Теплопроводность пластиков и пластмасс, плотность пластмассы

Как рассчитать удельный вес металлов

Как определить УВ — этот вопрос часто встает у специалистов занятых в тяжелой промышленности. Эта процедура необходима для того, что бы определить именно те материалы, которые будет отличаться друг от друга улучшенными характеристиками. Одна из ключевых особенностей металлических сплавов заключается в том, какой металл является основой сплава. То есть железо, магний или латунь, имеющие один объем будут иметь разную массу. Плотность материала, которая рассчитывается на основании заданной формулы имеет прямое отношение к рассматриваемому вопросу. Как уже отмечено, УВ – это соотношение веса тела к его объему, надо помнить, что эта величина может быть определена как силу тяжести и объема определенного вещества.

Для металлов УВ и плотность определяют в той же пропорции. Допустимо использовать еще одну формулу, которая позволяет рассчитать УВ. Она выглядит следующим так УВ (плотность) равна отношению веса и массы с учетом g, постоянной величины. Можно сказать, что УВ металла может, носит название веса единицы объема. Дабы определить УВ необходимо массу сухого материала поделить на его объем. По факту, эта формула может быть использована для получения веса металла.

УВ металлов измеряют в условиях квалифицированных лабораторий. В практическом виде этот термин редко применяют. Значительно чаще, применяют понятие легкие и тяжелые металлы, к легким относят металлы с малым удельным весом, соответственно к тяжелым относят металлы с большим удельным весом.

Общие сведения

Плотность — свойство, которое определяет какое количество вещества по массе приходится на единицу объема. В системе СИ плотность измеряют в кг/м³, но также используются и другие единицы, например г/см³, кг/л и другие. В обиходе наиболее часто используют две равнозначные величины: г/см³ и кг/мл.

Факторы, влияющие на плотность вещества

Плотность одного и того же вещества зависит от температуры и давления. Обычно, чем выше давление, тем более плотно утрамбованы молекулы, что увеличивает плотность. В большинстве случаев увеличение температуры, наоборот, увеличивает расстояние между молекулами и уменьшает плотность. В некоторых случаях эта зависимость — обратная. Плотность льда, например, меньше плотности воды, несмотря на то, что лед холоднее воды. Объяснить это можно молекулярной структурой льда. Многие вещества, при переходе от жидкого к твердому агрегатному состоянию меняют молекулярную структуру так, что расстояние между молекулами уменьшается, и плотность, соответственно, увеличивается. Во время образования льда, молекулы выстраиваются в кристаллическую структуру и расстояние между ними, наоборот, увеличивается. При этом притяжение между молекулами также изменяется, плотность уменьшается, а объем увеличивается. Зимой необходимо не забывать про это свойство льда — если вода в водопроводных трубах замерзает, то их может разорвать.

Лед плавает на границе между водой и менее плотным изопропиловым спиртом, окрашенным синим цветом.

Характеристики и область использования фторопласта

Основное его предназначение определялось уникальной диэлектрической способностью. В тоже время дополнительные характеристики, такие как:

легкий удельный вес фторопласта,
большой диапазон переносимых температур,
пластичность,
прочность,
влагостойкость,
низкая адгезия поверхности (возможность самоочищения),
устойчивость к ультрафиолетовому и ионизирующему излучению,
стойкость к износу и абразивному воздействию,
биоинертность,
простота обработки

обусловили возможность применения материала в самых различных сферах. Повсеместно используется в быту, пищевой промышленности, автомобилестроении, медицине и других сферах производства. Из фторопласта производят предметы во множестве нас окружающие. Среди них:

изоляция проводов, шланги, трубы, различные емкости, лески,
нетканые негорючие материалы, технические ткани, защитные пленки,
теплостойкие мембраны, подшипники, элементы автодеталей,
детали насосных и миксерных станций, клапаны, водопроводные компоненты
при производстве кабельных установок, конденсаторов,
трубопроводы повышенного давления для химически активных сред. и т.д.

