Chương 10: VẬT LIỆU HỮU CƠ POLYME

Từ xa xưa con người đã biết sử dụng vật liệu hữu cơ tự nhiên như gỗ, tre, da, sợithực vật v.v. để phục vụ cuộc sống sinh hoạt hàng ngày. Với sự phát triển của khoa họcvà công nghệ, ngày nay vật liệu hữu cơ mới - vật liệu polyme đã được đưa vào sử dụngđể sản xuất các sản phẩm mở rộng hoạt động của con người.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 10: VẬT LIỆU HỮU CƠ POLYME Chương 10 VẬT LIỆU HỮU CƠ POLYME.10.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU HỮU CƠ Từ xa xưa con người đã biết sử dụng vật liệu hữu cơ tự nhiên như gỗ, tre, da, sợithực vật v.v. để phục vụ cuộc sống sinh hoạt hàng ngày. Với sự phát triển của khoa họcvà công nghệ, ngày nay vật liệu hữu cơ mới - vật liệu polyme đã được đưa vào sử dụngđể sản xuất các sản phẩm mở rộng hoạt động của con người. Polyme còn được gọi hợp chất hữu cơ cao phân tử là những chất có khối lượngphân tử lớn (không nhỏ hơn 104 phân tử), ở đó các phân tử gồm các nhóm nguyên tử nhưnhau gọi là mắt xích hay là me. Mỗi mạch là một phân tử đã bị thay đổi của chất thấpchất phân tử ban đầu – các monome. Khi điều chế polyme các phân tử monome nối lạivới nhau và tạo thành các phân tử dài hay là các cao phân tử mà trong đó các nguyên tửđược nối lại bằng liên kết đồng hóa trị. Các cao phân tử trong chất polyme không được sắp xếp sít chặt, và thước đo mậtđộ xếp chặt được gọi là thể tích tự do, nghĩa là sự chênh lệch giữa thể tích riêng thựccủa chất và thể tích riêng lý thuyết khi xếp chặt nhất. Khi nung nóng thể tích tự do tăng.Tùy theo thể tích tự do mà chất polyme có thể tồn tại ở một trong các trạng thái vật lý làdạng thủy tinh, đàn hồi cao, và chảy nhớt. Việc chuyển từ trạng thái này sang trạng tháikhác xảy ra không có tỏa nhiệt hay thu nhiệt. Nhiệt độ chuyển biến được gọi là nhiệt độthủy tinh hóa Ttt và nhiệt độ chảy tch.10.2 Phân loại. Có nhiều cách phân loại polyme, sau đây là những cách phân loại thông dụngnhất. Theo nguồn gốc hình thành người ta chia polyme làm hai loại làpolyme thiên nhiênvà polyme tổng hợp. − Polyme thiên nhiên có nguồn gốc thực vật hoặc động vật như xenlulô, cao su tự nhiên, protein, enzym v.v. − Polyme tổng hợp được sản xuất từ những loại monome bằng các sản ứng trùng hợp, trùng ngưng như các loại polyolefin, polyvinylclorit, nhựa henolfoamadehyt, polyamit, v.v Theo cấu trúc người ta phân biệt plyme thẳng, polyme mạch nhánh, polyme mạnglưới và polyme không gian. Tùy theo đặc điểm liên kết giữa các phân tử thẳng (hay theo tính chịu nhiệt) ngườita chia các polyme thành polyme nhiệt dẻo và polyme nhiệt rắn. Theo lĩnh vực ứng dụng, vật liệu polyme được chia ra các loại chất dẻo, nylon,sợi, cao su, sơn và keo v.v. 152 10.3 TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU HỮU CƠ.10.3.1 Cơ tính của vật liệu hữu cơ. Tính chất cơ học của vật liệu polyme cũng được đặc trưng bởi một vài thông sốvẫn dùng cho vật liệu kim loại như giới hạn đàn hồi, môdun đàn hồi, giới hạn bean kéo,độ dai va đập và độ bền mỏi v.v. Ða số