Chương 8: Vật liệu polyme pdf

304 304 Ch!ơng 8 vật liệu polyme Vật liệu polyme là loại vật liệu có tốc độ phát triển rất nhanh trong những năm gần đây (sau đại chiến II), đ!ợc sử dụng rộng ri trong sinh hoạt cũng nh! trong kỹ thuật, chiếm tỷ lệ ngày một cao. Khác với các vật liệu truyền thống (kim loại, ceramic), vật liệu polyme có sức cạnh tranh lớn nhờ các đặc tính nhẹ, rẻ, dễ tạo hình, tạo màu sắc Rõ ràng là vật liệu này đóng vai trò ngày một quan trọng, nh! một số nhà khoa học đ cho rằng hiện loài ng!ời bắt đầu vào thời kỳ vật liệu polyme. Sở dĩ có tên gọi nh! vậy là do nó đ!ợc tạo thành chủ yếu từ polyme (nhóm chất hữu cơ tổng hợp), do vậy còn có tên là hữu cơ . Một tên khác cũng khá thông dụng là chất dẻo (plastics) là gọi theo nhóm chiếm tỷ lệ chủ yếu trong loại này. Polyme đầu tiên mà loài ng!ời biết là loại có nguồn gốc tự nhiên, từ thực, động vật (gỗ, cao su, bông len, da, tơ và ngay cả protein, enzim, tinh bột, xenlulô). Trong thế kỷ 20 loài ng!ời đ tổng hợp đ!ợc polyme với giá rẻ và có các tính chất !u việt hơn polyme tự nhiên, đ mở ra sự phát triển nhảy vọt cho loại vật liệu này. Có thể định nghĩa polyme nh! sau: " Polyme là một hợp chất gồm các phân tử đ!ợc hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một loại hay nhiều loại nguyên tử hay một nhóm nguyên tử (đơn vị cấu tạo monome) liên kết với nhau với số l!ợng khá lớn để tạo nên một loạt các tính chất mà chúng thay đổi không đáng kể khi lấy đi hoặc thêm vào một vài đơn vị cấu tạo ". Cũng giống nh! kim loại và ceramic, các tính chất của polyme cũng phụ thuộc vào cấu trúc. Để làm rõ mối liên quan này sẽ lần l!ợt trình bày những đặc điểm về cấu trúc phân tử (bản chất hóa học, khối l!ợng, hình dạng) polyme và cấu trúc tinh thể (sự sắp xếp các mạch phân tử) polyme, trên cơ sở đó giải thích các tính chất, công dụng cũng nh! cách chế tạo và tạo hình cho các loại vật liệu polyme. 8.1. Cấu trúc phân tử polyme Khác với các vật liệu đ học, các phân tử polyme có những đặc điểm riêng. Tr!ớc tiên hy đi từ hyđrôcacbon là nguồn gốc phần lớn chất hữu cơ để từ đó tổng hợp nên polyme. 8.1.1. Phân tử hyđrôcacbon Nh! đ trình bày ở mục 1.1.2, trong phân tử hyđrôcacbon các liên kết giữa các nguyên tử là đồng hóa trị. Mỗi nguyên tử cacbon có bốn điện tử tham gia vào liên kết này (hình 1.1c), trong đó mỗi nguyên tử hyđrô chỉ có một điện tử liên kết. Liên kết đơn tồn tại khi mỗi một trong hai nguyên tử liên kết (là C và H) đều góp một điện tử; còn liên kết giữa hai nguyên tử cacbon là nhờ mỗi nguyên tử trong chúng góp chung hai điện tử, tức có liên kết đôi . Ví dụ phân tử ethylen C 2 H 4 có thể đ!ợc trình bày d!ới dạng: 305 305 H H C = C, trong đó: là liên kết đơn = là liên kết đôi (hay hai liên kết đơn). H H Có tr!ờng hợp tồn tại liên kết ba nh! ở axêtylen C 2 H 2 : H C C H. Các hyđrôcacbon chứa liên kết đôi, ba đ!