CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC VẬT LIỆU HỮU CƠ

CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC VẬT LIỆU HỮU CƠ

LOGO CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC VẬT LIỆU HỮU CƠ TS Nguyễn Quang Long & ThS Nguyễn Văn Dũng Monomer: phân tử nhỏ tổng hợp polymer Đơn vị sở = Mer = Repeat unit: phần tử nhỏ chuỗi polymer, lặp lại tạo phân tử polymer Monomer Polymer Polymer tự nhiên: có nguồn gốc từ động thực vật  Tinh bột  Gỗ  Bông  Tơ  Da  Len  Cao su  ADN Polyme tổng hợp: PE, tơ nilon, cao su buna, nhựa phenol formaldehyde, PVC, PS, PP, ABS, silicone,… polydimethylsiloxane (PDMS) Ni is the number of molecules with molecular weight, M i Ni = số phân tử i có khối lượng Mi xi = phần mol số phân tử i có khối lượng khoảng Mi wi = phần khối lượng số phân tử i có khối lượng khoảng Mi Ví dụ: tính khối lượng trung bình sinh viên lớp Sinh viên Khối lượng (lb) 104 116 Tính khối lượng trung bình sinh 140 viên: 143 a) Dựa tỉ lệ số sinh viên 180 182 191 220 225 10 380 khoảng khối lượng? b) Dựa tỉ lệ khối lượng sinh viên khoảng khối lượng? Giải: Đầu tiên chia SV theo khoảng khối lượng cách 40 lb Khoảng k.lượng Số SV Ni Wi Phần số lượng xi Phần k.lượng wi 2 0 109 142 184 223 380 0.2 0.2 0.3 0.2 0 0.1 0.117 0.150 0.294 0.237 0.000 0.000 0.000 0.202 SN i 10 SN i W i 1881 187.9 217.63601 81-120 121-160 161-200 201-240 241-280 281-320 321-360 361-400 K lượng trung bình xi  N Ni i x81120 wi  NW NiWi i w 81120  x 110  0.117 1881 M n   x M  188lb i i M w   wi Mi  218 lb Ví dụ: Xác định khối lượng trung bình PVC theo số liệu cho kèm? i   0.2 10 10 Mức độ trùng hợp (Degree of polymerization): số mer hay số mắt xích phân tử polymer m khối lượng mắt xích (mer) VD: tính DP PVC theo số liệu bảng trước m = 62.496 g/mol 11 Chất làm đầy – Fillers: + Mục đích: tăng cường tính (kéo nén), chống mài mịn, tính bền dai, tính dẽo, bền nhiệt giảm giá thành,… + VD: mùn cưa, bột silica (cát), vụn thủy tinh, đất sét, bột talc, đá vôi, polymer khác,… Chất làm dẻo – Plasticizers: + Mục đích: chất hóa dẻo làm giảm nhiệt độ thủy tinh hóa Tg, nhiệt độ nóng chảy Tm polyme Nó làm giảm tính cứng tăng tính bền, dai, dẽo, mềm vật liệu + Chất hóa dẻo thường este hợp chất hữu DBP dibutyl Phtalat, DOP - dioctyl phtalat, DIOP - diizooctyl phtalat + Ứng dụng: mỏng, áo mưa, ống, cửa,… 12 Chất tạo màu – Colorants: thuốc nhuộm (dye) bột màu (pigment) Chất ổn định – Stabilizers: + Mục đích: giúp tăng tuổi thọ polymer làm việc môi trường ánh sáng, nhiệt, xạ Chất chống cháy – Flame Retardants: + Mục đích: chất chống cháy phải có nhiệm vụ làm chậm, ngăn cản dập tắt trình cháy + Tạo lớp bảo vệ bề mặt pha rắn: ngăn cản tiếp xúc oxi với bề mặt polymer, tạo thành lớp cách nhiệt + Dập tắt gốc tự hoạt động pha khí: phụ gia có chứa halogen photpho tác dụng với gốc tự để tạo chất hoạt động góp phần ngăn cản cháy 13  Hình dạng chuỗi polymer hình gấp khúc xoắn, nguyên tử cacbon quay quanh trục liên kết C-C  Chuỗi polymer cuộn lại theo hình dạng khác 14 Mạch thẳng (linear) VD: