Кобляков А.И. (ред.) Лабораторный практикум по текстильному материаловедению

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 2.18. Пульт управле-

ния рентгеновской установ-

ки УРС-1:

/ — ручка коммутатора «сеть»;

2 — крышка; 3 — ручкн; 4—

часы экспозиции; 5 — вольт-

метр; б~ кнопка «пуск»; 7—

лампа «положение к пуску»;

S — лампа • «перегрузка»; 9 —

лампа «нет подачи воды»; 10—

лампа «напряжение до 40 кВ»;

11 — лампа «напряжение до

50 кВ»; 12 — кнопка «стоп»;

13 — миллиамперметр;

— руч-

ка коммутатора «напряжение»;

15 — лампа красного цвета; 16 —

ручка реостата «накал»; 17 —

лампа зеленого цвета; 18—

табличка с графиком

Рентгеновский аппарат УРС-1 включает в себя ге-

нераторное устройство, которое состоит из высоковольтного

трансформатора, трансформатора накала и маслорасширителя,

заключенных в один общий бак, заполненный трансформатор-

ным маслом. На крышке бака помещается защитный кожух,

в котором крепится рентгеновская трубка. Пульт управления,

а также органы управления и контроля расположены на крышке

бака (рис. 2.18).

Перед включением высокого напряжения проверяют правиль-

ность установки образца на гониометрической головке рентге-

новской камеры вращения РКВ-86А, затем укрепляют кассету

с рентгеновской пленкой. После этого аппарат включают в сеть

поворотом ручки 1 коммутатора «сеть» (см. рис. 2,18) в поло-

жение «1». При этом должны загореться лампа зеленого цвета

17, неоновая лампа 10 или 11, указывающие предел регулировки

напряжения, и лампа 7 «положение к пуску».

Затем регулируют подачу воды: при этом должна загореться

лампа 9. После этого ручкой 1 коммутатора «сеть» по вольт-

метру 5 регулируют напряжение питания до 220 В. Нажатием

кнопки 6 «пуск» включают высокое напряжение на трубку; при

этом загорается лампа красного цвета 15. Напряжение рентге-

новской трубки доводят до требуемой величины, для чего ручку

14 коммутатора «напряжение» ставят на ту ступень, которая со-

ответствует положению, указанному на табличке 18.

Ручкой 16 реостата «накал» доводят анодный ток до требуе-

мой величины. При этом миллиамперметр 13 должен показать

значение анодного тока, протекающего через трубку.

Для снятия рентгенограммы волокон подбирают время экспо-

зиции (для текстильных волокон оно может составить 2—15 ч).

Подбор экспозиции осуществляется обычно опытным путем.

После съемки рентгеновскую пленку обрабатывают по схеме

обработки фотопленки.

Рентгеновский дифрактометр «Дрон - 0,5»,

обеспечивающий количественный анализ характеристик струк-

туры, снабжен устройством для автоматической записи дифра-

гированных рентгеновских лучей от атомных плоскостей пробы.

Дифрактометр «Дрон-0,5» состоит из оперативного стола, го-

ниометрического устройства типа ГУР-4 и электронно-измери-

тельного устройства ПК-2. Оперативный стол выполнен в виде

закрытого каркаса со съемной боковой стенкой, обеспечиваю-

щей доступ внутрь стола, и открывающейся передней стенкой, на

которой смонтирован пульт управления (рис. 2.19). В центре

литой коышки оперативного стола на стойке укреплен защитный

кожух, в котором жестко закреплена рентгеновская трубка

БСВ-6.

На оперативном столе имеется также специальная плита, на

которую устанавливают гониометрическое устройство, служа-

щее для точного определения углового положения дифракцион-

ных пиков. Отсчет углов поворота образца и счетчика осуще-

ствляется на шкале гониометра с погрешностью Г. На гонио-

метре предусмотрена возможность раздельного и совместного

вращения образца и счетчика вручную или от двигателя. Счет-

чик рентгеновских квантов устанавливают в специальный держа-

тель, закрепленный на подвижном плече гониометрического

устройства, который соединен с электронно-измерительным

устройством ПК-2.