ợc coi là không no, tức mỗi nguyên tử cacbon ch!a liên kết tối đa với bốn nguyên tử khác, tức chúng còn có thể biến đổi khi chuyển thành liên kết đơn. Sự chuyển dời vị trí một trong những liên kết đơn xung quanh nguyên tử cacbon sẽ cho phép đ!a thêm vào phân tử đầu tiên một hay một nhóm nguyên tử khác. Xem thế hyđrôcacbon không no dễ biến đổi thành phần và tính chất hơn. Còn đối với hyđrôcacbon no chỉ có các liên kết đơn nên không thể có những nguyên tử mới nào có thể xâm nhập vào phân tử mà không phải lấy đi các liên kết đơn khác đ có sẵn do đó khó biến đổi thành phần và tính chất hơn. Hyđrôcacbon đơn giản nhất thuộc họ parafin C n H 2n+2 gồm mêtan (CH 4 ), êtan (C 2 H 6 ), prôpan (C 3 H 8 ), butan (C 4 H 10 ), pentan (C 5 H 12 ), hexan (C 6 H 14 ) công thức phân tử nh! sau: H H H H H H H C H, H C C H, H C C C H H H H H H H (CH 4 ) (C 2 H 6 ) (C 3 H 8 ) (t!ơng tự với C 4 H 10 , C 5 H 12 , C 6 H 14 bằng cách thêm vào từng nhóm CH 2 một). Liên kết trong nội bộ phân tử là liên kết đồng hóa trị mạnh, nh!ng giữa các phân tử là liên kết yếu Van der Waals, nên các hyđrôcacbon nói chung có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp (tuy nhiên các nhiệt độ này tăng lên theo sự tăng lên của khối l!ợng phân tử). Hyđrôcacbon có cùng thành phần hóa học có thể có những cách sắp xếp nguyên tử khác nhau đ!ợc gọi là đồng phân hóa (isomerism) mà mỗi dạng của nó đ!ợc gọi là izome. Ví dụ, có hai izome cho butan: butan n và butan i với công thức phân tử nh! sau: H H H H H H H C H H H C C C C H H C C C H H H H H H H H (loại n) (loại i) Một số tính chất phụ thuộc vào cấu trúc đồng phân này. Ví dụ, nhiệt độ sôi của chúng khác nhau, lần l!ợt là -0,5 và -12,3 o C. Một số nhóm hyđrôcacbon thông dụng khác có công thức phân tử nh! sau: OH R OH (r!ợu metyl), R O R (ête dimetyl), R C (axit axêtic), O với R là gốc metyl CH 3 , ngoài ra trong các hợp chất khác R có thể là các gốc hữu cơ êtyl C 2 H 5 , benzyl C 6 H 5 (với mạch vòng). 306 306 Từ các phân tử hữu cơ (hyđrôcacbon) kể trên ng!ời ta có thể tổng hợp thành phân tử polyme. 8.1.2. Phân tử polyme a. Bản chất hóa học và me So với phân tử hữu cơ vừa trình bày, phân tử polyme tổng hợp nên là khổng lồ với kích th!ớc và khối l!ợng phân tử lớn nên còn đ!ợc gọi là cao phân tử . Trong phân tử này, các nguyên tử đ!ợc liên kết bằng liên kết đồng hóa trị. Đa số phân tử polyme có dạng mạch dài và mềm dẻo mà cốt lõi của nó là một chuỗi các nguyên tử cacbon: C C C C C C C C , trong đó mỗi nguyên tử cacbon liên kết với hai nguyên tử cacbon khác về hai phía. Phân tử polyme đ!ợc ký hiệu bằng đ!ờng thẳng và đ!ợc gọi là mạch hay mạch chính . Nh! vậy nói chung mỗi nguyên tử cacbon có hai liên kết với các nguyên tử hay gốc nằm ở cạnh bên của mạch (gọi là nhánh bên). Nói chung cả trong mạch cũng nh! nhánh bên có thể chứa liên kết đôi. Rất dễ nhận thấy rằng các phân tử cực lớn polyme này nh! gồm bới các đơn vị cấu trúc nh! những mắt xích lặp đi lặp lại và nối với nhau đ!ợc gọi là me (mer xuất phát từ tiếng Hy Lạp meros có nghĩa là hợp phần). Me đơn giản nhất đ!