HDPE, PVC, Nylon, Cotton Mạch nhánh (branch) VD: LDPE Liên kết ngang (crosslink) VD: cao su lưu hóa Mạng lưới (network) VD: nhựa epoxy, phenol formaldehyde 15 + Sắp xếp ngẫu nhiên (random) VD: cao su SBR, NBR Ngẫu nhiên + Sắp xếp xen kẽ (alternating) VD: nhựa PET + Sắp xếp theo nhóm (block) Xen kẽ VD: Pluronic P123, triblock polymer HO(CH2CH2O)20(CH2CH(CH3)O)70(CH2CH2O)20H Nhóm + Sắp xếp dạng nhánh ghép (graft) VD: HIPS (high-impact polystyrene) Tạo thành từ nhánh styrene nhánh ghép butadien Nhánh ghép 16 Bao gồm liên kết C-H, C-F, C-Cl, C-C, C=C, C≡ C, C=O, C-N,… Gồm liên kết σ liên kết π 17  Gồm liên kết Van der Waals, liên kết hydro, liên kết cộng hóa trị  Liên kết ngang làm tăng độ bền nhiệt, độ bền cơ, khó hịa tan, giảm tính dẻo vật liệu 18 Khi có lực tác dụng, polymer bị biến dạng không thuận nghịch (mạch thẳng) hay thuận nghịch (mạch có liên kết ngang)  tạo tính đàn hồi Kéo Stretch Cross-Linked Polymer The chains can be stretched, which causes Kéo Stretch Relax Co lại The cross-links hold the chains together Với biến dạng thuận nghịch có trường hợp: đàn hồi cao, tượng hồi phục tượng trể (hồi phục khơng hồn tồn) 19 20 Fe3C – cấu trúc tinh thể trực thoi (Orthorhombic) 21  Ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử PE multilayered single crystals (chain-folded layers)  Quá trình hình thành đơn tinh thể PE phải thực chậm điều khiển cẩn thận Cấu trúc chuỗi dạng nếp gấp tạo thành mỏng 22 Polymer đạt 100% cấu trúc tinh thể  Rất khó cho tất các vùng vật liệu mà chuỗi xếp thẳng hàng Vùng tinh thể  Độ tinh thể (Degree of crystallinity) biểu diễn % tinh thể  Một vài tính chất vật lý phụ thuộc % tinh thể  Quá trình xử lý nhiệt phát triển vùng tinh thể tăng % tinh thể Vùng vơ định hình 23  Một vài bán tinh thể hình thành dạng cầu  Giữa lớp đơn tinh thể vùng vơ định hình  Tốc độ hình thành tinh thể hình cầu tương đối nhanh Spherulite surface 24 SV tự nhận xét !! Phần trăm tinh thể Sáp giòn Nhựa cứng Sáp dai Sáp mềm Chất dẻo mềm Dầu, lỏng Khối lượng phân tử Ảnh hưởng độ tinh thể khối lượng phân tử lên tính chất PE 25 Nhiệt độ Trạng thái nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy Trạng thái mềm cao Trạng thái tinh thể Nhiệt độ chuyển thủy tinh Trạng thái thủy tinh 26 Hiện tượng nóng chảy giải thích phá hủy liên kết yếu Van der Waals mạch cấu trúc polymer khơng cịn trật tự Vậy yếu tố làm giảm liên kết yếu làm giảm nhiệt độ nóng chảy (Tm) - Mạch nhánh: giảm hiệu xếp mạch, độ mạch nhánh tăng, Tm giảm - Khối lượng phân tử tăng: Tm tăng phần cuối mạch phần tự dao động, chiều dài mạch tăng lên, số cuối mạch giảm đi, lượng tăng  Tm polymer nằm khoảng định giá trị định chất polymer không đồng 27 Trạng thái thủy tinh (của polymer vơ định hình polymer bán kết tinh) trạng thái mà có nguyên tử, phân tử chuyển động quanh vị trí cân Ở trạng thái thủy tinh vật liệu cứng giòn Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg):  Độ mềm dẻo mạch: độ mềm dẻo giảm, Tg tăng  Kích thước nhóm thế: kích thước nhóm lớn, độ linh động giảm,Tg tăng  Độ phân