Для исследования на дифрактометре последовательно вклю-

чают силовой пакетник и пакетник на электронно-измеритель-

ном устройстве. Переключатель 1 «сеть» (см. рис. 2.19, а) на

панели электронно-счетного устройства ставят в среднее поло-

жение, после чего должны загореться две сигнальные лампы.

После прогрева в течение 10 мин переключатель 1 «сеть» ставят

в правое крайнее положение. Поворотом по часовой стрелке

включают пакетник напряжения 1 (см. рис. 2.19,6) на щите

управления блока питания (загорается лампа 13)

в таком по-

ложении система прогревается 20—25 мин. После прогрева си-

стемы поворотом на 0,5 оборота против часовой стрелки вентиля

водопроводного крана «ВК» подключают воду (загорается лам-

па готовности пуска 2), а затем включают кнопку 6 «пуск» (за-

горается лампа 8). Высокое напряжение на трубку подается с

помощью выключателя 10, позицию которого выбирают в зави-

симости от анодного тока по одной из таблиц 5. Ток регулируют

переключателем 9 с помощью миллиамперметра 7. Рабочий ре-

жим трубки: напряжение 25 кВ, анодный ток 10 мА.

Во время заправки единичной пробы шторка должна быть

закрыта. После заправки пробы шторку открывают и нажимают

кнопку 6 «пуск» на устройстве ПК-2. На гониометре одновре-

менно включают сцинтилляционный счетчик и самописец, при

этом происходит запись интенсивности в зависимости от угла

поворота счетчика <р(0).

•>

Рис. 2.19. Рентгеновский дифрактометр «Дрон-0,5»:

а — пульт управления электронно-измерительной стойки ПК-2 (/ — переключатель «сеть»;

2— переключатель «экспозиция»; 3 — переключатель «род работы»; 4— кнопка

«сброс»; 5 — кнопка «стоп»; 6 — кнопка «пуск»; 7— переключатель «постоянная вре-

мени»; 8 — переключатель «предел измерений»; 9— переключатель «измерение»; 10—

указатель интенсивности; // — индикатор пересчетного прибора; 12 — окно; /3 —пере-

ключатель «усиление»; 14 — переключатель «порог»); б—пульт управления высоко-

вольтного блока питания (1 — пакетник напряжения; 2, 8 — сигнальные зеленая и крас-

ная лампы, показывающие наличие высокого напряжения на трубке; 3 — вольтметр;

4 — кнопка «стоп»; 5—таблицы зависимости напряжения на трубке от положения

коммутатора; 6 — кнопка «пуск»; 7 — миллиамперметр; 9 — переключатель, регулирую-

щий анодный ток; 10 — выключатель высокого напряжения; 11 — лампа сигнала «готов

к пуску»; 12 — лампа, показывающая наличие воды; 13, 14 — лампы, показывающие,

при каком напряжении работает прибор)

Масштаб дифрактограммы подбирают в зависимости от ско-

рости счетчика и скорости протягивания диаграммной ленты на

потенциометре КСП-4. Для основных текстильных волокон

оптимальная скорость счетчика 2 град/мин, оптимальная ско-

рость протягивания ленты 720 мм/ч.

После проведения съемки записывают угловой интервал со

светящегося экрана гониометра. Зная крайние значения дифрак-

тограммы и ее масштаб, устанавливают угловые координаты ли-

ний интенсивности.

При рентгеноструктурном анализе текстильных волокон не-

обходима тщательная подготовка единичной пробы. Единичная

проба представляет собой пучок параллельных волокон (диа-

метром 1 мм), укрепленных на слегка пружинящей рамке для

поддержания волокон в распрямленном состоянии. Чтобы во-

локна были параллельны, их расчесывают мелкой гребенкой.

Параллельность волокон проверяют под микроскопом.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Обработка рентгенограмм. На рентгенограмме (рис. 2.20) выделяют эквато-

риальные и меридианальные рефлексы. Замеряя расстояние D между противо-

положными следами этих рефлексов, находят R = D/2. Принимая во внима-

ние, что расстояние от образца до фотопленки в камере РКВ-86А I = 39 мм,

определяют угол скольжения 9 = 0,5arctg (R/l). При наличии в рентгенограм-

ме нескольких межплоскостных расстояний последовательно определяют все

значения. 9г. Расчет межплоскостного расстояния производится исходя из

условия Вульфа и Брэгга Хп = 2d sin 0 (X — длина волны рентгеновского

излучения, п — порядок отражения; d — межплоскостное расстояние, 6 —

угол скольжения, т. е. угол между падающим лучом и отражающей пло-

скостью) по формуле

d = Я/(2 sin 0).