При допустимых условиях эксплуатации фторопласт не приносит и малейшего вреда живому организму. Негативными качествами можно назвать:

необходимость использования дорогостоящего оборудования для сплавки форм,
потребность в сильной вытяжке при обработке материала,
после превышения гранично высоких температур полимер становится опасным для здоровья человека.

Свойства

Характеристики полимера во многом зависят от его вида. Различают первичный и вторичный материал, производимый под высоким, средним и низким давлением. Однако многие черты свойственны всем разновидностям. Поэтому отметим как индивидуальные, так и общие характеристики.

Свойства ПЭ высокого давления

Полиэтилен высокого давления (ПВД) – полимер термопластичного типа. Его получают путем воздействия на этилен высоких температур и давления до 3000 атмосфер.

Материал обладает следующими характеристиками:

молекулярная масса – от 30 тыс. до 400 тыс. а. е. м.;
показатель текучести расплава – до 20 грамм за 10 минут;
кристалличность – порядка 60%;
температура стеклования – на уровне -4С, плавления – 105-115 С;
плотность – порядка 930 кг/м3.

Процесс образования полиэтилена данного вида – это реакция полимеризации под воздействием высокого давления. Метод сказывается на структуре материала, которая имеет разветвленное строение. При рассмотрении молекул она выглядит рыхлой, аморфно-кристаллической. В результате полимер получает относительно невысокую плотность.

Свойства ПЭ низкого давления

Здесь все иначе – он обладает высокой плотностью, характеризуется твердостью, износостойкостью. Именно из него производят столь популярные трубы. Полиэтилен низкого давления (ПНД) занимает примерно 40% от объема всего рынка.

Ключевые свойства:

молекулярная масса в диапазоне от 50 тыс. до 1 млн а. е. м.;
показатель текучести расплава – до 20 грамм за 10 минут;
степень кристалличности – порядка 70-90%;
температура стеклования – на уровне 120С, плавления – 130-140 С;
плотность – порядка 950 кг/м3.

При выборе важно учитывать множество факторов: какая плотность полиэтилена, к каким полимерам относится пластмасса и для чего ее используют. ПНД характеризует твердость, паро- и водонепроницаемость, стойкость к химической агрессии

Плотная структура материала достигается за счет применения стабилизаторов и катализаторов при его производстве. Полимер отличает повышенная прочность при растяжении и сжатии.

Общие свойства

Обладает высокой устойчивостью к химической агрессии – не разрушается даже при контакте с концентрированными щелочами и кислотами. Именно поэтому из ПЭ изготавливают емкости для различных реактивов. Однако материал способен к растворению – для этого на него необходимо одновременно воздействовать на него азотной кислотой и газообразным хлором. Соответственно разрушить полимер реально только в лабораторных условиях.

Среди ключевых физических свойств ПЭ:

способность отталкивать влагу;
плохая проводимость электричества – относится к диэлектрикам и может являться изоляцией для кабелей;
неспособность вступать в химические реакции с живыми тканями – по этой причине часто применяется для производства медицинских протезов;
отличные гидроизоляционные качества и низкая теплопроводность;
повышенная прочность.

Что есть удельный вес

Под удельным весом понимается векторная физическая величина, определяемая как отношение веса тела (веса его вещества) к занимаемому телом объёму. Иначе говоря, удельный вес численно равен произведению между ускорением свободного падения и плотностью вещества (на всякий случай напомним, что вес тела — это сила действия тела на опору/подвес либо иное его крепление в гравитационном поле).

Изредка также используется не имеющее отношения к вышеуказанному частное определение, где под удельным весом понимается безразмерное число, указывающее, во сколько раз интересующая субстанция тяжелее воды (в условиях её максимальной плотности, при 4 °C) при равном объёме.

Помимо привычной бытовой неразберихи в виде отождествления массы и веса, применительно к рассматриваемому случаю нужно упомянуть ошибочное отождествление, вытекающее из использования похожей размерности в технической системы единиц МКГСС, где удельный вес задаётся как [килограмм-сила / метр кубический] (кгс/м³).

