giáo án bài soạn hóa lý polymer

BỘ CÔNG NGHIỆP TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP TUY HÒA KHOA CÔNG NGHỆ HÓA  Bài Giảng: HÓA LÝ POLIME Người Soạn: Võ An Định Tuy Hòa, năm 2009 MỤC LỤC Trang Chöông 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1 1.1. Trạng thái tập hợp 1 1.2. Trạng thái pha 1 1.3. Hình thái cấu tạo 2 1.4. Hình thái sắp xếp 3 1.5. Góc hóa trị và năng lượng nội tại 3 1.6. Độ mềm của Polymer 5 1.7. Độ bền 7 1.8. Cấu trúc ngoại vi phân tử 7 Chöông 2 Biến dạng và hồi phục 2.1. Biến dạng đàn hồi 11 2.2. Hiện tượng trễ của sự hồi phục 13 2.3. Biến dạng mềm cao 14 2.4. Sự đàn hồi sau tác dụng lực của polimer mạch thẳng và polimer lưới không gian 16 2.5. 2.6 Biến dạng dẻo (Biến dạng chảy nhớt) Hóa dẻo vật liệu polimer 16 18 Chöông 3 DUNG DỊCH POLYME 20 3.1. 3.1/ Đặc điểm của dung dịch polyme. 20 3.2. Các Yếu tố quyết định sự trương và hòa tan polyme 22 3.3. Tập Hợp trong dung dịch polyme 24 3.4. Lý thuyết về dung dịch polyme 27 3.5. Dung dịch polyme đậm đặc 31 Chương 4 TÍNH CHẤT KẾT DÍNH VÀ ĐỘ BỀN LIÊN KẾT DÁN CỦA POLYME 38 4.1. Khái Niệm 38 4.2. Cơ sở hóa lý của sự kết dính 43 4.3. Đặc điểm phá hủy liên kết dán 55 4.4. Các phương pháp dự đoán và thử nghiệm độ bền liên kết dán 59 CHƯƠNG I MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Trạng thái tập hợp: Ba trạng thái tập hợp: khí, lỏng, rắn. Các trạng thái phụ thuộc vào mối tương quan giữa kích thước của các phân tử với khoảng cách giữa các phân tử. + Kích thước giữa các phân tử rất bé hơn khoảng cách giữa các phân tử thì trạng thái khí + Kích thước giữa các phân tử rất lớn hơn khoảng cách giữa các phân tử thì trạng thái rắn vì dao động của các phân tử khó khăn, xê dịch để mà chuyển vị trí cho nhau rất khó + Kích thước giữa các phân tử lớn hơn khoảng cách giữa các phân tử không nhiều thì trạng thái lỏng có thể dao động phân tử, khối lỏng có hình thù của vật chứa - Polyme có khối lượng phân tử rất lớn - Polyme có kích thước rất lớn, tập hợp lại với nhau tạo ranh giới vị trí mà với khoảng cách bé và tại đó xuất hiện những lực tác dụng tương hỗ với nhau (lực vật lý như Vaderval, tĩnh điện) dẫn dến polyme không có trạng thái lỏng, khí (chỉ có trạng thái rắn) 1.2. Trạng thái pha (pha tinh thể, pha vô định hình) Là sự sắp xếp của các nguyên tử các nhóm nguyên tử. Ví dụ các nguyên tử Cacbon (than, graphic, kim cương) Sự khác nhau giữa pha tinh thể và pha vô định hình được biểu diễn bằng một dấu hiệu vật lí (đồ thị Rơnghen, biểu đồ tia hồng ngoại) Sự khác nhau giữa khu vực tinh thể và khu vực vô định hình được tạo nên do tập hợp của một đoạn phân tử (hoặc của toàn bộ phân tử) Giữa các khu vực tinh thể và vô định hình có một bề mặt phân chia tạo ra một kích thước tinh thể khác nhau, có xu hướng tạo thành những khu vực tinh thể với kích thước bé Độ bền cơ học, chỉ tiêu vật lý của khu