Подставляя найденное значение 0 и учитывая, что на установке УРС-1

с медным анодом длины волны рентгеновских лучей Я. = 1,54 А, рассчиты-

вают межплоскостное расстояние по формуле [2.4]

d = 1,54/(2 sin 9) = 1,54/[2 sin (0,5 arctg R/l)].

Определение угла разориентации по кривой интенсивности, полученной при

фотометрировании рентгенограмм. Фотометрирование проводится вдоль дуги

одного из рефлексов при вращении рентгенограммы на угол ф = 360°. Схема

развертки интенсивности рефлексов текстуррентгенограммы от угла развертки

Ф, а также расчета угла разориентации приведена на рис. 2.21. Параллельно

оси абсцисс проводят прямые ММ' (подошва) и КК' к половине высоты

ftmax. Точки К и К', спроектированные на ось ф, дают значения углов ф! и фг.

По разнице этих углов определяют азимутальный, или усредненный, угол

Диафрагма

-^_ПерВишш пучок

Образец

А-рефлекс

В-рефлекс

Рис. 2.20. Расчет межплоскостного

расстояния:

а—рентгенограмма волокна капрон; б —

схема формирования рентгенограммы

Рис. 2.21. Схема развертки интен-

сивности рефлексов текстуррент-

генограммы

Рис. 2.22. Дифрактограмма аморфно-

кристаллического вещества

разориентации макромолекул в веществе, составляющих волокна или нити,

относительно меридиана или экватора [2.5]:

<Ро

= 6(ф2 — Ф0/2,

где k — масштабный коэффициент.

Определение структурных характеристик волокон по дифрактограммам.

Межплоскостное расстояние определяют по уравнению Брэгга и Вульфа, а

значения 0 находят по точкам на оси абсцисс, соответствующим максимумам

интенсивности (рис. 2.22). При этом необходимо установить масштаб ди-

фрактограммьг (мм/град): М = v

\ где

— скорость протягивания

ленты, v

— скорость счетчика. Например, при v

= 2 град/мин и у

. „ =

= 720 мм/ч М = 6 мм/град.

Степень кристалличности, %, по Германсу и Вейдингеру определяется по

соотношению

К = 100S

/S,

где S

—площадь кристаллической области; S — общая (интегральная) пло-

щадь (5 = S

+ 5

, где Sa — площадь аморфной области).

Площади дифрактограммы измеряют планиметром или путем взвешива-

ния вырезанных из диаграммы «площадей». .

На дифрактограмме при определении степени кристалличности необхо-

димо выделить три области — кристаллическую, аморфную и область рас-

сеяния (фон). Деление дифракционной кривой показано на рис. 2.22. Прямая

аг, проведенная через точки 29 = 7° и 29 = 30°, отделяет фон. Максимум

аморфного фона (гало) находят ^путем определения высоты 0,9 h при 20 =

= 14°50' и затем h при 20 = 16°18'.

Площадь под кривой авг соответствует аморфному фону (гало). Пло-

щади максимумов дифрактограммы {Ki^KaKi) относятся к кристаллической

области.

Определение размера кристаллита. Усредненные размеры кристаллита ве-

щества волокон L (мкм) могут быть рассчитаны по формуле Селякова —

Шеррера:

LM = *фУ(Р

cos

6).

где

КФ

— коэффициент формы кристаллита; X— длина волны; р— расшире-

ние линии; 0 — брэгговский угол.

Расширение линии р (мм) определяют на уровне полувысоты максимума

кривой интенсивности в кристаллической области (см. рис. 2.22). Необхо-

димо иметь в виду, что каждая линия (максимума) дифрактограммы соот-

ветствует размеру кристаллита в определенном кристаллографическом на-

правлении. Поэтому, промерив несколько размеров кристаллита в простран-

стве, можно построить общую форму кристаллита.