ợc gọi là monome (tức phân tử chỉ gồm một me), còn polyme có nghĩa là nhiều me. b. Cấu trúc phân tử của PE (polyêtylen) Từ các phân tử êtylen C 2 H 4 (ở dạng hơi) d!ới tác dụng của xúc tác, nhiệt độ, áp suất thích hợp, liên kết đôi bị gy, mở về hai phía và sự hợp nhất lại của chúng sẽ tạo nên mạch và phân tử polyêtylen (PE) nh! ở hình 8.1. H H H H H H H H (C = C) n ( C C ) n C C C C H H H H H H H H a) b) c) Hình 8.1. Quá trình hình thành phân tử polyêtylen: a. phân tử êtylen, b. nối đôi gãy và mở về hai phía, c. mắt xích (me) hợp nhất thành polyêtylen. c. Cấu trúc phân tử của các polyme th!ờng gặp Trên hình 8.2. trình bày các me của năm polyme th!ờng gặp khác ngoài polyêtylen đ trình bày. Nếu cứ một trong bốn nguyên tử hyđrô của me trong PE - polyêtylen đ!ợc thay thế bởi nguyên tử Cl, gốc mêtyl CH 3 , gốc benzyl (mạch vòng) sẽ lần l!ợt đ!ợc PVC - polyvinyl clorit (hình a), PP - polyprôpylen (hình b), PS - polystyren (hìmh c). 307 307 H H H H H H H CH 3 C C C C C C C C H Cl H CH 3 H H C O CH 3 O a) PVC b) PP c) PS d) PMMA F F Hình 8.2. Cấu trúc phân tử (me) của các polyme có C C dáng dấp nh! PE: a. PVC (polyvinyl clorit), b. PP (polyprôpylen), c. PS (polystyren), d. PMMA F F (polymêtyn metacrylat) - thủy tinh hữu cơ, e. PTFE (polytetra fluoroêtylen). e) PTFE Nếu cứ hai trong bốn nguyên tử hyđrô trong PE đ!ợc thay thế bởi gốc metyl CH 3 và gốc C 2 H 3 O sẽ đ!ợc PMMA - polymetyl metacrylat còn gọi là thủy tinh hữu cơ hay plexiglass (hình d). Khi cả bốn nguyên tử hyđrô trong PE đ!ợc thay thế bằng bốn nguyên tử fluor sẽ đ!ợc PTFE - polytêtra fluoroetylen (hình e). Trên hình 8.3 trình bày các me của bốn polyme khác là bakêlit (phenol formaldehyte), nylon 6,6, PET (polyetylen terephthalate, a polyester) và polycacbonat. Hình 8.3. Cấu trúc phân tử (me) của: a. bakêlit, b. nylon 6,6, c. PET, d. polycacbonat d. Khối l!ợng phân tử Chúng ta đ khảo sát bản chất hóa học của me và mạch polyme, bây giờ hy xem các mạch đó dài bao nhiêu tức khối l!ợng phân tử của polyme lớn nh! 308 308 thế nào, vì đại l!ợng này có ảnh h!ởng nhất định đến các tính chất. Ng!ời ta nhận thấy rằng các phân tử polyme có khối l!ợng (chiều dài) hết sức khác nhau: một số phân tử t!ơng đối nhỏ (mạch ngắn), một số lớn (mạch dài), còn đa số là trung bình. Độ dài của mạch có ảnh h!ởng lớn đến các nhiệt độ chảy và biến mềm, các nhiệt độ này tăng lên theo sự tăng của khối l!ợng phân tử cũng tức là chiều dài mạch. Ví dụ polyme với khối l!ợng phân tử thấp (~ 100 g/mol ) ở nhiệt độ th!ờng tồn tại ở dạng lỏng hay khí, trung bình (~ 1000 g/mol ) ở dạng sáp hay cao su mềm, cao (từ > 10000 tới hàng triệu g/mol ) ở dạng chất rắn và đây mới là mục tiêu cần đạt tới. Song vấn đề ở đây không phải là giá trị khối l!ợng phân tử trung bình mà là sự phân bố khối l!ợng phân tử theo từng nhóm giá trị: sự phân bố đó càng rộng càng không tốt vì điều đó có nghĩa là có một tỷ lệ cao các phân tử với khối l!