Đề tài độ bền cơ học của polymer

HÓA HỌC HÓA LÝ POLYMER ĐỀ TÀI ĐỘ BỀN CƠ HỌC CỦA POLYMER GVHD: Ths. Cao Văn Dư Nhm SVTH Lớp 08ch111: Đặng Đức Thiện Phạm Văn Trình Nguyễn Thị Thu V Xuân Trung Nguyễn Anh Tuấn 1 Mục Lục 2 ĐỘ BỀN CƠ HỌC CỦA POLYMER I.CÁC KHÁI NIỆM Độ bền là khả năng của vật chất chống lại sự phá huỷ của lực cơ học, được đặc trưng bởi ứng suất tại đó mẫu bị phá hủy và gọi là ứng suất phá huỷ hay ứng suất kéo . Đơn vị là Kg/cm 2 hoặc Kg/mm 2 Độ bền giới hạn ứng với ứng suất tại đó mẫu bị phá hủy σ max . Như vậy có thể coi σ max là giá trị lý thuyết σ lt của độ bền cơ học : σ max =σ=bD/2 D: năng lượng phân ly của liên kết b: hằng số đối với liên kết đã cho Đối với polymer độ bền cơ học chỉ xuất hiện tại một giá trị trọng lượng phân tử xác định nào đó.Khi tăng độ trùng hợp thì lúc đầu độ bền tăng và sau đó đạt giá trị không đổi tại n ~ 600 Sự phá huỷ không xảy ra khi ứng suất tác dụng nhỏ hơn ứng suất giới hạn.Nhưng trên thực tế tất cả các vật liệu bị phá huỷ nếu tác dụng lên mẫu một ứng suất nhỏ hơn giá trị giới hạn nhưng với thời gian kéo dài. 3 Vậy độ bền phụ thuộc vào thời gian tác dụng Sự phụ thuộc của độ bền vào thời gian dưới tác dụng của tải trọng tĩnh gọi là sự mỏi tĩnh , dưới tác dụng của tải trọng động gọi là sự mỏi động.Cả hai khái niệm này được gọi chung là độ bền lâu hay tuổi thọ của polymer , kí hiệu là τ Khoảng thời gian từ lúc bắt đầu tác dụng lực đến khi mẫu bị phá hủy gọi là độ bền lâu của vật liệu. Độ bền lâu phụ thuộc vào ứng suất tác dụng theo công thức: τ độ bền lâu σ là ứng suất A và α là hằng số phụ thuộc vào bản chất vật liệu Sự phụ thuộc của vào nhiệt độ và ứng suất như sau: Suy ra Sự phụ thuộc này được biểu diễn bằng đồ thị sau (các đường thẳng này cắt nhau tại một điểm ) Sự phụ thuộc tuổi thọ của polystyren vào ứng suất ở các nhiệt độ khác nhau 4 . .Ae ασ τ − = . . o o e e γσ τ τ τ ∆ = = U U o - KT KT log log o τ τ ∆ = + U 2,303KT U 0 :Thềm hoạt hóa ban đầu(được xác định khi các liên kết trong mạch chính bắt đầu biến dạng).Giá trị này bằng năng lượng liên kết hóa học trong mạch chính (đv:Kcal/mol), nó không phụ thuộc vào cấu trúc của polymer. γ:là hệ số xác định tính bền của vật thể rắn. Nói lên ảnh hưởng của mức độ kéo căng lên thời gian sống của polymer.Mức độ ảnh hưởng này rất nhạy với cấu trúc của polymer và được gọi là hệ số nhảy cảm cấu trúc. γ cho biết mức độ giảm của U 0 khi tăng σ.Cùng một giá trị ∆U nhưng khi γ càng thấp thì σ càng cao. τ 0 : là thời gian thực hiện một giao động của nguyên tử trong chất rắn khoảng 10 -2 ÷10 -3 giây. K : hằng số Boltzmann Giá trị ∆U phụ thuộc vào sự tương tác giữa các nguyên tử.Nó có thể được xác định từ đồ thị hàm số: Bằng thực nghiệm ta vẽ được các đường thẳng biểu diễn sự phụ thuộc của logτ vào 1/T ỏ các ứng suất tác dụng khác nhau.Từ các đường thẳng này ta suy được logτ 0 và ∆U ứng với các ứng