Đề tài polymer các QUY LUẬT BIẾN DẠNG của POLYMER

SỰ BIẾN DẠNG DẺO VÀ CHẢY NHỚT Sự chảy của chất lỏng là trường hợp đặc biệt của sự biến dạng dư, tăng liên tục khi tác dụng một ứng suất tiếp tuyến không đổi ở polymer, thường quan sát đ

Trường: ĐH Lạc Hồng Khoa: CN HÓA – TP

Đề tài polymer:

CÁC QUY LUẬT BIẾN DẠNG CỦA POLYMER

GVHD: ths.Cao Văn Dư

Thành Viên Nhóm

1 Hoàng Viết Hùng

2 Trương Thị Mỹ Hoài

3 Nguyễn Thị Hoài

4 Nguyễn Kiều Minh Khôi

Mục Lục

I: Tổng quan về polymer

II: Biến dạng polymer

1 Giới thiệu chung

2 Biến dạng dẻo và chảy nhớt

3 Biến dạng đàn hồi cao

III: Sự hồi phục

1 Hiện tượng hồi phục

2.Các dạng hồi phục

3 Hiện tượng trễ

IV: kết luận

I:Tổng quan về polymer

• Polymer là gì: Là những chất mà phân tử của chúng gồm những nhóm nguyên tử được nối với nhau bằng những liên kết hóa học tạo thành những mạch dài và có khối lượng phân tử lớn Trong mạch chính của polymer những nhóm nguyên tử này được lặp đi lặp lại và gọi là các mắt xích Các phân tử tương tự nhưng có khối lượng thấp hơn được gọi là các oligome

• Polymer được sử dụng phổ biến trong thực tế với tên gọi là Nhựa, nhưng polymer

bao gồm 2 lớp chính là polymer thiên nhiên và polymer nhân tạo Các polymer hữu cơ như protein (ví dụ như tóc, da, và một phần của xương) và axít nucleic

đóng vai trò chủ yếu trong quá trình tổng hợp polymer hữu cơ Có rất nhiều dạng polyme thiên nhiên tồn tại chẳng hạn xenlulo (thành phần chính của gỗ và giấy)

II: Biến dạng polymer

1 Giới thiệu chung

• Khi cĩ lực ngồi tác dụng vào vật thể và nĩ bị thay đổi hình dạng gọi là sự biến dạng Biến dạng chia làm hai loại: biến dạng thuận nghịch và biến dạng khơng thuận nghịch

• Biến dạng thuận nghịch: xảy ra ở những phân tử polymer đã biến dạng và sẽ hồi phục lại sau khi ngừng lực tác dụng của ngoại lực Những polymer loại này là những polymer đàn hồi và gọi là biến dạng đàn hồi

• Biến dạng khơng thuận nghịch: xảy ra ở những polymer bị biến dạng vẫn giữ nguyên hình dạng đã biến dang sau khi ngừng tác dụng của ngoại lực Những polymer này là chất dẻo và sự biến dạng này gọi là sự biến dạng dẻo

• Polymer là vật thể cĩ tính đàn hồi và dẻo khi polymer chịu tác dụng của ngoại lực thì chỉ cĩ một phần đàn hồi trở về trạng thái ban đầu và một phần bị biến dạng

• Để đặc trưng cho sự đàn hồi Người ta dùng mơđun đàn hồi (E)

Mơđun đàn hồi: là hằng số đặc trưng cho độ bền của vật liệu (ứng)

σ : ứng suất ( kG/cm2 hoặc MP/cm2 )

F : lực tác dụng ( N )

A : tiết diện

• Bản chất của sự đàn hồi của polymer là duỗi thẳng những đoạn mạch gấp khúc và

sẽ trở lại trạng thái ban đầu khi ngừng tác dụng lực

2 SỰ BIẾN DẠNG DẺO VÀ CHẢY NHỚT

Sự chảy của chất lỏng là trường hợp đặc biệt của sự biến dạng dư, tăng liên tục khi tác dụng một ứng suất tiếp tuyến không đổi ở polymer, thường quan sát được sự biến dạng này ở trạng thái chảy lớp mỏng, trong đó chất lỏng chuyển chỗ theo hướng song song của hai chất lỏng không trộn lẫn vào nhau