tính chất cơ lý của polyme rất nhạy với tốc độbiến dạng, nhiệt độ, bản chất hóa học của môi trường như sự có mặt của ô xy, nước,dung môi hữu cơ v.v.Trong các polyme tinh thể, kích thước và hình dáng tinh thể phụ thuộc vào điều kiện kếttinh cụ thể, còn tính chất cơ học được quyết định bởi cấu trúc polyme thu được. Giới hạn đàn hồi, môdun đàn hồi, giới hạn bền kéo. Vật liệu polyme có ba dạng đặc trưng khi biến dạng dưới tác dụng của lực nhưtrình bày trong hình vẽ 10.1 Hình vẽ 10.1 Ðường cong biến dạng của vật liệu polyme giòn (đường A) và dẻo (đường B) và đàn hồi cao (Ðường C). Ðường A là đường cong biến dạng của polyme giòn, nó bị đứt ngay khi có biếndạng đàn hồi. Ðường B với polyme dẻo, biến dạng tương tự như của đa số vật liệu kimloại, nghĩa là đầu tiên là biến dạng đàn hồi, tiếp theo là chảy và sau đó là biến dạng deorồi phá hủy. Ðường C là biến dạng hoàn toàn đàn hồi (hay biến dạng hồi phục ở ứngsuất thấp) của polyme có độ đàn hồi cao như của cao su và chúng có tên chung làelastome. Mođun đàn hồi rất khác nhau ở vật liệu polyme. Chẳng hạn các polyme đàn hồicao có thể rất nhỏ chỉ bằng 7 MPa nhưng polyme rất cứng có thể là 4.10 3 MPa. Modunđàn hồi của vật liệu kim loại lớn hơn nhiều và dao động trong khoảng từ 48.103 đến410.103 MPa. Giới hạn bền kéo của polyme vào khoảng 10 MPa, còn của các hợp kim có thểđến 4.100 MPa nên vật liệu kim loại ít khi giãn dài hơn 100%, trong khi đó các polymeđàn hồi cao có thể giãn dài tới 1.000%. 153 Ngoài ra, tính chất cơ học của polyme nhạy hơn rất nhiều so với vật liệu kimloại với sự thay đổi nhiệt độ, ngay cả ở nhiệt độ phòng. Hình 10.2 trình bày sự biến dạng của polymetylmetacrylat (plexiglass – thủy tinhhữu cơ) ở một số nhiệt độ trong khoảng từ 4 – 600C. Hình 10.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc điểm biến dạng của polymetylmetacylat. Qua hình vẽ ta thấy tăng nhiệt độ sẽ làm giảm modun đàn hồi và giới hạn kéonhưng làm tăng độ dẻo và ở 40C vật liệu hoàn toàn giòn, còn ở nhiệt độ 50 – 60 0C vậtliệu có thể biến dạng đàn hồi. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến tính chất cơ học cũng rất quan trọng. Nhìnchung giảm tốc độ biến dạng cũng có ảnh hưởng tương tự như tăng nhiệt độ, có nghĩalà vật liệu trở nên mềm dẻo hơn. [ Ðộ dai va đập. Polyme có thể bị phá hủy dẻo hoặc giòn trong điều kiện tác dụng của lực va đậpphụ thuộc vào nhiệt độ, kích thước mẫu, tốc độ biến dạng và cách tác dụng lực polymetinh thể và vô định hình giòn ở nhiệt độ thấp và cả hai có độ dai va đập tương đối thấp,chúng có sự chuyển tiếp từ dẻo sang giòn ở khoảng nhiệt độ tương đối hẹp. Tuy nhiên,độ dai va đập giảm dần ở nhiệt độ cao hơn vì polyme bắt đầu mềm. Thông thường, độdai va đập cao ở nihệt độ phòng và nhiệt độ chuyển tiếp dẻo – giòn thấp hơn nhiệt độphòng. Ðộ bền mỏi. Polyme có thể bị phá hủy do mỏi khi chịu tác dụng theo chu kỳ. Tương tự như vậtliệu kim loại, mỏi xảy ra trong polyme ở ứng suất tương đối thấp so với giới hạn bềnkéo và hiện tượng mỏi của cả hai loại vật liệu gần giố ...