Для уточнения расширения линии р и исключения влияния приборных

факторов применяют съемку контрольной линии в тех же угловых интерва-

лах, но с эталонного образца (NaCl или кварц). Тогда

= VВ

- Ь

где В — расширение линии на исследуемом образце; b — расширение линии

от эталонного образца.

Если принять Кф = 0,9 для вешества с неизвестной формой кристалли-

тов и учесть масштаб дифрактограммьг (М — 6 мм/град), то формула для

определения размера кристаллита принимает вид [2.1, 2.6]

L = 0,9Х • 57,ЗМ/(Р cos 9) = 476,5l/(cos 9 УВ

- Ь

УКАЗАНИЯ ПО ОТЧЕТУ

Отчет по работе должен содержать: краткое описание рентгеновской уста-

новки УРС-1 и рентгеновского дифрактометра «Дрон-0,5», методики получе-

ния рентгенограмм, дифрактограмм волокон или нитей; рентгенограмму, кри-

вую фотометрирования рентгенограммы и дифрактограмму волокон с указа-

нием их вида; определение характеристик: межплоскостного расстояния, угла,

разориентации, степени кристалличности, размера кристаллита.

2.5. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ВОЛОКОН

МЕТОДАМИ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Цель работы. Изучение методики приготовления препарата, снятия спек-

трограммы и ее анализа.

Задание. 1. Изучить метод инфракрасной спектроскопии волокон, ме-

тодику препарирования образца измерения спектра поглощения и анализа

спектрограмм.

2. Снять спектрограмму волокон и определить их спектральные характе-

ристики.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Метод инфракрасной спектроскопии (ИКС) при исследовании

текстильных материалов дает информацию о структуре молекул,

межмолекулярном и внутримолекулярном взаимодействии и о

структуре агрегатов молекул.

Инфракрасный спектр состоит из большого числа полЬс по-

глощения (рис. 2.23). Каждая полоса в спектре характеризуется

положением, интенсивностью, шириной и формой.

Положение полосы определяется длиной волны X (мкм) в

максимуме или частотой v (м

-1

или см

-1

) — величиной, обратной

длине волны.

Интенсивность полосы характеризуется концентрацией хими-

ческих групп, поглощающих свет с длиной волны 1, а также мо-

лекулярной структурой вещества. Различают интенсивность в

максимуме поглощения и интегральную интенсивность, пред-

ставляющую собой площадь под кривой поглощения. Интеграль-

ная интенсивность тесно связана с молекулярными процессами.

Полосы поглощения качественно делят на сильные, средние

и слабые в зависимости от высоты полось! в максимуме поглоще-

ния или площади под контуром полосы.

Рис. 2.23. ИК-спектро-

грамма полистирола

Ширина полосы связана с формой контура полосы поглоще-

ния. Она измеряется на уровне половины высоты полосы в мак-

симуме по кривой оптической плотности (полуширина).

Аппаратура. Инфракрасный спектрофотометр ИКС-29

(рис. 2.24) предназначен для регистрации спектров поглощения

различных веществ и измерения коэффициентов пропускания

в диапазоне 4000—400 см

-1

. Прибор может работать в двух- и

однолучевом режимах. При работе по двухлучевой схеме радиа-

ция от источника излучения направляется двумя пучками, в од-

ном из которых помещается исследуемый образец, а в другом —

фотометрический клин и образец сравнения. При поглощении

инфракрасного излучения веществом появляется переменный

сигнал, частота которого равна частоте прерывания. После уси-

Рис. 2.24. Спектрофотометр ИКС-29:

I — окно для тумблеров; 2 — крышка; 3 — ручка «программа

щелей»; 4 — ручка «усиление»; 5 — ручка «баланс моста»; 6 —

уровень, регистрирующий запись; 7 — кнопка для установле-

ния постоянной времени; 8 — винт для регулировки решеток;

9 — индикаторные лампы; 10— переключатель «диапазоны»;

II — переключатель «скорость развертки»; 12 — кнопка «ход

обратно»; 13 — кнопка «ускоренно»; 14 — кнопка «пуск»; 15 —

кнопка «стоп»; 16 — верхний кожух;

— нижний кожух; 18 —

ось, с помощью которой перо устанавливается на 100%-ную

линию пропускания; 19, 20 — направляющие для закрепления

образцов

ления и преобразования сигнал подается на обмотку электро-

двигателя отработки. Фотометрический клин, перемещаясь,

уменьшает до нуля возникшую разность интенсивностей пучков.

