Chapter 14/15 • Các đặc trưng cơ bản? 1 • Ảnh hưởng cấu trúc tới độ bền • Độ cứng, tính dị hướng và sự ủ trong polymers • Phương pháp tăng bền cơ ở nhiêt độ cao? CẤU TRÚC POLYMER CÁC ỨNG DỤNG VÀ QUÁ T[.]
CÁC ỨNG DỤNG VÀ Q TRÌNH • Các đặc trưng bản? • Ảnh hưởng cấu trúc tới độ bền • Độ cứng, tính dị hướng ủ polymers • Phương pháp tăng bền nhiêt độ cao? CẤU TRÚC VI MÔ CỦA POLYMER Polymer = many mers: Phân tử lớn có nhiều nhánh mer H H H H H H C C C C C C H H H H H H Polyethylene (PE) mer H H H H H H C C C C C C H Cl H Cl H Cl mer H H H H H H C C C C C C H CH H CH H CH Polyvinyl chloride (PVC) Polypropylene (PP) Adapted from Fig 14.2, Callister 6e • Cấu hình xích đồng hóa trị độ bền secondary bonding Linear Branched Cross-Linked Network Hướng độ bền tăng Adapted from Fig 14.7, Callister 6e TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ VÀ MỨC KẾT TINH • TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ, Mw: Khối lượng mol chuỗi smaller Mw larger Mw • Bền kéo (TS): -Thường tăng Mw -Do chuỗi dài tăng liên kết (neo) lẫn • % kết tinh: % vật liệu trạng thái tinh thể - Rk & E thường tăng với % kết tinh -Ủ làm vùng kết tinh rộng % tinh thể tăng crystalline region amorphous region Adapted from Fig 14.11, Callister 6e (Fig 14.11 is from H.W Hayden, W.G Moffatt, and J Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol III, Mechanical Behavior, John Wiley and Sons, Inc., 1965.) ĐÁP ỨNG KÉO: DÒN & DẺO Near Failure (MPa) brittle failure x 60 40 Initial 20 0 aligned,networked crosscase linked case onset of necking near failure plastic failure x unload/reload crystalline regions slide semicrystalline case amorphous regions elongate crystalline regions align Stress-strain curves adapted from Fig 15.1, Callister 6e Inset figures along plastic response curve (purple) adapted from Fig 15.12, Callister 6e (Fig 15.12 is from J.M Schultz, Polymer Materials Science, Prentice-Hall, Inc., 1974, pp 500-501.) BIẾN DẠNG KHI KÉO • Kéo - Kéo dài polymer trước dùng -Sắp xếp chuỗi theo hướng trải dài • Kết kéo: -Tăng elastic modulus (E) theo hướng trải dài - Tăng tensile strength (TS) theo hướng trải dài - Giảm tính dẻo (ductility) • Biến dạng dẻo sau kéo - Giảm móc nối decreases alignment - Đảo ngược tác dụng kéo • So với làm việc lạnh (cold working) kim loại! Adapted from Fig 15.12, Callister 6e (Fig 15.12 is from J.M Schultz, Polymer Materials Science, PrenticeHall, Inc., 1974, pp 500-501.) ĐÁP ỨNG KÉO: TRƯỜNG HỢP CHẤT DẺO (MPa) 60 xbrittle failure plastic failure 40 x 20 0 elastomer initial: amorphous chains are kinked, heavily cross-linked x final: chains are straight, still cross-linked Stress-strain curves adapted from Fig 15.1, Callister 6e Inset figures along elastomer curve (green) adapted from Fig 15.14, Callister 6e (Fig 15.14 is from Z.D Jastrzebski, The Nature and Properties of Engineering Materials, 3rd ed., John Wiley and Sons, 1987.) Deformation is reversible! • So với đáp ứng polymer khác: đáp ứng dòn (aligned, cross linked & networked case) đáp ứng dẻo (semi-crystalline case) NHIỆT DẺO VÀ NHIỆT RẮN • Nhiệt dẻo: -liên kết ngang nhỏ -dẻo -soften w/heating polyethylene (#2) polypropylene (#5) polycarbonate polystyrene (#6) • Nhiệt rắn: -liên kết ngang lớn (10 to 50% of mers) -Cứng dịn -khơng soften w/heating -cao su lưu hóa, epoxy, nhựa polyester, nhựa phenolic T mobile liquid viscous liquid crystalline solid Callister, rubber Fig 16.9 tough plastic Tm Tg partially crystalline solid Molecular weight Adapted from Fig 15.18, Callister 6e (Fig 15.18 is from F.W Billmeyer, Jr., Textbook of Polymer Science, 3rd ed., John Wiley and Sons, Inc., 1984.) NHIỆT ĐỘ VÀ TỐC ĐỘ KÉO CĂNG: NHIỆT DẺO (MPa) 80 4°C 60 40 • T giảm - Tăng E - Tăng TS - Giảm %EL 20°C Data for the semicrystalline polymer: PMMA (Plexiglas) 40°C 20 0 60°C 0.1 0.2 to 1.3 0.3 • Tăng tốc độ kéo căng - Hiệu ứng tương tự T giảm Adapted from Fig 15.3, Callister 6e (Fig 15.3 is from T.S Carswell and J.K Nason, 'Effect of Environmental Conditions on the Mechanical Properties of Organic Plastics", Symposium on Plastics, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA, 1944.) ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN TỚI BIẾN DẠNG • Thử giảm sức căng: • Dữ liệu: Er giảm mạnh - Sức căng tới giữ nguyên T > Tg 105 - Sức căng giảm theo thời gian tensile test o Er (10s) in MPa 10 101 (polystyrene vô định hình) rigid solid (small relax) transition region strain 10-1 (t) 10-3 (large relax) time • modul giảm sức căng: (t) E r (t) o viscous liquid Adapted from Fig 15.7, Callister 6e (Fig 15.7 is from A.V Tobolsky, Properties and Structures of Polymers, John Wiley and Sons, Inc., 1960.) 60 100 140 180T(°C) Tg • Tg(C) mẫu : PE (low Mw) PE (high Mw) PVC PS PC -110 - 90 + 87 +100 +150 Selected values from Table 15.2, Callister 6e SUMMARY • General drawbacks to polymers: E, y, Kc, Tapplication are generally small Deformation is often T and time dependent Result: polymers benefit from composite reinforcement • Thermoplastics (PE, PS, PP, PC): Smaller E, y, Tapplication Table 15.3 Callister 6e: Larger Kc Easier to form and recycle Good overview • Elastomers (rubber): of applications Large reversible strains! and trade names • Thermosets (epoxies, polyesters): of polymers Larger E, y, Tapplication Smaller Kc 10