高分子材料研究方法实验材料

实验一聚合物材料燃烧氧指数测试一实验目的1了解聚合物材料的结构与燃烧，以及聚合物燃烧性能测试标准；2掌握聚合物材料的氧指数测试方法。二实验原理聚合物含有大量的碳氢元素，且热稳定性较差，因此聚合物极易燃烧。聚合物燃烧的四要素：热源、空气（氧气）、可燃性物质、自由基反应。为了改善聚合物的燃烧性能，可通过物理或化学的方法引入阻燃元素，如卤素（氯、溴）、磷、氮等，并通过点燃性及自熄性测试（塑料点着温度、极限氧指数、水平燃烧法、垂直燃烧法等）、火焰传播性能测试（隧道燃烧法等）、热释放速率测试（氧消耗）、烟密度测试、毒气及腐蚀性气体测试、火焰穿透性测试等，了解聚合物阻燃性能的提高。本次实验依据《GB/T2406.2-2009塑料用氧指数法测定燃烧行为第2部分：室温试验》，测试聚合物材料的燃烧氧指数。物质燃烧时，需要消耗大量的氧气，不同的可燃物，燃烧时需要消耗的氧气量不同，通过对物质燃烧过程中消耗最低氧气量的测定，计算出物质的氧指数值，可以评价物质的燃烧性能。所谓氧指数（Oxygenindex），是指在规定的试验条件下，试样在氧氮混合气流中，维持平稳燃烧（即进行有焰燃烧）所需的最低氧气浓度，以氧所占的体积百分数的数值表示（即在该物质引燃后，能保持燃烧50mm长或燃烧时间3min时所需要的氧、氮混合气体中最低氧的体积百分比浓度）。作为判断材料在空气中与火焰接触时燃烧的难易程度非常有效。一般认为，OI27的属易燃材料，27≤OI32的属可燃材料，OI≥32的属难燃材料。JF-3型氧指数测定仪，就是用来测定物质燃烧过程中所需氧的体积百分比。该仪器适用于塑料、橡胶、纤维、泡沫塑料及各种固体的燃烧性能的测试，准确性、重复性好，因此普遍被广泛采用。需要说明的是氧指数法并不是唯一的判定条件和检测方法，但它的应用非常广泛，已成为评价燃烧性能级别的一种有效方法。三实验仪器与药品测量聚合物材料燃烧氧指数，对应不同氧气浓度、氮气浓度下，测量材料的燃烧时间（或燃烧长度），最后总结燃烧结果。（1）实验仪器采用JF-3型氧指数测定仪，图1-1为实验装置示意图，该仪器根据GB/T2406标准生产。图1-1氧指数测定仪示意图1-底座；2-玻璃珠；3-金属网；4-试样夹；5-试样；6-燃烧筒；7-点火器；8-气体混合器；9-压力表；10-氧气瓶；11-氮气瓶；12-稳压器；13-调节阀；14-转子流量计（2）试样规格自撑材料：每个试样长宽厚等于（120mm）×（6.5±0.5mm）×（3±0.5mm）。要求试样外观表面清洁、平整光滑，无影响燃烧行为的缺陷，如：气泡、裂纹、飞边、毛刺等，在距离点燃端50mm处划一条刻线。非自撑材料：每个试样长宽厚等于（140mm）×（52mm）×（≤10.5mm）。四实验步骤1检查气路，确定各部分连接无误，无漏气现象。2校正仪器：接通电源，开启已知氧浓度值的氧气瓶总阀，并调节减压阀，压力为0.25-0.4Mpa，调节氧气稳压阀，仪器压力表值为（0.1±0.01）Mpa，，调节氧气流量计为（10±0.5）L/min，此时数显表显示数值和已知氧浓度值符合，否则调节满度，反时针关闭稳压阀。3确定实验开始时的氧浓度：根据经验或试样在空气中点燃的情况，估计开始实验时的氧浓度。如试样在空气中迅速燃烧，则开始实验时的氧浓度为18%左右；如在空气中缓慢燃烧或时断时续，则为21%左右；在空气中离开点火源即马上熄灭，则至少为25%。4安装试样：将试样夹在夹具上，垂直地安装在燃烧筒的中心位置上（注意要划50mm标线），保证试样顶端低于燃烧筒顶端至少100mm，罩上燃烧筒（注意燃烧筒要轻拿轻放）。5通气并调节流量：开启氧、氮气钢瓶阀门，调节减压阀压力为0.2～0.3MPa，然后调节稳压阀，仪器压力表指示压力为0.1±0.01MPa，并保持该压力（禁止使用过高气压）。调节流量调节阀，通过转子流量计读取数据（应读取浮子上沿所对应的刻度），得到稳定流速的氧、氮气流。