Историческая справка

Понятие объёмной плотности заряда непосредственно связано с понятием электрических зарядов. Первые теории электричества основывались на представлении о заряде, как об особой жидкости, причём учёные полагали, что таких жидкостей должно быть не менее двух. Отсюда и произошли многочисленные термины, как отголоски жидкостных теорий: перетекание зарядов, электрический ток, электрическая ёмкость конденсатора и т.д.

Открытие термоэлектронной эмиссии привело к созданию электронных ламп, таких как этот лучевой тетрод, что дало резкий толчок в развитии электроники

Честь открытия электрона принадлежит британскому учёному сэру Дж. Дж. Томпсону, это открытие он совершил 1897 году, изучая катодные лучи. Американский физик Роберт Милликен в серии опытов по установлению заряда электрона в 1909-1913 годах установил дискретность любого заряда и вычислил заряд электрона, как элементарной отрицательной частицы заряда.

Источниками электронов служат термоэлектронная и фотоэлектронная эмиссия. Термоэлектронная эмиссия иначе называется эффектом Эдисона (1883 год), по имени первооткрывателя эффекта американского изобретателя Томаса Эдисона, или эффектом Ричардсона, по имени британского физика Оуэна Виллэнса Ричардсона, который сформулировал законы термоэмиссии в 1901 году. Систематическое описание фотоэлектронной эмиссии было сделано русским учёным Александром Григорьевичем Столетовым, который сформулировал первый закон фотоэффекта в 1890 году. Теорию фотоэффекта разработал в 1906 году знаменитый немецкий физик Альберт Эйнштейн.

Элементарную положительную частицу заряда — протон — являющуюся также ионом водорода, открыл в 1898 г. немецкий физик Вильгельм Вин, изучавший так называемые канальные лучи, возникающие на аноде при бомбардировке его достаточно быстрыми электронами в атмосфере сильно разреженного газа водорода. По другим источникам первооткрывателем протона считают английского физика Эрнеста Резерфорда, который обнаружил протон в ходе опытов по облучению ядер азота альфа-частицами в 1919 году.

Источниками протонов в химии являются минеральные и органические кислоты, образующие в водных растворах ионы водорода за счёт диссоциации. И в самой воде имеются ионы водорода, получаемые за счёт термической диссоциации молекулы воды.

Протоны, равно как и другие элементарные частицы, физики получают на различных ускорителях элементарных частиц, самым мощным из которых на сегодняшний момент является Большой адронный коллайдер (БАК).

Так или иначе, оказалось, что заряд протона в точности совпадал с зарядом электрона, но был противоположного знака. Таким образом, все существующие заряды являются кратными к заряду электрона и могут отличаться от него только знаком.

Чем отличается ПЭ от ПП

У двух полимеров есть много общего, но при этом они имеют разные характеристики, эксплуатационные особенности

Если обратить внимание на состав, то материалы создаются посредством полимеризации газов – этилена и пропилена соответственно. Оба вещества – алкены

При соединении молекул они образуют твердые полимеры, в химической основе которых находятся углерод и водород.

Если производитель, предположим, упаковок, не знает что выбрать, полиэтилен (ПЭ) или полипропилен (ПП), ему стоит разобраться в деталях – в чем разница, какие отличия между двумя полимерами. Отметим ключевые различия:

температура плавления ПП выше, чем у ПЭ – 175 С против 103-137 С;
полипропилен более прочный, обладает повышенной устойчивостью к перепадам температур;
полиэтилен более гибкий и эластичный.

Другие полимеры и пластмассы

Полиарилат (ПАР) – это ароматический сложный полиэфир. Антифрикционные полиарилаты (ТУ 6-19-271-1-79) получили название эстеран и применяются для антифрикционных самосмазывающихся систем, узлов сухого трения в высоком вакууме, а также для деталей тепло-, радиационно-, бензомаслостойких и вибропрочных деталей.

Полиимид (ПИ) – гетероцепнойполимер, составные звенья которого соединены имидной связью.

ПИ отличаются от других термопластичных и термореактивных материалов высокими показателями механических и электроизоляционных свойств, радиационной стойкостью при высоких и низких температурах. ПИ стойки к действию органических растворителей и нейтральных масел, но разрушаются под действием концентрированных кислот и щелочей. Они не окисляются вплоть до 250-275 ºС.