Chẳng hạn, khi cho chất lỏng chảy qua một lỗ nhỏ hay một ống mỏng, các lớp chất lỏng chảy với tốc độ khác nhau, trong lớp chất lỏng trực tiếp tiếp xúc với thành bình hay miệng lỗ nhỏ sẽ không linh động bằng các lớp chất lỏng ở xa hơn

Sự phụ thuộc tốc độ lớp chất lỏng vào khoảng cách y

Theo định luật Neuton dùng cho chất lỏng nhớt lý tưởng, tốc độ chảy của lớp chất lỏng bằng:

v = y

Với: F_ là giá trị lực tiếp tuyến tác dụng vào lớp chất lỏng chuyển động

y _ là khoảng cách từ lớp chất lỏng đứng yên

A _ là bề mặt tiếp xúc của lớp

h _ là hệ số ma sát nội

Giá trị h phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và bản chất chất lỏng.

• Đặt giá trị Dv là sự khác nhau về tốc độ của các lớp

Dy là khoảng cách giữa các lớp

• Vào phương trình Newton, sẽ được:

Dv = Dy hay =

• Dạng vi phân của phương trình ở giá trị Dv và Dy nhỏ vô hạn sẽ là:

=

• dv/ dy là gradien tốc độ, về bản chất là tốc độ biến dạng của chất lỏng, nó tỷ lệ thuận với ứng suất trượt và tỷ lệ nghịch với độ nhớt của chất lỏng

Sự phụ thuộc gradien tốc độ vào ứng suất

chất lỏng Newton chất lỏng không Newton

A

F

h

1

h

tr

y

v

D

D

h

tr

h

tr

y

v

D D

Sự phụ thuộc gradien tốc độ vào  là tuyến tính với dộ nghiêng bằng 1/h cho thấy sự chảy bắt đầu với giá trị ứng suất nhỏ Sự thiết lập cân bằng của sự chảy của chất lỏng Newton phụ thuộc vào tốc độ chảy và ứng suất, còn chất lỏng không

Newton phụ thuộc vào ứng suất và độ biến dạng

Đối với vật thể dẻo hay đàn hồi nhớt có khả năng chảy giống như chất lỏng, nhưng sự chảy chỉ bắt đầu sau khi đạt được một ứng suất trượt giới hạn f nào đó Ởû giá trị thấp hơn giá trị f, quan sát được giữa độ biến dạng và ứng suất đặc trưng cho chất đàn hồi Đối với vật thể dẻo lý tưởng, sự phụ thuộc gradien tốc độ vào ứng suất biểu thị vào phương trình:

= (tr – f )

Đối với đa số chất dẻo sự phụ thuộc này giống như chất lỏng không Newton:

Sự phụ thuộc gradien tốc độđvào ứng suất đối với chất dẻo

Vật thể dẻo lý tưởng Vật thể dẻo không lý tưởng

Giá trị f càng nhỏ, vật thể càng dẻo hay càng mềm Ngược lại, giá trị f càng lớn vật thể càng dẻo càng giống vật thể rắn thường Giá trị thực nghiệm f dao động trong giới han rộng vì thế không thể thiết lập được giới hạn rõ ràng giữa chất lỏng nhớt và vật thể chảy nhớt hay dẻo

dy

dv

h

1

dy

dv



dy dv



n>1

3 SỰ BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI CAO

Xét sự thay đổi ứng suất khi kéo giãn mẫu polymer giống cao su

 Ở vùng I độ biến dạng của vật liệu nhỏ tương ứng với ứng suất nhỏ, sự biến

dạng ở giai đoạn này tuân theo định luật Hook

 Ở vùng II, sự biến dạng lớn lại tương ứng với sự thay đổi ứng suất nhỏ, sự

biến dạng ở đây gọi là sự biến dạng đàn hồi cao

 Ở vùng III, sự thay đổi độ biến dạng nhỏ lai tương ứng với sự thay đổi ứng

suất lớn, có nghĩa là tương ứng với sự thay đổi cấu trúc của vật liệu

Đặc điểm:

Biến dạng rất lớn chỉ với một ứng suất nhỏ.

