Đề tài hiện tượng trễ xảy ra trong polymer

MỤC LỤC Đề tài 8: Hiện tượng trễ xảy ra trong polymer. I. Hiện tượng hồi phục của polymer. 1.1. Khái niệm. Một polymer ở trạng thái cân bằng, nếu ta tác dụng lên một ngoại lực nào đó thì các phân tử trong mạch có sự thay đổi, khi đó các mạch phâ tử sẽ có sự sắp xếp lại trật tự để đạt được sự ổn định. Tuy là sự biến đổi này làm mất cân bằng, nhưng không làm biến dang tức thời mạch polymer đó, nghĩa là các phân tử chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác. Nếu sự chuyển này xảy ra thật nhanh thì hệ luôn ở trang thái cân bằng, khi đó các phân tử trong hệ có sự sắp xếp trật tự lại để đạt được một ổn định mới( cân bằng bền khác với cân bằng trước). Cân bằng không cân bằng 1 Hiên tượng mẫu polymer chuyển từ cân bằng cũ đến cân bằng mới gọi là hiện tượng hồi phục . Vậy quá trình hồi phục là quá trình biến đổi theo thời gian của polymer từ trạng thái không cân bằng đén trạng thái cân bằng. Thời gian cần thiết để lập lại một cân bằng mới gọi là thời gian hồi phục. 1.2. Các dạng hồi phục. 1.2.1. Hồi phục biến dạng. Khi tác dụng lên mẫu một ứng suất không đổi (ví dụ ứng suất kéo) và nhỏ hơn nhiều so với ứng suất phá hủy mẫu Polymer, nếu không gây ra sự chảy thì mẫu sẽ từ từ dài ra đến một lúc nào đó sẽ không dài them được nữa. , ,dh dh t ε ε ∞ > ,dh ε ∞ Độ biến dạng trên một đơn vị chiều dài (biến dạng tương đối) không đổi theo thời gian được gọi là biến dạng mềm cao cân bằng, ký hiệu là: luôn lớn hơn bất kỳ biến dạng nào trong khoảng thời gian biến dạng ( ) . Quá trình hồi phục xảy ra khi mẫu polymer chưa đạt được biến dạng cân bằng mềm cao gọi là hồi phục biến dạng. Hồi phục biến dạng còn xảy ra sau khi ngừng tác dụng của ngoại lực, nghĩa là khi mẫu polymer trở về hình dạng ban đầu của nó. Biến dạng mềm cao không chỉ phụ thuộc vào giá trị lực tác dụng, mà còn phụ thuộc thời gian lực tác dụng.  Lực tác dụng : - Lực giảm thì thời gian biến dạng tăng. - lực tăng thì thời gian biến dạng giảm.  Thời gian tác dụng lực : -Đối với polymer mạch thẳng: thời gian tác dụng lực tăng độ biến dạng tăng, tốc độ biến dạng đạt giá trị không đổi(1). - Đối với polymer không gian: thời gian tăng thì độ biến dạng tăng và đạt tới giá trị không đổi(2). 2 Khỏng cách b là độ dãn dài tương đối, nếu lực tác dụng càng lớn, mạng lưới không gian càng thưa thì b càng lớn. 1.2.2. Hồi phục ứng suất. Quá trình giảm ứng suất theo thời gian để biến dạng không đổi, đạt trạng thái cân bằng gọi là quá trình hồi phục ứng suất. 3 Nếu kéo giãn thật nhanh một mẫu polymer với ứng suất và giữ nó ở trạng thái biến dạng trong một thời gian,khi đó mẫu bị biến dạng một đại lượng ε. Khi kéo nhanh như vậy,các mạch phân tử không kịp duỗi thẳng và chuyển động tương đối với nhau. Chỉ sau một thời gian nào đó,các phân tử mới đủ thời gian để sắp xếp lại trạng thái cân bằng hơn thì ứng suất mới để giữ độ dài như cũ sẽ giảm. 1.2.3. Đàn hồi sau tác dụng. Là hiện tượng hồi phục biến dạng khi giải phóng polymer khỏi lực tác dụng 4 Nếu bất ngờ giải phóng lực ra khỏi mẫu polymer thì sự sắp xếp phân tử trước kia là cân bằng khi có ngoại lực, bây giờ trở nên không cân bằng nữa. Các phân tử sắp xếp lại để có cân bằng