B.Tyliszczak,FT-IRandFT-Ramanstudiesofcross-linkingprocesses with Ca2+ ions, glutaraldehyde and microwave radiation for polymer composition of poly(acrylicacid)/sodiumsaltofcarboxymethylstarch– Inmouldingsands,Pt.2,SpectrochimicaActa.PartA,MolecularandBiomolecularSpectroscopy,2015vol.151,s.27–33

7.INSTRUKCJADOĆWICZENIA1a

7.1.Tematćwiczenia1a:Przygotowaniepróbkimateriałudobadańtermoanalitycznych.

7.2.Celćwiczenia:

Celemćwiczeniajestzapoznaniesięztechnikamiprzygotowaniapróbekdobadań.

7.3Aparaturaisprzętlaboratoryjny

• naczynialaboratoryjne:zlewki,naczyńkawagowe,szkiełkazegarkowe• moździerz• wagaanalityczna• pH-metr• wirówka• urządzeniemikrofalowe

7.4.Odczynnikiimateriały

• wodadestylowana• spoiwo/materiałwiążący• osnowamineralna

7.5.Wykonaniećwiczenia

1. Wsuchymmoździerzurozetrzeć10gosnowymineralnej.2. Przeprowadzićcharakterystykęmateriałuwiążącegowpostaciwyjściowej,wtymokreślićjego

rodzaj:spoiwopolimerowe,postać,konsystencje,zabarwienie,pH.3. Wnaczyńkuwagowymodważyć5gspoiwawpostaciwyjściowej.4. Donaczyńkawprowadzićosnowę(wilościpodanejprzezprowadzącego).5. Zawartośćnaczyńkadokładniewymieszać.6. Otrzymaną próbkę modelowej masy poddać czynnika fizycznego lub chemicznego w celu

usieciowaniapróbki(metodykasieciowaniapodanaprzezprowadzącegonazajęciach).7. Utwardzoną próbkę masy pozostawić do ostygnięcia, a następnie wprowadzić do

oznakowanegoszczelnegonaczynia.8. Oznakowaćpróbkiprzeznaczonedodalszychbadań.


18

7.6.Opracowaniesprawozdania

ImięiNazwiskoRokKierunek

TEMATĆWICZENIA

Datawykonania:Zaliczenie:

- wstępteoretycznyzwiązanyzwykonaniemćwiczenia- celćwiczenia- część laboratoryjna: aparatura, sprzęt, odczynniki i materiały, wykonanie ćwiczenia,

metodyka procesu sieciowania, wyniki (charakterystyka materiału wiążącego w postaciwyjściowej,jegorodzaj,postać,konsystencja,zabarwienie,pH)

- wnioski

8.INSTRUKCJADOĆWICZENIA1b

8.1.Tematćwiczenia1b:Przygotowaniepróbkimateriałudobadańspektrofotometrycznych.

8.2.Celćwiczenia

Celemćwiczeniajestzapoznaniesięztechnikamiprzygotowaniapróbekdobadań.

8.3.Aparaturaisprzętlaboratoryjny

• naczynialaboratoryjne:zlewki,kolby• wagaanalityczna• moździerz• sitotkane• wytrząsarka

8.4.Odczynnikiimateriały

• wodadestylowana• masaświeża/zużyta

8.5.Wykonaniećwiczenia:

1. Reprezentatywnąpróbkęświeżej/zużytejmasyformierskiejwilości1kgrozdrobnićwymieszać,anastępnieprzesiaćprzezsitotkaneooczkachkwadratowychnr10.

2. Z próbki masy przygotować wyciągi zgodnie z obowiązującym wPolsce zaleceniem wnastępujący sposób: próbkę z przesianejmasy umieścićw szklanej kolbie i zalać taką ilościąwodydestylowanej,aby zapewnić zachowanie stosunkuwagowegosuchejmasydowodynapoziomie1:10.

3. Proceswymywaniaprowadzićzgodniezzalecanąprocedurą(RozporządzenieRadyMinistrów).4. Oznakowaćotrzymanepróbkiiodstawićdochłodni.


19

8.6.Opracowaniesprawozdania

ImięiNazwiskoRokKierunek

TEMATĆWICZENIA Datawykonania:Zaliczenie:

- wstępteoretycznyzwiązanyzwykonaniemćwiczenia- celćwiczenia- część laboratoryjna: aparatura, sprzęt, odczynniki i materiały, wykonanie ćwiczenia,

otrzymanewyniki- wnioski

Ćwiczenie 1: Preparatyka materiałów do...

Documents

Transcript of Ćwiczenie 1: Preparatyka materiałów do...