- Khi biến dạng vật thể không làm thay đổi thể tích, có nghĩa là khoảng cách trung bình giữa các phân tử không thay đổi, độ lớn nội năng không thay đổi

- Cần có thời gian để phát triển

- Chỉ xuất hiện trong một khoảng nhiệt độ nhất định, gọi là khoảng nhiệt độ mềm cao

Nguyên nhân

Ơû trạng thái cân bằng, mạch uốn dẻo ở dạng gấp khúc Nếu có lực tác dụng, mạch duỗi ra, sự chuyển động của các mắt xích sẽ chống lại lực tác dụng bên ngoài Song lực này không lớn nên khi có ứng suất không lớn, mạch duỗi ra, nghĩa là thay đổi cấu dạng nên có thể kéo dài mẫu rất lớn Nếu khi cất lực tác dụng, mạch hồi phục lại chiều dài ban đầu, gấp khúc trở lại, do đó sự biến dạng đàn hồi cao mang tính chất thuận nghịch

III:Sự hồi phục

1 Hiện tượng hồi phục

• Hiện tượng hồi phục là 1 đặc tính quan trọng của sự BDĐHC

• BDĐHC: Là biến dạng lớn tương ứng với ứng suất nhỏ, bản chất là sự duỗi

thẳng các mạch dài gấp khúc dưới tác dụng ngoại lực và sẽ trở về trạng thái ban

đầu sau khi thơi tác dụng lực

Cân bằng Khơng cân bằng

• Hiện tượng hồi phục là một quá trình chuyển từ trạng thái khơng cân bằng về

trạng thái cân bằng theo thời gian

• Khi tác dụng một lực làm cho vật thể biến dạng và khi ngừng tác dụng vật thể từ

từ trở về trạng thái ban đầu (cĩ thể quan sát được) gọi là hồi phục

Vậy:

HTHP là quá trình biến đổi theo thời gian của Polymer từ trạng thái

khơng cân bằng đến trạng thái cân bằng

2 Các dạng hồi phục:

*.Hồi phục biến dạng :

Giả sử tác dụng lên mẫu một ứng suất không thay đổi (lực kéo) và nhỏ hơn

nhiều so với ứng suất phá hủy thì mẫu đó sẽ dài từ từ ra đến một lúc nào đó thì không

dài thêm được nữa

• • Độ biến dạng trên một đơn vị chiều dài (biến dạng tương đối) không đổi theo thời gian được gọi là biến dạng

đàn hồi cao cân bằng Kí hiệu là:

,

dh

,

dh

 

luơn lớn hơn bất kỳ biến dạng nào trong khoảng thời gian biến

dạng ( )

• Khi chưa đạt đến biến dạng mềm cao cân bằng thì mẫu polymer có hiện

tượng hồi phục gọi là hồi phục biến dạng

* Hồi phục ứng suất :

Giả sử tác dụng lên mẫu polymer một ứng suất làm cho mẫu bị biến

dạng .Muốn biến dạng không đổi thì giảm ứng suất tác dụng theo thời gian

Hồi phục ứng suất:

Nếu giữ chặt được mẫu đã biến dạng ở ứng suất  sau thời gian t nào đó, độ

biến dạng ở thời gian t ( đh,t < đh, ) và ứng suất tương ứng t <  , vì thế khi giữ

mẫu đã biến dạng, ứng suất giảm khi đạt cân bằng từ  đến t quá trình giảm ứng

suất đến giá trị cân bằng goiï là sự hồi phục ứng suất

Nếu vận tốc tác dụng lực càng nhanh thì ứng suất để gây ra cùng một độ biến dạng sẽ càng

lớn

Nguyên nhân: là do khi kéo nhanh các mạch phân tử không kịp duỗi thẳng ra

và chuyển động tương đối với nhau dưới tác dụng của ngoại lực Sau một thời gian

nào đó, các phân tử mới có đủ thời gian để sắp xếp lại thành trạng thái ổn định hơn

( cân bằng) thì ứng suất mới để giữ biến dạng như cũ sẽ giảm đi

* Quá trình hồi phục & cấu trúc Polymer:

