166573 (Сборник задач и расчетно-графических работ по технологии переработки полимеров), страница 4

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/с

Получено ,что D₂ примерно в 30 раз больше, чем D₁ (cм. Задачу 27):

=31,8

Ответ: D₂=7,40∙10^-12 см²/с

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 С_нап=40% масс., удельная поверхность волокнистого наполнителя S_уд=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∙C_нап∙S_уд=21,6 г∙0,4∙6 =51,8∙10⁴ м² используя полученное значение S, имеем:

D₁= ≈2,35∙10^-13 см²/с

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/с

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/с

D₂₁=7,40∙10^-12 см²/с; D₂₂=7,34∙10^-12 см²/с

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=x_св+χ, где x_св- cтепень превращения связующего в объёме; χ-параметр влияния. При выводе исходить из того, что ΔС=С₂-С₁ – 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=С₂-С₁=

Учитывая, что =V, получаем:

ΔС=

Используя соотношение y=x_св+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=x_св+χ, где x_св- степень превращения связующего в объёме; χ-параметр влияния. При выводе исходить из того, что ΔС=С₂-С₁ – 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=С₂-С₁=

Учитывая соотношение υ/γ=V, y=x_св+χ, получаем:

ΔC=

Ответ: ΔС= =

34. Используя аддитивность тепловых эффектов отверждения ненаполненного эпоксидного связующего Q и взаимодействие Q_доп эпоксидного связующего с лавсаном, из которых складывается тепловой эффект суммарного процесса Q_сумм=γQ_доп+(1-γ)Q, найти величину Q_доп, если Q_сумм=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 Q_доп эпоксидного связующего с лавсаном, из которых складывается тепловой эффект суммарного процесса Q_сумм=γQ_доп+(1-γ)Q, найти величину Q_доп, если Q_сумм=104 кДж/моль, Q=122 кДж/моль; массовая доля связующего, образовавшего переходный слой , γ=0,63.

Выразив Q_доп из соотношения, приведённого в условии задачи, и подставив численные значения величин, получаем:

Q_доп=

Ответ: Q_доп=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 Q_сумм=-132 кДж/моль и эффективных энергий активации, кДж/моль, отверждения эпоксидной смолы без наполнителя Е=27, эпоксидной смолы с полипропиленовой нитью Е_сумм=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 Q_доп=200χ+20(1-χ) найти значения параметра влияния χ на основании известных значений теплового эффекта Q_доп 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=Q_доп-20; χ= .

Применив последнее соотношение к смолам ЭД-20 и СФ-342А, получаем соответственно: χ₁= =0,89; χ₂= =0,17

Из полученных значений χ₁>χ₂ 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 Q_доп связующего с полипропиленовым наполнителем (ППН)

Q_сумм=γQ_доп+(1-γ)Q, вычислить массовые доли γ переходных слоев в системах эпоксидная смола+ППН (Q=122; Q_cумм=132; Q_доп=180 кДж/моль) и фенолоформальдегидная смола+ППН (Q=21; Q_сумм=23; Q_доп=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; S_уд=5 м²/г- удельная поверхность полипропиленовой нити, используемой в качестве наполнителя).