Đề tài polymer các QUY LUẬT BIẾN DẠNG của POLYMER

Giới thiệu chung • Khi có lực ngoài tác dụng vào vật thể và nó bị thay đổi hình dạng gọi là sự biến dạng.. Sự chảy của chất lỏng là trường hợp đặc biệt của sự biến dạng dư, tăng liên tục

Trường: ĐH Lạc Hồng

• Đề tài polymer:

CÁC QUY LUẬT BIẾN DẠNG CỦA POLYMER

GVHD: ths.Cao Văn Dư

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

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 có lực ngoài tác dụng vào vật thể và nó bị thay đổi

hình dạng gọi là sự biến dạng Biến dạng chia làm hai loại: biến dạng thuận nghịch và biến dạng không 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 không 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 có tính đàn hồi và dẻo khi polymer chịu tác dụng của ngoại lực thì chỉ có 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 môđun đàn hồi (E)

Môđun 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

lỏng vào khoảng cách y

Theo nhđịnh đluật Newton dùng cho chất lỏng nhớt lý

tưởng, tốc độ chảy của lớp chất lỏng bằng:

v =

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

 _ là hệ số ma sát nội

Giá trị  phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và bản chất

• Đặt giá trị v là sự khác nhau về tốc độ của các

lớp

y là khoảng cách giữa các lớp

• Vào phương trình Newton, sẽ được:

v = y hay =

• Dạng vi phân của phương trình ở giá trị v và y 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

Sự phụ thuộc gradien tốc độ vào  là tuyến tính với dộ nghiêng bằng 1/ 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.

chất lỏng Newton chất lỏng không Newton

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 û giá 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:

dy dv



dy dv

vì thế không thể thiết lập được giới hạn rõ

ràng giữa chất lỏng nhớt và vật thể chảy nhớt hay dẻo

Vật thể dẻo lý tưởng Vật thể dẻo không lý tưởng

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 thôi tác dụng lực

Cân bằng Không cân bằng

• Hiện tượng hồi phục là một quá trình chuyển từ trạng thái không 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 (có thể quan sát được) gọi là hồi phục

Vậy:

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

Ứng

suất

Biến dạng

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

biến dạng đàn h i cao cân bằngồi cao cân bằng Kí hiệu là:

•

• luơn l n h n b t k bi n d ng nào trong kho ng ớn hơn bất kỳ biến dạng nào trong khoảng ơn bất kỳ biến dạng nào trong khoảng ất kỳ biến dạng nào trong khoảng ỳ biến dạng nào trong khoảng ến dạng nào trong khoảng ạng nào trong khoảng ảng

th i gian bi n d ng ( ời gian biến dạng ( ến dạng nào trong khoảng ạng nào trong khoảng )

• 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

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

Nếu vận tốc tác dụng lực càng nhanh thì ứng suất để gây

ra cùng một độ biến dạng sẽ càng lớn

* Quá trình hồi phục & cấu trúc Polymer:

• Trong một Polymer có nhiều dạng cấu trúc trên phân tử

khác nhau và độ linh động của các cấu trúc này cũng khác nhau Do đó trong một mẫu Polymer sẽ tồn 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

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





1 2 3

du



Đặc Điểm của hiện Đ ểm của hiện c i m c a hi n ủa hiện ện

t ượng hồi phục - trễ: ng h i ph c - trễ: ồi phục - trễ: ục - 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

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

Nhiệt độ:

l l l

  

Độ giãn dài tương đối:

0

.

• 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

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