Самописец, связанный с фотометрическим клином, регистрирует

величину пропускания.

В однолучевом режиме прибор работает при электрическом

разбалансе мостовой схемы.

В спектрофотометре ИКС-29 используются две дифракцион-

ные решетки (реплики) с различными постоянными и макси-

мумами концентрации. Первая решетка (150 штрихов на 1 мм)

работает в диапазоне 4000—1200 см

-1

и имеет максимум кон-

центрации энергии при волновом числе v = 2800 см

-1

; вторая

решетка (50 штрихов на 1 мм) работает в диапазоне 1400—

400 см

-1

и имеет максимум концентрации энергии при v =

= 800 см

-1

. Срезание налагающихся высших порядков спектра

на первый рабочий порядок производится пятью интерферен-

ционными фильтрами, установленными за выходной щелью и

работающими на пропускание. Смена решеток и фильтров осу-

ществляется автоматически.

Приготовление образца. Образец для ИК-спектроскопии текс-

тильных материалов чаще готовят по методу спрессованных таб-

леток. При этом методе предварительно измельченные на вибро-

мельнице или в агатовой ступке вещества прессуют в смеси с

галогенидом щелочных металлов (бромид калия и др.). Так как

показатели преломления вещества и матрицы (бромида калия)

близки, образцы, правильно приготовленные, прозрачны на про-

свет.

При приготовлении образца вещество измельчают до размера

20 мкм и сушат при температуре 50—60 °С в течение 3—5 ч.

Затем 12 мг измельченного вещества смешивают с 2 г порошка

бромида калия. Рекомендуемая концентрация исследуемого ве-

щества в смеси — около 0,6% (до 1%). Смешивание осуще-

ствляется в два этапа. Сначала 12 мг исследуемого вещества пе-

ремешивают с 40—50 мг порошка бромида калия в агатовой

ступке в течение 4—5 мин, затем добавляют 110—150 мг бро-

мида калия и снова перемешивают смесь в течение 5—10 мин.

После этого смесь прессуют в специальной пресс-форме диаме-

тром 13 мм в течение 2—3 мин при давлении 40 МПа. В ре-

зультате получается таблетка толщиной около 0,6 мм (до

1 мм

). Если требуется получить более интенсивный спектр, ре-

комендуется увеличить толщину таблетки (соответственно и

смеси) [2.7].

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Спектрофотометр (рис. 2.25) включают в сеть переключателем «сеть 220 В».

При этом на экране отсчетной шкалы волновое число должно соответство-

вать началу диапазона, а индикаторные лампы должны показывать, что

установлена необходимая решетка. Если шкала прибора не установлена на

Рис. 2.25. Схема пульта управления

спектрофотометра ИКС-29:

1 — переключатель «программа щелей»; 2—

ручка «усиление»; 3 — рукоятка «баланс мо-

ста»; 4 — уровень, регистрирующий запись;

5 — кнопка для установления постоянной вре-

мени; 6 — переключатель «диапазоны»; 7 —

переключатель «скорость развертки»; 8 —

кнопка «ход обратно»; 9 — кнопка «ускорен-

но»; /0 —кнопка «пуск»

начало диапазона, необходимо нажать

кнопки 9 «ускоренно» и 10 «пуск» и

подождать, пока прибор автоматически

не установится на начало диапазона.

Затем кнопку 9 «ускоренно» переводят в верхнее положение, переклю-

чатель 7 «скорость развертки» — в положение «2» и, оперируя кнопками

«пуск» и «стоп» устанавливают шкалу спектрофотометра точно на началь-

ный штрих. Необходимую программу щелей устанавливают переклю-

чателем 1 «программа щелей», перо — на начало шкалы, нанесенной на лен-

те; необходимую скорость сканирования — переключателем 7 «скорость раз-

вертки».