mới,nghĩa là bắt đầu có hiện tượng hồi phục. Đối với polymer mạch thẳng,trong quá trình biến dạng,các phân tử trượng lên nhau một khoảng nào đó,sau khi giải phóng lực tác dụng,chuyển động nhiệt không thể làm cho các phân tử hồi phục lại vị trí ban đầu(1). Đối với polymer mạch không gian,do mạng lưới không gian nối liền các phân tử thành một khối, nên khi biến dạng các phân tử không thể trượt lên nhau ,độ giãn dài là do các phần mạch thẳng của mạng lưới không gian duỗi ra(2). II. Hiện tượng trễ trong polymer. 2.1. Khái niệm. Vòng trễ: Đối với một mẫu Polime, tốc độ phục hồi bao giờ cũng bé hơn tốc độ biến dạng, do đó gây ra hiện tượng trễ của sự phục hồi. Quá trình biến dạng phục hồi tạo nên vòng trễ. 5 Vòng trễ => năng lượng dư => làm biến dạng hoặc phá hủy vật liệu polime => giảm tạo vòng trễ trong gia công Nếu tác dụng lên mẫu Polymer một lực và lực này tăng từ từ sao cho tại mỗi thời điểm trong mẫu Polymer luôn có sự cân bằng. Đường tải trọng trong trường hợp này là đường 1. Thực tế thời gian tác dụng lực không đủ để cho mẫu Polymer đạt được trạng thái cb nên biến dạng này phải nhỏ hơn biến dạng trong trường hợp mẫu đạt trạng thái cb. Đường cong tải trọng trong trường hợp này là đường cong 2. Khi tháo tải trọng: Nếu thời gian tháo chậm đủ để mẩu đạt cb thì đường tháo tải trùng với đường 1. Thực tế thời gian tháo tải không đủ chậm để mẫu đạt cb nên biến dạng của mẩu tại mỗi thời điểm luôn lớn hơn biến dạng cb. Đường cong tháo tải trong trường hợp này là đường 3. Còn lại một đại lượng gọi là biến dạng dư ε1. Biến dang dư là do quá trình chảy của các mạch phân tử bao gồm: - Biến dạng dư thật - Biến dạng dư biểu kiến 2.2. Bản chất hiện tượng trễ. Sự lệch nhau về độ biến dạng thuận và nghịch, sự biến dạng chậm hơn sự thay đổi ứng suất, Khi tăng ứng suất,sự biến dạng trong suốt thời gian kém cân bằng hơn,chưa kịp thiết lập cân bằng do thời gian hồi phục nhỏ.khi giảm tác dụng lực,biến dạng sẽ cân bằng 6 hơn. Sự xuất hiện cửa vòng trễ không chỉ do các mạch phân tử chuyển dịch không thuận nghịch với nhau mà có thể do đặc trưng hồi phục của mạch phân tử ở trạng thái mềm cao. Khi σ = 0 trong mẩu vẫn còn biến dạng dư. Nếu sự chảy nhớt lớn không kịp xảy ra trong thời gian hình thành vòng thì sự biến dạng dư từ từ mất đi, kích thước và hình dạng ban đầu được hồi phục. • Nếu có xảy ra hiện tượng trượt tương đối giữa các mạch phân tử với nhau trong quá trình tác dụng lực thì biến dạng dư không mất đi => biến dạng dư thật • Nếu không có sự trượt giữa các mạch phân tử thì biến dạng dư sẽ dần dần mất đi => biến dạng dư biểu kiến. Nếu có đủ thời gian để hồi phục,đường (1) và (2) sẽ trùng nhau, vòng trễ không xuất hiện III.Các yếu tố ảnh hưởng tới hiện tượng trễ. 3.1.Tốc độ tác dụng lực. Khi vận tốc tác dụng lực và vận tốc tháo lực bé (tác dụng chậm) thì đại lượng biến dạng tăng, do đó vòng trễ bé,các phân tử của polymer có đủ thời gian để thực hiện quá trình hồi phục (a). 7 Khi vận tốc tác dụng lực và vận tốc tháo lực càng lớn(tác dụng nhanh) thì đại lượng biến dạng càng bé do đó vòng trễ cũng bé. Các phân tử polymer không có đủ thời gian để thực hiên biến dạng cùng ngoại lực, độ giãn dài không lớn(c). Khi vận tốc tác dụng lực và vận tốc tháo lực trung gian,đại lượng biến dạng là trung gian giữa hai đường trên(b). 