ПИ применяются для получения пленок, эмаль-лаков, связующих, клеев, прессовочных и литьевых материалов, а также пен.

Пресс-материалы ПМ-67 и ГЩ-69 выпускаются по ТУ 6-05-211- 1049-76.

Ниплон-1 (ТУ 6-05-998-75) и ниплон-2 (ТУ 6-05-1001-75) применяются для изготовления деталей и изделий электро- и радиопромышленности, машиностроения и других областей, обладающих высокой механической, термической (200-300 ºС) и радиационной стойкостью.

Норпласт – композиции на основе порошкообразного высокодисперсного ПЭНД применяются для изделий технического назначения и широкого потребления (ТУ 6-05-257-80); для напорных дренажных и ненапорных труб используют норпласт 1-1-742 (ТУ 6-05-264-81).

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) – сложный полиэфир терефталевой кислоты и этиленгликоля.

Поливинилбутираль (ПВБ) – поливинилацеталь со структурной формулой составного звена.

Поливинилацеталь (ПВАЦЛ) – карбоцепной полимер со структурной формулой составного звена.

Кремнийорганический полимер (КО) – полимер, составное звено которого содержит атомы кремния и органические группы.

Препреги – реактопласты, представляющие собой волокнистые наполнители, пропитанные термореактивной смолой (связующим); являются незаменимым материалом для изготовления крупногабаритных изделий относительно простой конфигурации. Препреги АП-70-151, АП-66-151 (ТУ 6-11-298-84) – стекловолокнистые материалы, пропитанные полиэфирными связующими. Выпускаются с двухсторонним полиэтиленовым покрытием.

Компоненты и технология замешивания

Максимально плотный и, соответственно, прочный бетон создается с помощью тщательно подобранного наполнителя, так как он уменьшает пористость. Основной характеристикой его является фракционность. Плотность смеси имеет прямую зависимость от параметров всех ее составляющих.

Замешивание

Консистенция бетона должна быть похожа на очень густую однородную сметану. В обычных условиях плотность бетонной смеси проверяют следующим способом. Смесь оставляют на некоторое время, чтобы в ней образовались пузырьки воздуха.

Затем набирают раствор лопатой, встряхивают и переворачивают. Если она сразу падает, нужно добавить немного воды или сухого мелкого наполнителя.

Наполнитель

Более всего на плотность бетона влияет наполнитель. Это закономерно, его объем в растворе наиболее значительный. При использовании легких (пористых) наполнителей плотность становится низкой, объемный вес также уменьшается.

Щебень или гравий рекомендуют брать плотностью в 2-3 раза выше, чем прочность расчетной марки бетонной смеси. Это обуславливается тем, что проектное значение (после 28 дней) бетона всегда ниже, чем реальные качества, которые он набирает через полгода или больше, а щебень не имеет свойства со временем набирать в плотности. Таким образом, эти показатели уравновешиваются.

Технология укладки

Способ укладки и обработки материала при его использовании имеет значение

Строители знают, как важно утрамбовать раствор и выпустить скопившиеся внутри пузырьки воздуха. Чем плотнее (жестче) марка бетона, тем раствор прочнее, но требует более тщательного уплотнения и трамбовки. Для указанных целей применяют:

Для указанных целей применяют:

специальные механизмы – вибраторы;
ручные приспособления. Их можно легко изготовить из подручных средств. Для этого берут толстую ровную доску и приделывают к ней ручку. Таким прибором хорошенько утрамбовывают залитый в опалубку раствор;
прокалывание бетона металлическими штырями, тем самым выпуская воздух.

Трамбовать рекомендуют как минимум до появления на поверхности смеси характерного молочка. В результате обработки вытесняется избыточная влага и воздух, заливка хорошо уплотняется, она становится надежной и прочной.

Еще одним методом избавления раствора от воздуха является вакуумирование. Это новаторский и современный способ. Его применяют для увеличения плотности асфальтобетона при укладке дорожного полотна. Вакуумирование применяют для марок раствора на основе силикатных и шлакосиликатных цементов.