检查仪器压力表指针是否在0.1Mpa，否则应调节到规定压力，O2+N2压力表不大于0.03Mpa或不显示压力为正常，若不正常，应检查燃烧柱内是否有结炭、气路堵塞现象；若有此现象应及时排除使其恢复到符合要求为止。此时数显窗口显示的数值为当前氧浓度值（亦称氧指数值）。应注意：在调节氧气、氮气浓度后，必须用调节好流量的氧氮混合气流冲洗燃烧筒至少30s（排出燃烧筒内的空气）。调节总原则：试验时保持工作压力为0.1Mpa和总流量10L/min不变。6点燃试样：用点火器从试样的顶部中间点燃（点火器火焰长度为1-2cm），勿使火焰碰到试样的棱边和侧表面。在确认试样顶端全部着火后，立即移去点火器，开始计时或观察试样烧掉的长度。点燃试样时，火焰作用的时间最长为30s，若在30s内不能点燃，则应增大氧浓度，继续点燃，直至30s内点燃为止。7确定临界氧浓度的大致范围：点燃试样后，立即开始记时，观察试样的燃烧长度及燃烧行为。若燃烧终止，但在1s内又自发再燃，则继续观察和记时。如果试样的燃烧时间超过3min，说明氧的浓度太高，必须降低，此时记录实验现象记“×”，如试样燃烧在3min之前熄灭，说明氧的浓度太低，需提高氧浓度，此时记录实验现象记“Ο”。如此在氧的体积百分浓度的整数位上寻找这样相邻的四个点，要求这四个点处的燃烧现象为“ΟΟ××”。例如若氧浓度为26%时，烧过50mm的刻度线，则氧过量，记为“×”，下一步调低氧浓度，在25%做第二次，判断是否为氧过量，直到找到相邻的四个点为氧不足、氧不足、氧过量、氧过量，此范围即为所确定的临界氧浓度的大致范围。8在上述测试范围内，缩小步长，从低到高，氧浓度每升高0.4%重复一次以上测试，观察现象，并记录。9根据上述测试结果确定氧指数OI。五、数据处理根据上述实验数据计算试样的氧指数值OI，即取氧不足的最大氧浓度值和氧过量的最小氧浓度值两组数据计算平均值。六、实验注意事项1、试样制作要精细、表面平整、光滑；2、氧、氮气流量调节要得当，压力表指示处于正常位置，禁止使用过高气压，以防损坏设备；3、流量计、玻璃筒为易碎品，实验中谨防打碎。七、思考题1、什么叫氧指数值？如何用氧指数值评价材料的燃烧性能？2、JF-3型氧指数测定仪适用于哪些材料性能的测定？如何提高实验数据的测试精度？3、聚合物的氧指数与其燃烧时的成炭率、比燃烧焓及元素组成的经验公式是什么？八、实验报告1、写出实验目的、内容、步骤；2、记录实验数据并进行处理；3、材料性能评价：根据氧指数值评价材料的燃烧性能，对实验结果进行分析讨论；4、思考题。实验二聚合物材料燃烧烟密度测试一、实验目的1了解烟密度测试仪的结构和特点；2掌握聚合物材料燃烧烟密度的测试方法。二、实验原理烟是火灾中致人死命的首要危险因素之一，同时也是严重延误火灾时抢救生命财产的重要因素。随着阻燃材料的发展和应用，国内外阻燃性能的检测方法和标准众多，用于评价材料燃烧发烟特性的烟密度法是最常用的试验方法之一。聚合物材料在烟箱中燃烧产生烟气，烟气中固体尘埃对通过烟箱的光反射，造成光通量的损失。通过测量光通量的变化来评价烟密度大小，从而确定在燃烧和分解条件下聚合物材料可能释放烟的程度。本实验依据《GB/T8323.2-2008塑料烟生成第2部分：单室法测定烟密度试验方法》，用烟密度测试仪测定聚合物材料燃烧条件下释烟程度，评价聚合物材料的烧性能。三、实验仪器及试样规格1实验仪器为JCY-2型建材烟密度测试仪；2试样规格：选用PP材料，每个试样长宽厚等于（25mm）×（25mm）×(6mm)，也可以是其他尺寸。测试材料也可以是塑料、橡胶、纤维、泡沫塑料、硬纸板、木板等。四、实验步骤1、预热：接通电源、气源及相应的连接线，打开仪器上的电源开关和背灯开关，燃烧箱内有光束通过，预热15min。2、仪器校准：打开计算机中的“烟密度”应用程序，点击“校准开始”，点击“插入遮光片”，按键变灰，插入后，显示0.0。再点击按键，弹出。点击“移出遮光片”，按键变灰，移出后，显示450左右，过大或过小微调仪器左侧满度旋钮，再点击弹出。