3.2. Nhiệt độ. Nếu nhiệt độ cao thì biến dạng xảy ra nhanh hơn,khi nhiệt độ khá cao thì biến dạng không chậm trễ so với sự thay đổi lực tác dụng,vòng trễ sẽ bé. Khi giảm nhiệt độ biến dạng không kịp phát triển trong thời gian tác dụng lực, diện tích vòng trễ cũng bé. Vì vậy cho nên chỉ ở các nhiệt độ trung gian khi biến dạng của mẫu xảy ra với một tốc độ rõ rệt nhưng chậm hơn so với sự thay đổi lực tác dụng thì diện vòng trễ mới đạt cực đại. IV. Ý nghĩa vòng trễ Diện tích vòng trễ được tính theo công thức: 2 1 2 1 2 0 S d d ε ε ε σ ε σ ε = + ∫ ∫ Trong đó σ 1 , σ 2 là ứng suất tác dụng khi tăng và giảm Độ giãn dài tương đối l chiều dài sau khi biến dạng lo chiều dài của mẫu ban đầu 8 0 . . F dl F dl d A l V σ ε = = Công tiêu tốn (hay hồi phục) khi mẫu giãn ra (hay co lại) một đoạn dl: 0 . . F dl F dl d A l V σ ε = = V: thể tích mẫu. A: tiết diện ngang của mẫu. Tích phân thứ nhất: công tiêu tốn của quá trình kéo căng mẫu (bằng ngoại lực tính cho một đơn vị thể tích mẫu co lại). Tích phân thứ hai: công hồi phục khi mẫu co, trường hợp này công có giá trị âm do khi mẫu co lại sẽ sản sinh ra công. Hiện tượng trễ cũng như bất kỳ một quá trình hồi phục cơ học nào đều kèm theo sự mất mát năng lượng cơ học và năng lượng đó biến thành nhiệt làm mẫu nóng lên Tổng hai tích phân trên (diện tích vòng trễ) cho ta hiệu số năng lượng tiêu hao và hồi phục. Diện tích vòng trễ càng lớn thì năng lượng còn lại trong mẫu biến dạng càng lớn. Năng lượng dư không hồi phục này chỉ có thể biến thành nhiệt. Lượng nhiệt này có thể là một trong những nguyên nhân gây lão hoá trong quá trình sử dụng Polymer. 9 V.Kết Luận Trong một polymer có nhiều loại cấu trúc trên phân tử khác nhau và độ linh động của các cấu trúc này cũng khác nhau nên trong một polymer thường tồn tại nhiều quá trình hồi phục khác nhau xảy ra cùng một lúc với thời gian hồi phục khác nhau . Hiện tượng trễ là đặc điểm của hiện tương hồi phục do sự lệch nhau về độ biến dạng thuận và nghịch khi tăng hay giảm ứng suất tác dụng lên chính polymer. Hiện tượng trễ cũng như bất kỳ một quá trình hồi phục cơ học nào đều kèm theo sự mất mát năng lượng cơ học và năng lượng đó biến thành nhiệt làm mẫu nóng lên 10 [...].. .Tài liệu tham khảo 1 Hóa lý polymer, bộ môn hóa học cao phân tử ĐH Bách Khoa Hà Nội 2 Thái Doãn Tĩnh,cơ sở hóa học các hợp chất cao phân tử, nhà xuất bản khoa hoc kỹ thuật 2005 3 Bài tiểu luận MAI THỊ THANH LAN,trường ĐH Công Nghiệp Hồ Chí Minh 4 Bài giảng Hóa Lý Polymer, GV Nguyễn Cừu Khoa, GV Cao Văn Dư Trường ĐH Lạc Hồng 11 . MỤC LỤC Đề tài 8: Hiện tượng trễ xảy ra trong polymer. I. Hiện tượng hồi phục của polymer. 1.1. Khái niệm. Một polymer ở trạng thái cân bằng, nếu ta tác dụng. gian duỗi ra( 2). II. Hiện tượng trễ trong polymer. 2.1. Khái niệm. Vòng trễ: Đối với một mẫu Polime, tốc độ phục hồi bao giờ cũng bé hơn tốc độ biến dạng, do đó gây ra hiện tượng trễ của sự. cũng khác nhau nên trong một polymer thường tồn tại nhiều quá trình hồi phục khác nhau xảy ra cùng một lúc với thời gian hồi phục khác nhau . Hiện tượng trễ là đặc điểm của hiện tương hồi phục