ợng thấp, ở trạng thái lỏng có tác dụng bôi trơn giữa các phân tử lớn làm cho vật liệu polyme trở nên mềm và dễ bị chảy khi chịu tải. Do vậy ng!ời ta cố gắng tạo nên polyme với khối l!ợng phân tử lớn và đồng đều đến mức có thể. 8.1.3. Cấu trúc mạch của polyme Trong mục này khảo sát sự sắp xếp t!ơng đối giữa các mạch trong khối vật liệu polyme. Tr!ớc tiên hy nói về hình dạng mạch. a. Hình dạng mạch Hình 8.4. Sơ đồ mạch cacbon trong mặt phẳng (a), trong không gian (b) và hình dạng mạch trong không gian với nhiều chỗ uốn, l!ợn, gập, vòng (c,d). Cách biểu thị cấu trúc phân tử hai chiều nh! biểu thị ở hình 8.1c chỉ có tính !ớc lệ vì thực tế góc liên kết đơn giữa hai nguyên tử cacbon không phải là 180 o nh! biểu thị bằng đ!ờng thẳng mà chỉ là 109 o (chính xác là 109 o ,5) nh! ở hình 8.4a với khoảng cách giữa các nguyên tử là 0,154 nm song không phải trong mặt phẳng nh! hình 8.4b mà là trong không gian nh! hình 8.4c và các vòng tròn ở đáy d) 309 309 các hình nón là biểu thị quỹ đạo của nguyên tử cacbon kế tiếp. Nh! vậy trong thực tế mạch polyme là đ!ờng gy khúc , dích dắc trong đó các liên kết đơn có thể quay và uốn trong không gian chứ không phải là đ!ờng gy khúc dích dắc trong mặt phẳng, càng không phải là đơn giản là đ!ờng thẳng, tuy nhiên theo quy !ớc vẫn sử dụng cách biểu thị đơn giản này. Trong thực tế khi mạch rất dài có thể có dạng hình dây rối với rất nhiều chỗ uốn, l!ợn, gập, vòng (hình 8.4d) do sự quay của các liên kết, nhờ vậy khoảng cách r giữa hai đầu mạch nhỏ hơn rất nhiều so với tổng chiều dài của mạch. Hình dạng mạch nh! vậy quyết định các tính chất quan trọng của polyme trong đó nổi bật là tính đàn hồi cao nh! của cao su: giống sợi dây bị chùng, khi có lực kéo nó đ!ợc căng dài ra, rồi lại trở về khi bỏ lực. Các tính chất cơ - nhiệt phụ thuộc vào khả năng quay của các đoạn mạch khi có ứng suất và nhiệt độ thay đổi. Độ đàn hồi phụ thuộc nhiều vào cấu trúc và bản chất các me. Trong các vùng có liên kết đôi hay có mạch vòng sự quay sẽ khó khăn hơn, nh! ở PS (hình 8.2c) với nhóm thế là vòng benzyl sẽ quay khó khăn hơn so với PE (hình 8.1c) tuy cả hai có cùng một kiểu mạch. b. Phân loại mạch Các tính chất vật lý của polyme không những chỉ phụ thuộc vào khối l!ợng và hình dạng phân tử mà cả vào sự khác nhau trong cấu trúc mạch phân tử polyme. Kỹ thuật tổng hợp polyme ngày nay cho phép điều chỉnh cấu trúc sản phẩm theo một số h!ớng. Về mặt cấu trúc mạch đ!ợc chia ra bốn loại: thẳng, nhánh, l!ới và không gian nh! biểu thị ở hình 8.5. Hình 8.5. Cấu trúc của polyme: a. mạch thẳng, b. mạch nhánh, c. mạch l!ới, d. mạch không gian (các nút tròn là các me). Polyme thẳng (linear polymer) Là loại polyme trong đó các me liên kết với nhau thành một mạch duy nhất. Những mạch này rất mềm dẻo, có thể hình dung nh! những sợi dài (hình 8.5a), nằm cùng chiều sát bên nhau nên có khối l!