Цементы

Для увеличения плотности тяжелого бетона в кг/м3 часто применяют несколько видов особых цементов. Наиболее распространены такие:

портландцемент;
глиноземистый;
пуццолановый;
расширяющий.

Следует учесть что, чем плотнее раствор, тем он тяжелее и его сложнее укладывать. Проблемы с укладкой в этих случаях решаются применением пластификаторов. Они также улучшают и другие свойства. Есть добавки, способствующие вытеснению воздуха и уплотнению бетона.

Недостаток цемента уменьшает плотность бетона. Его всегда берут на 2-3 класса выше, чем заданный класс бетона. Например, для бетонной смеси М150 нужен цемент М400.

Влияние на здоровье человека

HDPE используется в пищевых продуктах и напитках и обычно считается безопасным в твердой форме (когда он обозначен как безопасный для пищевых продуктов в соответствии с правилами FDA). Тем не менее, HDPE имеет определенные неблагоприятные последствия для здоровья при определенном воздействии. Например, пластиковая пыль HDPE может вызвать кратковременное раздражение глаз и горла. Предполагается, что HDPE сгорает без токсичных паров, но многие типы HDPE содержат добавки, которые при сжигании выделяют токсичные пары, которые могут отрицательно повлиять на здоровье. Кроме того, продолжаются споры о том, в значительной степени ли пластмассы, такие как HDPE, выщелачивают химические вещества с эстрогенной активностью. Это выщелачивание произошло бы, если бы, скажем, бутылки из HDPE были оставлены на солнце в машине, где тепло и УФ-излучение разрушали бы пластик и выщелачивали химические вещества в саму воду.

Является ли полиэтилен высокой плотности (HDPE) токсичным?

В твердом, чистом виде полиэтилен высокой плотности считается нетоксичным. Огромный объем молока (не говоря уже о других напитках), поставляемого в контейнерах из HDPE, является достаточным доказательством того, что HDPE не обладает острой токсичностью и фактически безопасен при контакте с пищевыми продуктами. Однако он может стать токсичным при сжигании с добавками или красителями или при проглатывании после воздействия растворителя, который выщелачивает вредные побочные химические вещества.

Определение объемной массы исследуемой горной породы

Методические указания

К выполнению лабораторной работы № 2

по курсу «Инженерная геология с основами гидрогеологии»

(для студентов специальности 05.03.06 Экология и природопользование)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ГОРНЫХ ПОРОД

Цель работы — изучить методы определения плотности, объемной массы и пористости горной породы.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

К плотностным параметрам относятся: плотность, объемная масса (удельный и объемный веса) и пористость.

Плотностью породы называется масса единицы объема абсолютно сухой породы без учета пор и трещин. Плотность породы можно определить по формуле:

m — масса породы, кг;

V — объем породы, м 3 .

Плотность зависит только от минерального состава породы,

Объемной массой породы называется масса единицы объема породы с учетом пор, трещин и их заполнителей. Ее можно рассчитать по формуле:

где

V_Т — объем твердой фазы в единице объема породы, м 3 ;

V_Ж— объем жидкости в единице объема породы, м 3

V_Г — объем газа в единице объема породы, м 3 .

Объемная масса зависит от минерального состава, строения породы и заполнителя порового пространства.

Плотность породы всегда больше объемной массы.

Объемную массу используют в расчетах:

· запасов полезного ископаемого (в геологоразведке);

· производительности горных предприятий и оборудования;

· расхода взрывчатых веществ при буровзрывных работах;

· при выборе крепи, транспортных средств;

· при обогащении полезного ископаемого и других процессах горного производства.

В практике горного дела часто пользуются показателями удельного и объемного весов.

Удельным весом называется вес единицы объема абсолютно сухой породы без учета пор и трещин.

Удельный вес (Н/м 3 ) и плотность (кг/м 3 ) породы, связаны соотношением:

где g— ускорение свободного падения тела.

Объемный вес (Н/м 3 ) и объемная масса (кг/м 3 ) связаны таким же соотношением.

В зависимости от величины плотности, породы делят на:

· легкие — ρ 3 кг/м 3 (таких пород около 13 %);

· средние — 2,5·I0 3 3 кг/м 3 (53,2 %);

· тяжелые — ρ > 4,5·I0 3 кг/м 3 (33,8 %).