После этого поворачивают на 2—3 деления шкалы ручку 2 «усиление»,

открывают оба пучка (перо должно перемещаться в направлении к линия

100 %-ного пропускания) и подбирают такое усилие, при котором перо, выве-

денное из положения равновесия на 30—40 делений по шкале коэффициентов

пропускания кратковременным прикрытием пучка образца, возвращалось бы

в исходное положение и переходило это положение не более чем на один

ряд. Усиление следует выбирать на таком участке спектра, где нет интенсив-

ных полос поглощения атмосферной воды и углекислого газа.

Если перо при открытых пучках перемещается к нулю, то, плавно пово-

рачивая рукоятку 3 «баланс моста» в сторону, соответствующую уменьшению

разбаланса, устанавливают ее сначала в положение полного баланса (верхнее

положение стрелки), а затем проходят это положение и устанавливают нор-

мальную величину разбаланса.

Исследуемый образец устанавливают в кювету, опускают перо, нажи-

мают кнопку 10 «пуск» и производят запись спектра.

УКАЗАНИЯ ПО РАБОТЕ

По снятой кривой спектра поглощения определить: положение, полосы в мак-

симуме кривой поглощения; показатели интенсивности полосы в максимуме

и интегральную интенсивность полосы (дать им качественную оценку); пока-

затели оптической плотности ширины полосы (проанализировать полученные

данные).

УКАЗАНИЯ ПО ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать: краткое изложение физической основы метода ин-

фракрасной спектроскопии текстильных материалов; описание принципов уст-

ройства инфракрасного спектрофотометра; методику работы; условия испыта-

ний; спектрограмму; основные характеристики и их анализ. •

2.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗРЕЛОСТИ ВОЛОКОН

ХЛОПКА

Цель работы. Определение зрелости волокон хлопка сравнительным ме-

тодом и в поляризованном свете.

Задание. 1. Зарисовать продольный вид волокон предельно зрелых,

недозрелых и совершенно незрелых.

1 2 3 к 5.

2. Определить сравнительным методом зрелость волокон в пробе, рассчи-

тать средний коэффициент зрелости и с учетом ГОСТ 3279—76* оценить сорт

волокон.

3. Ознакомиться с методом определения зрелости волокон хлопка в поля-

ризованном свете.

• ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Созревание волокон хлопка сопровождается постепенным отло-

жением слоев целлюлозы на внутренних стенках — от перифе-

рии к центру. При этом наружный диаметр волокон D остается

неизменным, а стенки утолщаются, что приводит к сужению

канала d. На рис. 2.26 представлены приведенные к круглой

форме поперечные сечения волокон хлопка: совершенно незре-

лых, в стадии средней зрелости и предельно зрелых.

По мере созревания стенки волокон в результате высыхания

спадают, появляется извитость. Поэтому при рассмотрении в

микроскоп продольного вида волокон можно наблюдать сплюс-

нутые, более или менее закрученные ленточки различной ши-

рины: максимальной у совершенно незрелых волокон и мини-

мальной— у предельно зрелых.

Определение зрелости волокон по соотношению элементов

структуры. У незрелых волокон хлопка с малым содержанием

целлюлозы отношение диаметра канала d к наружному диа-

метру D (см. рис. 2.26,а), по данным В. С. Федорова, составляет

0,95, у волокон средней зрелости (см. рис. 2.26,6) d/D = 0,50,

у предельно зрелых волокон (см. рис. 2.26, в), максимально за-

полненных целлюлозой, d/D = 0,2. Однако определить это соот-

ношение сложно. Поэтому было принято обозначать совершенно

незрелые волокна хлопка условным коэффициентом зрелости

Z — 0, а предельно зрелые волокна — коэффициентом Z = 5. Во-

локна, находящиеся между этими крайними группами, по коэф-

фициентам зрелости разбиты на 11 групп.

Сплюснутые ленточки незрелых и недозрелых волокон имеют

неправильную форму поперечного сечения, поэтому точное

s/г

rhf ^

KLJ

Рис. 2.26. Поперечное сечение волокон

хлопка:

а — совершенно незрелых; б — в стадии сред-

ней зрелости; в — предельно зрелых

Рис. 2.27. Метод определения степени

зрелости волокон хлопка