ợng riêng lớn hơn. Liên kết giữa các mạch thẳng là loại Van der Waals đóng vai trò quan trọng. Các polyme thông 310 310 dụng có cấu trúc mạch thẳng là PE, PVC, PS, PMMA, chúng th!ờng là nguyên liệu chính để chế tạo polyme với các kiểu mạch khác. Polyme nhánh (branched polymer) Là loại có những mạch ngắn hơn (gọi là mạch nhánh) nối vào mạch chính (hình 8.5b). Các mạch ngắn (nhánh) đ!ợc xem nh! một phần của phân tử, hình thành từ phản ứng phụ trong quá trình tổng hợp polyme. Vì v!ớng các mạch nhánh, các mạch chính không thể nằm sát bên nhau, do vậy có khối l!ợng riêng nhỏ hơn. Polyme l!ới (crosslinked polymer) Các mạch cạnh nhau trong polyme này đ!ợc nối với nhau bằng liên kết đồng hóa trị ở một số vị trí trên mạch, nên mạch có dạng l!ới (hình 8.5c). Thông th!ờng quá trình tạo mạch l!ới đ!ợc thực hiện bằng cách cho thêm các nguyên tử hoặc phân tử có thể tạo nên liên kết đồng hóa trị với mạch chính, nh! cao su có loại mạch này nhờ l!u hóa (mục 8.3.4b). Polyme mạch không gian (network polymer) Các me ba chức năng có ba liên kết đồng hóa trị hoạt, hình thành nên l!ới không gian ba chiều (hình 8.5d) thay thế cho khung mạch thẳng tạo nên bởi các me hai chức năng. Polyme gồm bởi các me ba chức năng đ!ợc gọi là polyme không gian. Các polyme có nối ngang ở dạng l!ới cao cũng đ!ợc liệt vào mạch không gian. Các polyme không gian có tính chất cơ, nhiệt đặc biệt, điển hình là nhựa êpoxy và bakêlit. Cần nhấn mạnh rằng thông th!ờng một polyme không chỉ có một loại cấu trúc. Ví dụ, polyme mạch thẳng có thể có một ít mạch nhánh và mạch l!ới. c. Hình thái cấu tạo (sự phân bố nhóm thế trên mạch) Nh! đ biết trong phân tử polyme, ngoài nguyên tử hyđrô ra còn có những nguyên tử khác (nh! F, Cl) và những nhóm nguyên tử (nh! CH 3 , C 6 H 5 ) liên kết với nguyên tử cacbon mà ng!ời ta gọi chung là nhóm thế R. Sự phân bố điều hòa và đối xứng của những nhóm này có ảnh h!ởng quan trọng đến tính chất. H H H H H H H H H H C C C C C C C C C C H R H R H R H R R H a) b) c) Hình 8.6. Me (a) và các dạng "đầu nối đuôi" (b), "đầu nối đầu " (c) Giả sử ta có me dạng ở hình 8.6a, R có thể có các cách sắp xếp sau. - " Đầu nối đuôi " nh! biểu thị ở hình 8.6b, hình thái này chiếm !u thế (th!ờng gặp). - " Đầu nối đầu " nh! biểu thị ở hình 8.6b, hình thái này ít gặp vì có sự đẩy của các cực khi các nhóm thế nằm cạnh nhau. Trong phân tử polyme tuy có cùng thành phần hóa học nh!ng sự sắp xếp nhóm thế khác nhau cũng tạo nên hiện t!ợng gọi là đồng phân. Đồng phân không gian là hiện t!ợng tuy cùng có cấu trúc (ví dụ đầu nối đuôi) nh!ng sự sắp xếp nhóm thế có thể khác nhau. Có thể có ba kiểu sắp xếp nh! biểu thị ở hình 8.7 311 311 H H H H H H H H H R H H C C C C C C C C C C C C H R H R H R H R H H H R a) b) H H H H H R Hình 8.7. Các dạng đồng phân không gian: C C C C C C a. R ở cùng một bên (izotactic), b. R ở cả hai bên(syndiotactic). H R H R H H c. R ngẫu nhiên (atactic) c) Khi tất cả các nhóm thế R đều nằm về cùng một bên của mạch nh! ở hình a, polyme đ!