suất khác nhau: 5 Tiếp tục lập đồ thị sự phụ thuộc của ∆U vào ứng suất tác dụng rồi suy ra γ và U 0 từ đồ thị (là độ dốc đường thẳng đồ thị) II.PHÂN LOẠI • Độ bền kéo. • Độ bền uốn,độ bền nén. • Độ bền va đập. • Độ bền kết dính. • Độ cứng. • Độ bền mài mòn. • Độ bền nhiệt và độ kháng ẩm. • Độ căng bề mặt…. • Độ bền mỏi Độ bền uốn là ứng suất thấp nhất làm biến dạng vĩnh viễn cho một vật liệu xem xét. Độ bền nén là giới hạn ứng suất nén làm vật liệu bị biến dạng hay phá huỷ. Độ bền kéo là giới hạn lớn nhất của ứng suất kéo làm đứt vật liệu xem xét. 6 Độ bền mỏi là số đo độ bền của vật liệu hoặc thành phần chịu tải trọng có chu kỳ, và chúng thường khó xác định hơn sơ với các độ bền có tải trọng tĩnh. Độ bền mỏi được xem như là cường độ ứng suất hoặc phạm vi ứng suất, thông thường với ứng suất trung bình 'số không' thì phù hợp với số chu kỳ phá huỷ vật liệu. Độ bền va đập là khả năng chịu đựng của vật liệu khi chịu các tải trọng va đập đột ngột. III.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ BỀN CƠ HỌC • Ảnh hưởng của sự định hướng • Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng cấu trúc trên phân tử • Ảnh hưởng của mật độ liên kết ngang • Ảnh hưởng của chất độn 3.1.Ảnh hưởng của sự định hướng Một trong những phương pháp thông dụng làm thay đổi cấu trúc vật liệu polymer để tăng độ bền là kéo nó trong quá trình gia công. Điều này sẽ làm định hướng mạch và cấu trúc siêu phân tử. ε theo chiều định hướng nhỏ hơn ε theo chiều vuông góc với chiều định hướng Vậy tính chất cơ học của polymer định hướng là bất dẳng hướng.Điều này do sự định hướng của các dãy gây ra. Các Polymer có sự định hướng chặt chẽ có độ bền cao hơn rất nhiều so với các polyme không định hướng .Polymer sau khi được định hướng sẽ cho độ bền rất cao, có thể tương đương độ bền một số loại thép.Trong khi tỷ trọng của Polymer chỉ bằng1/8 của thép, nên độ bền tính theo một đơn vị khối lượng thì độ bền của Polymer có thể cao gấp 4 lần thép. Sự định hướng còn làm tăng khả năng kết tinh của một số loại polymer. Cao su kết tinh có tính bền cao hơn so với cao su không kết tinh Độ bền đứt của tơ 7 Tơ Độ bền đứt, Kg/cm 2 Tơ Độ bền đứt, Kg/cm 2 Sợi viscozơ Định hướng không định hướng Tơ axetat Định hướng Không định hướng 1600÷7800 1600÷1800 1600÷6000 1600÷1800 Tơ tằm Len Tơ clorin Tơ capron Tơ lapxan 3000÷5000 1500÷1900 2900÷4000 5000÷7200 5200÷8000 3.2. Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng cấu trúc trên phân tử Kích thước và hình dạng của cấu trúc trên phân tử có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ học của Polymer. Các polymer có các tinh thể hình cầu (pherulites) nhỏ sẽ bền hơn các polymer có các splerulites lớn hơn, do sự phá hủy và nứt xảy ra trên bề mặt phân chia của các sphrulites. Khi nghiên cứu polyeste đi từ acid isophthalic và phenolphthalein 2 loại cấu trúc dạng cầu và dạng sợi thì người ta nhận thấy độ bền va dập của mẫu có cấu trúc dạng sợi từ 6÷10 Kg/cm 2 ,trong khi đó độ bền va đập của mẫu có cấu trúc dạng cầu chỉ 2 ÷3 Kg/cm 2 . 