Пористостью называется совокупность всех пустот в горных породах, заключенных между минеральными частицами или их агрегатами в единице объема породы.

Пористость можно рассчитать, зная плотность и объемную массу породы по формуле:

Пористость зависит от:

· формы зерен и их упаковки;

· наличия цементирующего вещества и его плотности и других факторов.

Приборы и принадлежности необходимые для опыта: весы, разновесы, пикнометры, мерный цилиндр, дистиллированная вода, образцы породы.

Определение плотности породы

Пикнометрическим методом

При пикнометрическом методе определения плотности горной породы используют пикнометр — мерную колбу точного объема.

Метод основан на изменении массы пикнометра, наполненного дистиллированной водой, при замене части ее навеской исследуемой горной породы.

1. Отобрать, измельчить и просеять через сито с отверстиями 0,5 мм образцы исследуемой горной породы.

2. Взвесить сухой пикнометр (масса – m₁).

3. В пикнометр насыпать 10-15 г прошедшей через сито породы, и взвесить – m₂.

4. В пикнометр с породой налить до 0,5 его объема дистиллированной воды, встряхиванием удалить из породы воздух, долить воды до метки и вновь взвесить – m₃.

5. Из пикнометра все вылить, вымыть, налить в пикнометр дистиллированной воды до метки, сверху пикнометр обтереть фильтровальной бумагой и взвесить -. m₄.

6. Плотность горной породы (кг/м 3 ) рассчитать по формуле:

где ρ w – плотность воды.

7. Результаты измерений и вычислений занести в табл.1.

Пластмассы, применяемые в автомобилестроении

В автомобилестроении применяются пенополиуретаны и полиуретановые поропласты.

Выпускаемый эластичный пенополиуретан (ОСТ 6-05-407-75) – материал на основе полиэфира П-2200 – применяется в качестве амортизационного тепло-, электро-, звукоизоляционного материала. Имеются марки 35-0,8; 40-0,8; 40-1,2 листовой и рулонный, кажущаяся плотность от 35 до 40 кгс/м3,

Интегральные эластичные пенополиуретаны ППУ-203-3, ППУ-203-4, ППУ-203-5 применяются в автомобильной, медицинской промышленности в радиоэлектронике и т. д. Кажущаяся плотность для ППУ-203-3 250-600 кг/м3, для ППУ-203-4 200-400 кг/м3, а для ППУ-203-5 150-250 кг/м3.

В ремонтном производстве пенополиуретаны могут наноситься на изделия напылением. Жидкие исходные композиции (полиэфирная и изоцианатная) равномерно, в строго определенном соотношении, поступают к распылителю (специальный пистолет), который обеспечивает их смешение, распыление, транспортирование и нанесение на обрабатываемую поверхность слоем толщиной 0,5-2 мм. После вспенивания толщина нанесенного слоя увеличивается до 5-20 мм, и ППУ окончательно отверждается.

Физико-механические характеристики пластмасс

Вид полимера	Физико-механические характеристики при 20°C
	Плотность, кг/м3	Прочность при разрыве, МПа	Относительное удлинение при разрыве,%	Проницаемость по водяным парам, г/м2 за 24 часа	Проницаемость по кислороду, см3/(м2хатм) за 24 часа	Проницаемость по CO₂, см3/(м2хатм) за 24 часа	Температура плавления, °C
ПВД	910-930	10-16	150-600	15-20	6500-8500	30000-40000	102-105
ПНД	940-960	20-32	400-800	4-6	1600-2000	8000-10000	125-138
ПП	900-920	30-35	200-800	10-20	300-400	9000-11000	165-170
ПВХ	1370-1420	47-53	30-100	30-40	150-350	450-1000	150-200
ПС	1050-1100	60-70	18-22	50-150	4500-6000	12000-14000	170-180
ПА	1100-1150	50-70	200-300	40-80	400-600	1600-2000	220-230
ПК	1200	62-74	20-80	70-100	4000-5000	25000-30000	225-245