ợc gọi là izotactic. Khi các nhóm R nằm cách đều về cả hai bên của mạch polyme nh! ở hình b, polyme đ!ợc gọi là syndiotactic. Còn khi các nhóm R nằm hoàn toàn ngẫu nhiên nh! ở hình c, polyme đ!ợc gọi là atactic. Không thể dễ dàng chuyển đổi các dạng đồng phân không gian trên cho nhau bằng cách quay đơn giản các nhóm R. Thực tế sự định vị các nhóm thế R này nh! thế nào xảy ra khi tổng hợp, nh!ng bao giờ cũng tạo ra nhiều loại trong đó có một loại !u tiên. Đồng phân hình học chỉ xảy ra trong các me có liên kết đôi. Ví dụ me của izopren (cao su) có thể có hai cấu trúc tùy thuộc vào nhóm thế CH 3 và nguyên tử H nằm về một bên hay hai bên của mạch nh! ở hình 8.8. Tuy có cùng thành phần nh! cao su tự nhiên nh!ng do hình thái cấu tạo khác nên gutta percha có tính chất khác rõ rệt. Do có liên kết đôi rất cứng nên không thể chuyển đổi các dạng đồng phân hình học cho nhau bằng cách quay đơn giản. CH 3 H CH 3 CH 2 C = C C = C CH 2 CH 2 CH 2 H a) b) Hình 8.8. Các dạng đồng phân hình học của izopren: a. cấu trúc cis (cao su tự nhiên), b. cấu trúc trans (gutta percha). d. Polyme đồng trùng hợp (copolymer) Các polyme vừa trình bày đều là các polyme đồng thể (homopolymer), vì trong phân tử của nó chỉ gồm các me giống nhau. Các polyme đồng thể quá đơn giản về tính chất không đáp ứng hết đ!ợc các yêu cầu kỹ thuật vì thế các nhà hóa học đ tìm cách ghép các loại monome với nhau để tạo nên polyme đồng trùng hợp với tính chất đa dạng hơn nhiều. Giả sử có hai loại monome đ!ợc biểu diễn bằng o và (hình 8.9). Tùy thuộc vào quá trình trùng hợp và tỷ lệ giữa các loại monome, chúng có thể có các cách sắp xếp khác nhau trong mạch. Có thể thấy có bốn loại polyme đồng trùng hợp: - ngẫu nhiên (hình a), các monome phân bố không theo quy luật, - xen kẽ (hình b), các monome phân bố nối tiếp lẫn cho nhau, - khối (hình c), các monome thứ nhất phản ứng với nhau thành khối, liên 312 312 kết với khối của monome thứ hai, - ghép (hình d), mạch chính là một monome, còn các nhánh là thuộc monome khác. Hình 8.9. Sơ đồ mạch của các polyme đồng trùng hợp: a. ngẫu nhiên, b. xen kẽ, c. khối, d. ghép 8.1.4. Cấu trúc tinh thể của polyme Khác với kim loại th!ờng tồn tại ở trạng thái tinh thể, các polyme th!ờng tồn tại ở cả hai trạng thái tinh thể và vô định hình. a. Tinh thể polyme và tiểu cầu Khi tồn tại ở dạng tinh thể, trật tự sắp xếp của polyme không phải là của ion, nguyên tử, phân tử nh! ở các nhóm vật liệu khác mà là của mạch phân tử. Trong polyme tinh thể các mạch sẽ sắp xếp sao cho các nguyên tử ở trong một trật tự nhất định. Nh! mạng tinh thể của PE (polyêtylen) ở hình 8.10, trong đó cũng xác định đ!ợc ô cơ sở trực giao (các góc ở đỉnh đều bằng 90 o ) với a = 0,255 nm , b = 0,494 nm , c = 0,741 nm . Gần đây nhất, cách hình dung trạng thái tinh thể của polyme theo mô hình mạch gấp cho ta quan niệm chính xác hơn về cấu trúc này. Theo mô hình này các tinh thể polyme có hình dạng đều đặn, là tấm mỏng với chiều dày cỡ 10 nm và chiều dài cỡ 10 à m , đ!