3.3. Ảnh hưởng của mật độ liên kết ngang Trước đây người ta cho rằng plymer mạng lưới là tập hợp các đại phân tử với liên kết ngang hóa học giữa chúng.Mật độ liên kết ngang được xác định bởi công thức N:Mật độ liên kết ngang 8 v: Tổng số mol V:Thể tích mẫu ρ: Tỷ trọng của polymer M nc : Phân tử lượng của dãy mạng lưới Ngày nay người ta cho rằng liên kết ngang không chỉ hình thành giữa các đại phân tử mà giữa các cấu trúc trên phân tử.Vì vậy M nc chỉ có giá trị trung bình và nó cho biết giá trị của mật độ liên kết ngang:M nc giảm suy ra v/V tăng dần dẫn đến mật độ liên kết ngang tăng. Khi trong polymer vô định hình mật độ liên kết ngang tăng dần đến tính đàn hồi giảm và T g tăng. Sự thay đổi độ bền của polymer vô định hình theo mật độ liên kết ngang như sau Bản chất của sự phụ thuộc độ bền vào mật độ liên kết ngang là do ảnh hưởng của mật độ liên kết ngang đến sự định hướng và quá trình kết tinh xảy ra trong khi biến dạng của polymer. 3.4. Ảnh hưởng của chất độn 9 Có 2 loại : chất độn hoạt hoá và chất độn không hoạt hoá. Chất độn hoạt hoá làm tăng tính bền cơ học của polyme, còn chất độn không hoạt hoá thì ngược lại. Khi cho thêm chất độn vào tạo nên lực kết dính giữa các phân tử polyme và lực bám dính giữa chất độn và polyme. Ở những chỗ có chất độn tạo nên những nốt giữa các mạch với nhau và tăng thêm sự tham gia của các lực hoá trị trong quá trình phân huỷ mẫu. Tác dụng của chất độn còn thể hiện ở khả năng làm tăng cường tính bền do làm cho sự phân tán ứng suất ở các vùng nứt rạn, sự phục hồi ứng suất và phân bố lại ứng suất cho một số lớn trung tâm làm tăng vết rạn. Các vết rạn đang phát triển vì có tiểu phân chất độn mà ngừng phát triển. Yêu cầu độn hoạt tính: • Có ái lực đủ mạnh với polymer • Có độ bền cơ lý hóa • Cấu trúc phải có độ xốp và kích thước nhất định 10 [...]...IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Phan Thanh bình(2002),Hóa Học và Hóa lý Polymer, NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh 2.Nguyễn Hữu Niếu,Trần Vĩnh Diệu(2004),Hóa Lý polymer, NXB Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh 11 . thị (là độ dốc đường thẳng đồ thị) II.PHÂN LOẠI • Độ bền kéo. • Độ bền uốn ,độ bền nén. • Độ bền va đập. • Độ bền kết dính. • Độ cứng. • Độ bền mài mòn. • Độ bền nhiệt và độ kháng ẩm. • Độ căng. Xuân Trung Nguyễn Anh Tuấn 1 Mục Lục 2 ĐỘ BỀN CƠ HỌC CỦA POLYMER I.CÁC KHÁI NIỆM Độ bền là khả năng của vật chất chống lại sự phá huỷ của lực cơ học, được đặc trưng bởi ứng suất tại đó mẫu. khi biến dạng của polymer. 3.4. Ảnh hưởng của chất độn 9 Có 2 loại : chất độn hoạt hoá và chất độn không hoạt hoá. Chất độn hoạt hoá làm tăng tính bền cơ học của polyme, còn chất độn không hoạt