cực nhóm thế: nhóm phân cực, Tg tăng  Khối lượng phân tử: khối lượng phân tử lớn Tg tăng Nhưng tăng đến giá trịnh định, khối lượng phân tử tăng Tg không đổi 28 Trạng thái kết tinh: làm tính chất đàn hồi cao, tăng độ cứng, tăng modul đàn hồi làm giảm khả biến dạng polymer Trạng thái mềm cao (chất dẻo): trạng thái đặc biệt có polymer, có tính chất nằm trạng thái rắn lỏng, có khả thay đổi phục hồi hình dạng lớn tác dụng lực nhỏ (cao su) → Cần xác định nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ chuyển thủy tinh chất dẻo để xác định nhiệt độ làm việc thích hợp 29 Nhiệt độ chuyển thủy tinh [oC (oF)] Polymer Nhiệt độ nóng chảy [oC (oF)] So sánh giải thích lý khác biệt Tg & Tm polymer!! 30 Thể tích riêng SV tự nhận xét !! Thủy tinh Bán tinh thể Tinh thể Nhiệt độ 31 SV tự nhận xét !! Chất lỏng nhớt Nhiệt độ Chất lỏng Tinh thể Cao su Bán tinh thể Khối lượng phân tử 32  Nhựa nhiệt dẻo (thermoplastic) loại nhựa chảy mềm thành chất lỏng tác dụng nhiệt độ cao đóng rắn lại làm nguội  Nhựa nhiệt dẻo gồm nhiều chuỗi phân tử liên kết với liên kết Van der Waals yếu, liên kết hiđrơ, tương tác nhóm phân cực xếp chồng vòng thơm → Có khả tái chế VD: PE, PP, PS, ABS, SB, PVC, PVAc, PET, Nylon,… 33 Nhựa nhiệt rắn (thermosetting plastic) loại nhựa gia nhiệt rắn cứng, khơng thay đổi hình dạng cấu trúc polymer cố định, tiếp tục gia nhiệt bị phá hủy nóng chảy Lý do: mức độ liên kết ngang (crosslink) cao nên có độ cứng hóa học bền nhiệt (thường 200 oC) VD: nhựa phenol-formaldehyde, nhựa epoxy, cao su lưu hóa, Nhược điểm: khó tái chế → cách tận dụng?? 34 35 36 Tinh bột - Starch DNA Đường Protein 37 Chuỗi dài xellulozơ (cellulose) với liên kết H Xellulozơ vật liệu hữu phổ biến trái đất Tạo thành gỗ, giấy, sợi 38 Độ trùng hợp: 1000 - 2000 39 Độ trùng hợp: 10,000 – 100,000 40 Ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) Độ trùng hợp: 2-6 million Thay khớp xương Nón bảo hộ Bánh 41 Độ trùng hợp: 4,000 – 5,000 Khá phân cực  Liên kết ngang mạnh 42 Ester Polyethylene Terephthalate Độ trùng hợp: 4,000 – 8,000 43 44 Liên kết cộng hóa trị mạnh liên kết H Ứng dụng làm vật liệu bảo vệ 45 Acrylonitrin butadien styren (ABS) có cơng thức hóa học (C8H8· C4H6·C3H3N)n loại nhựa nhiệt dẻo Ưu điểm: nhẹ, cứng, dễ uốn, chịu va đập tốt Ứng dụng: làm ống, dụng cụ âm nhạc, đầu gậy đánh golf, phận tự động, vỏ bánh răng, lớp bảo vệ đầu hộp số, đồ chơi, mạ điện,… ... thuận ngh? ?ch (m? ?ch thẳng) hay thuận ngh? ?ch (m? ?ch có liên kết ngang)  tạo tính đàn hồi Kéo Stretch Cross-Linked Polymer The chains can be stretched, which causes Kéo Stretch Relax Co lại The... Mục đ? ?ch: giúp tăng tuổi thọ polymer làm việc môi trường ánh sáng, nhiệt, xạ Ch? ??t ch? ??ng ch? ?y – Flame Retardants: + Mục đ? ?ch: ch? ??t ch? ??ng ch? ?y phải có nhiệm vụ làm ch? ??m, ngăn cản dập tắt trình ch? ?y... độ nóng ch? ??y (Tm) - M? ?ch nhánh: giảm hiệu xếp m? ?ch, độ m? ?ch nhánh tăng, Tm giảm - Khối lượng phân tử tăng: Tm tăng phần cuối m? ?ch phần tự dao động, chiều dài m? ?ch tăng lên, số cuối m? ?ch giảm