ợc tạo thành từ các mạch phân tử tự gấp đi gấp lại nhiều lần với các nếp gấp nằm ở trên bề mặt nh! biểu thị ở hình 8.11. Chiều dài trung bình của mạch rõ ràng là lớn hơn rất nhiều chiều dày của tấm. Một số các polyme kết tinh từ trạng thái nóng chảy tạo thành các tiểu cầu (spherulit); nh! tên gọi của nó, các tiểu cầu có dạng hình cầu. Có thể coi tiểu cầu 313 313 là các tấm (dày ~ 10 nm ) tinh thể mạch gấp và vô định hình đan xen nhau, h!ớng từ tâm ra ngoài. Phân cách giữa các tấm này là vùng vô định hình (hình 8.12) hay nói khác đi các tấm này đ!ợc liên kết với nhau bằng các mạch nối hoặc giằng qua các vùng vô định hình này. Vậy đối với polyme, tiểu cầu đ!ợc xem nh! là những hạt nh! trong kim loại và ceramic đa tinh thể (tuy nhiên tiểu cầu cũng không có cấu trúc tinh thể hoàn toàn vì nó gồm các tấm tinh thể và các khu vực vô định hình gồm các mạch nối chạy qua). PE, PP, PVC, nylon hình thành cấu trúc tiểu cầu khi chúng kết tinh từ trạng thái nóng chảy. Hình 8.10. Mạng tinh thể PE và ô cơ sở. Hình 8.11. Cấu trúc mạch gấp của tấm polyme tinh thể. Hình 8.12. Tổ chức của tiểu cầu gồm từ các tiểu tinh thể gấp khúc dạng tấm. [...]... và các polyme (như sợi polyamit thơm - Kelva làm tăng độ bền) Như vậy trong thực tế các vật liệu polyme thường là hỗn hợp của nhiều chất và tính chất của vật liệu khác nhiều với polyme ban đầu 8.3.4 Các loại vật liệu polyme và ứng dụng Các chất polyme đ nghiên cứu có ứng dụng rất rộng ri để chế tạo nên chất dẻo, elastome và các loại khác a Chất dẻo (plastics) Chất dẻo hay nhựa là loại vật liệu polyme. .. của polyme bị ảnh hưởng của mức độ kết tinh Polyme tinh thể bền hơn và nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn, có khối lượng riêng cao hơn so với polyme vô định hình Hình 8.13 Tổ chức của polyme 8.2 Tính chất cơ - lý - nhiệt của polyme 8.2.1 Quan hệ ứng suất - biến dạng Người ta cũng thử cơ tính của polyme như đối với kim loại Trên hình 8.14 trình bày các dạng biểu đồ kéo của các vật liệu polyme chính Đối với polyme. .. ứng dụng Theo cách này, polyme được chia thành chất dẻo, sợi, elastome, sơn và keo Sẽ trình các vật liệu polyme theo cách phân loại này Chúng ta bắt đầu nghiên cứu việc chế tạo gia công vật liệu polyme bằng khảo sát quá trình chế tạo các hợp chất polyme hay nguyên liệu ban đầu 8.3.2 Các phương pháp tổng hợp polyme Để có được các mạch dài (khối lượng phân tử cao) người ta dùng phương pháp tổng hợp các... polyamit b Theo cấu trúc Theo cấu trúc phân tử người ta phân biệt polyme mạch thẳng, polyme mạch nhánh, polyme mạch lưới và polyme mạch không gian (mục 8.1.3b) c Theo tính chịu nhiệt 320 321 Theo biến đổi cơ học khi tăng nhiệt độ ta có polyme nhiệt dẻo (thermoplastic polymer) và polyme nhiệt rắn (thermosetting polymer) Khi nung nóng polyme nhiệt dẻo giống như kim loại bị mềm ra rồi nóng chảy một cách... nhóm phụ (như hình thành HCl trong PVC) Chính do hóa già nên các vật