• Trong một Polymer cĩ nhiều dạng cấu trúc trên phân tử khác nhau và độ linh

động của các cấu trúc này cũng khác nhau Do đĩ trong một mẫu Polymer sẽ tồn

 

1



1



1



tại nhiều quá trình hồi phục khác nhau xảy ra cùng một lúc với thời gian hồi phục khác nhau Do thời gian hồi phục của Polymer lớn nên thực tế Polymer không nằm trong trạng thái cb

• Chính điều này gây ra sự biến đổi tính chất của Polymer theo thời gian theo xu hướng trở về trạng thái cân bằng

Vì vậy trong quá trình gia công Polymer phải chú ý đến đặc trưng hồi phục này để tránh các hiện tượng nứt, vỡ, kích thước không phù hợp

3 Hiện tượng trể:

Khái niệm:

• Hiện tượng trể là một quá trình không hồi phục hoàn toàn của vật thể khi chịu tác động của cùng một ứng suất khi tăng và giảm ứng suất tác động lên mẫu

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 TH này là đường 1

Đặc Điểm của hiện tượng hồi phục - trễ:

Khi tăng dần ứng suất lên mẫu, sự phụ thuộc biến dạng theo ứng suất biểu diển ở đường cong số 1 khi cất dần lực thì phụ thuộc biến dạng theo ứng suất

Biểu diễn ở đường cong số 2 Hai đường biến dạng không trùng nhau gọi là vòng trễ

Thực nghiệm cho thấy ở cùng một ứng suất, độ lớn biến dạng tăng khi có ứng suất nhỏ hơn độ lớn biến dạng khi giảm ứng suất và sau khi cất lực hoàn toàn độ biến dạng không về vị trí cũ ban đầu, mẫu không về trạng thái ban đầu gọi là biến dạng dư

Các yếu tố ảnh hưởng tới hiện tượng trễ:

Tốc độ tác dụng lực: Trong những hệ, nếu bỏ qua sự chảy nhớt thì mức độ dư,

hình dạng và diện tích vòng trễ phụ thuộc vào tỷ lệ tốc độ đặt lực và tốc độ biến dạng

- Tốc độ đặt và cất lực càng chậm hơn so với tốc độ biến dạng thì hai giá trị

’ và ” sẽ càng gần nhau

- Nếu tăng và giảm lực nhanh, khi thời gian cho sự phát triển đàn hồi nhỏ, giá trị biến dạng nhỏ, polymer có thể xem như vật liệu cứng

Như vậy: khi tốc độ thay đổi ứng suất lớn cũng như nhỏ, các nhánh đường cong

trễ tương đối ở gần nhau, diện tích vòng không lớn

Nhiệt độ:

Khi tăng nhiệt độ, sự phát triển biến dạng được xúc tiến và rút ngắn biến dạng

dư, tác dụng của sự tăng nhiệt độ tương tự như sự giảm tốc độ thay đổi ứng suất Khi giảm nhiệt độ, độ biến dạng chưa kịp phát triển, tác dụng tương tự như khi có tốc độ cao

Ý nghĩa của vòng trễ:

Diện tích vòng trễ :

Trong đó: ứng suất khi tăng và giảm

Độ giãn dài tương đối:

Trong đó:

chiều dài sau khi biến dạng

chiều dài ban đầu của mẫu

Công tiêu tốn (hay hồi phục) khi mẫu giãn ra (hay co lại) một đoạn dl:

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, TH này công có giá trị âm do khi mẫu co lại sẽ sản sinh ra công

• 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

2 1

2

0



1, 2

 

0 0

l l l

  

l

0

l

0

d

 2





1



• Lượng nhiệt này có thể là một trong những nguyên nhân gây lão hoá trong quá trình sử dụng Polymer

IV: Kết luận

• Polymer la giải pháp công nghệ và vật liệu sống còn của thế giới trong tương lai,Nó chiếm 1 phần rất lớn trong tất cả các loại vật liệu.nắm bắt cải tiến polymer

là giải pháp cho nền công nghiệp hiện đại mới.Những lợi ích của polymer là vô cùng to lớn

Tài liệu tham khảo

• HH- HL polyme NXB ĐHQG TPHCM tác giả Phan Thanh Bình

• Bài giảng môn hh và hl polyme của thầy Cao Văn Dư