点击“插入滤光片”，按键变暗，显示100%，插入标准滤光片，分别用三块标准滤光片进行挡光束试验，其“光通量”数显值分别与标准滤光片的标定透光率值之差三次平均值应小于3％（绝对值）。点击“校准结束”，按键变暗。3、火焰位置确认：点校准开始，按键变暗，选中进火，本生灯到位。打开仪器右侧燃气开关，调整试样架位置，使火焰在钢丝网正中心附近，调整后选中退火，点击校准结束按键，关闭燃气开关。4、确认关闭仪器左上角的排风扇开关。5、点火：打开燃气阀门和“燃气开关”，用明火或点火枪点着本生灯，调节“燃气调节”使压力为276KPa。6、放样：将试样平放在支架筛网上，其位置应处于本生灯转入工作状态时燃烧火焰对准试样下表面中心。7、点击“平行试验一”，单击“平行试验一开始”，跳出“请点击确定初始化仪器，等候9秒”，点击“确定”。弹出“点火后请确认”，点击“确认”，等本生灯进火到位后自动开始采集，4min后试验自动结束，试验过程中注意观察试验现象（记录：包括样品出现火焰的时间，火焰熄灭时间，样品烧尽的时间，安全出口标志由于烟气累积而变模糊的时间，一般的和不寻常的燃烧特性，如熔化、滴落、起泡、成炭。）。如需保存数据，点击“保存试验一数据”。8、第一次试验结束后，打开箱门或风机开关排出烟气，用镜头纸清洁箱内的两个玻璃圆窗，放好第二个试样，重复上述操作，直至试验结束。9、生成试验报告。10、试验完毕后关闭燃气，关闭电源及光源。11、待试样燃烧完全结束或人工将火焰熄灭后，确保无安全隐患将试样从试验装置中取出。测试全部结束后应清洁烟箱。五、思考题1如何用烟密度评价材料的燃烧性能？2以测试样品为例，说明材料烟密度的影响因素？实验三紫外光谱法分析聚合物的结构特征一、实验目的1了解紫外光谱分析法的基本原理；2掌握紫外光谱样品的制备和紫外光谱仪的使用，紫外光谱图的分析方法。二、实验原理紫外光谱是电子吸收光谱，其波长范围是4-400nm，200-400nm为近紫外区，4-200nm为远紫外区，一般紫外光谱用来研究近紫外区（200-400nm）吸收，常用的紫外光谱仪的测试范围可扩展到可见光区域，包括400-800nm的波长区域。当样品分子或原子吸收光子后，外层电子由基态跃迁到激发态，不同结构的样品分子，其电子的跃迁方式是不同的，而且吸收光的波长范围不同，吸光的几率也不同，从而可根据波长范围、吸光度鉴别不同物质结构方面的差异。图3-1电子能级及电子跃迁示意图有机物在紫外光区和可见光区内电子跃迁的方式有σ→σ*、n→σ*、π→π*、n→π*四种类型，如图3-1所示。这些跃迁所需要能量比较如下：σ→σ*﹥n→σ*﹥π→π*﹥n→π*。（1）σ→σ*跃迁：一般饱和烷烃分子为此类跃迁，所需能量最大，吸收波长λmax﹤200nm，例如甲烷λmax为125nm，乙烷λmax为135nm；仅在远紫外光区可能观察到它们的吸收谱带，只能被真空紫外分光光度计检测到。（2）n→σ*跃迁：该跃迁为杂原子的非键轨道中的电子向σ*轨道跃迁，一般在150-250nm左右，含非键电子的饱和烃衍生物（N、P、S、O和卤素原子）均呈现此类跃迁，如原子半径较大的硫或碘的衍生物n-电子能级较高吸收光谱在近紫外220-250nm附近。（3）π→π*跃迁：π电子跃迁到反键π*轨道所产生的跃迁，这类跃迁所需能量比σ→σ*跃迁小，若无共轭，与n→σ*跃迁差不多，200nm左右；吸收强度大，摩尔消光系数ε在104-105范围内；若有共轭体系，波长向长波方向移动（200-700nm）。含不饱和键的化合物发生π→π*跃迁，例如C=O、C=C、C≡C等。（4）n→π*跃迁：n电子跃迁到反键π*轨道所产生的跃迁，这类跃迁所需能量较小，吸收峰在200-400nm左右，吸收强度小，ε＜102，弱吸收；含杂原子的双键不饱和有机化合物，如C=S、O=N、N=N等。紫外光谱根据比尔定律（Beer-Lambert）定律：A＝εcL＝－log（I/I0）；其中A为吸光度，ε为摩尔