liệu polyme có tuổi thọ hạn chế: tùy loại thường chỉ kéo dài từ vài tháng cho tới trên 10 năm 8.3 ứng dụng và gia công polyme 8.3.1 Phân loại a Theo nguồn gốc hình thành - Polyme thiên nhiên là loại có nguồn gốc thực vật hay động vật như xenlulô, cao su, prôtêin, enzym - Polyme tổng hợp là loại được sản xuất từ các loại monome bằng các... 65,6 110 150 130170 212 327 168175 255265 245265 - 1,11-1,40 2,41 28-90 3-6 - - Vật liệu PE khối lượng riêng thấp, 40-50% t.thể PE khối lượng riêng cao, 70-80% t.thể PVC vô định hình PTFE 50-70% t.thể PP 50-60% t.thể 315 , % Nhiệt độ, 0C 80 chảy 98-115 316 Điều quan trọng khác với các vật liệu đ học là cơ tính của vật liệu polyme rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ, ngay cả ở khoảng nhiệt độ thường... PMMA ở 4oC là vật liệu giòn, còn ở 50 ữ 60oC là vật liệu đàn hồi Tốc độ biến dạng cũng có ảnh hưởng đến cơ tính, theo quy luật chung giảm tốc độ biến dạng cũng có tác dụng tương tự như tăng nhiệt độ 8.2.2 Cơ chế biến dạng Như đ biết khi biến dạng trong kim loại xảy ra quá trình trượt, vậy trong polyme xảy ra quá trình gì ? Hy xét cơ chế biến dạng của polyme Hình 8.16 Mô hình biến dạng dẻo polyme bán tinh... mất Như vậy sau biến dạng, polyme bán tinh thể sẽ có cấu trúc định hướng cao, do đó đây cũng là biện pháp nâng cao độ bền của vật liệu này (cũng tương tự như hóa bền biến dạng cho kim loại) Biến dạng trước bằng kéo thường được dùng để nâng cao độ bền của vật liệu sợi Hình 8.17 ảnh hưởng của mức độ kết tinh và khối lượng phân tử đến các trạng thái vật lý của PE Do cấu trúc của polyme thay đổi trong phạm... lại kém dẻo 8.2.3 Nóng chảy và thủy tinh hóa Cũng giống như ceramic, vật liệu polyme cũng là loại bán tinh thể hay nói khác đi là với cấu trúc tinh thể và vô định hình biến đổi rất rộng Tùy thuộc vào tỷ lệ giữa chúng mà vật liệu polyme có đặc tính nóng chảy giống kim loại hay thủy tinh hay trung gian Trên hình 8.18 đường A là ứng với polyme hoàn toàn vô định hình (giống như thủy tinh nên dạng đường cong... phối liệu chính xác được đặt vào giữa hai nửa khuôn, khi đóng khuôn, nung và ép vật liệu nóng chảy và điền kín lòng khuôn + Đúc trao đổi là một dạng của đúc ép nhưng phối liệu được nung chảy bên ngoài khuôn rồi được phun vào hộp khuôn nên áp suất được phân bố đều hơn + Đúc phun (hình 8.20b) là phương pháp được dùng rộng ri nhất cho polyme nhiệt dẻo: lượng phối liệu chính xác được cung cấp từ phễu nạp liệu . 304 304 Ch!ơng 8 vật liệu polyme Vật liệu polyme là loại vật liệu có tốc độ phát triển rất nhanh trong những năm gần đây (sau đại chiến. trình các vật liệu polyme theo cách phân loại này. Chúng ta bắt đầu nghiên cứu việc chế tạo gia công vật liệu polyme bằng khảo sát quá trình chế tạo các hợp chất polyme hay nguyên liệu ban. tử) polyme, trên cơ sở đó giải thích các tính chất, công dụng cũng nh! cách chế tạo và tạo hình cho các loại vật liệu polyme. 8.1. Cấu trúc phân tử polyme Khác với các vật liệu