vực tinh thể và vô định hình khác xa nhau. 1.3. Hình thái cấu tạo Phụ thuộc vào bản chất hợp chất, cùng bản chất có hình thái cấu tạo phân tử khác nhau, liên kết giữa các mắc xích là khác nhau do đó có cấu trúc lập thể với mức độ khác nhau (cis- cân đối, trans- bất cân đối) Ví dụ Suy ra hình thái cấu tạo khác nhau: ảnh hưởng đến năng lượng nội tại của Polyme Ví Dụ: CH 2 CH C CH 3 CH 2 CH 2 C CH 3 CH CH 2 CH 2 (DẠNG TRANS) CH 3 CH CH 2 C CH 2 CH CH 2 CH 3 C CH 2 CH 2 C CH CH 3 CH 2 DẠNG CIS O O O O CH 2 -OH CH 2 -OH Suy ra hình thái khác nhau làm xuất hiện lực tương tác, năng lượng tương tác giữa các mạch cũng khác nhau. 1.4- Hình thái sắp xếp Là sự phân bố trong không gian của nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử (ở một khoảng cách nhất định) tồn tại một lực tác dụng (lực hút, đẩy), khi mà chuyển dịch một vị trí tương hỗ với nhau cho nên sẽ có sự thay đổi năng lượng (tiêu tốn, sản sinh). Ví dụ: Sự quay của Hidro trong phân tử C 2 H 6 Các nguyên tử hidro khi chuyển từ trạng thái sắp xếp (I) sang trạng thái (II), do khoảng cách của các nguyên tử hidro đánh dấu ở hai nhiệt độ khác nhau, ta quay thành các góc khác nhau và đòi hỏi năng lượng khác nhau. Mà một mạch phân tử polyme chứa rất nhiều nhóm nguyên tử nên số khả năng để các nguyên tử quay (chuyển dịch) sẽ rất nhiều. Do đó ta có thể kết luận, hình thái sắp xếp của một mạch phân tử polyme sẽ trở nên rất đa dạng. Trong điều kiện nhận cùng một năng lượng thì các mạch phân tử sẽ thay đổi hình thái sắp xếp ở mức độ khác nhau do đó polyme không có điểm nóng chảy hoà tan. 1.5/ Góc hoá trị và năng lượng nội tại Góc hoá trị là góc tạo ra giữa hai nối liên kết. - Tuỳ thuộc vào bản chất nguyên tử trong liên kết mà tạo ra góc hoá trị khác nhau. O O O O O O O - Hầu như là không thay đổi ở điều kiện nhất định, nhưng có thể thay đổi ở một điều kiện khác. - Giá trị của góc hoá trị (α) có ảnh hưởng đến năng lượng làm thay đổi góc hoá trị. Vì mạch phân tử chứa rất nhiều góc hoá trị và làm cho hình dạng của mạch thường tồn tại ở dạng Zic-zắc - Do tác động của các mạch lân cận hoặc do nhóm nguyên tử trong nội phân tử mà mạch tồn tại dưới dạng chuỗi hoặc dưới dạng cuộn nên làm cho tính chất cơ lí khác nhau. - Khi mà trong mạch phân tử có mặt của các mối liên kết giữa các nguyên tố khác nhau thì năng lượng nội tại khác nhau (thể hiện độ bền nguyên thuỷ polyme) - Góc hoá trị còn chịu ảnh hưởng của nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử (có thể là độ phân cực). Vì vậy cùng một hình thái cấu trúc như nhau, mạch phân tử polyme có thể có hình thái sắp xếp khác nhau. Ví dụ: Atactic, izotactic, xindiotactic H Cl H H C C C H Cl H H H C C C H Cl H H H C Cl C C C H Cl H H H C C C H Cl H H H C Cl C Cl H H H Hình thái sắp xếpAtactic – không có qui luật Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Hình thái sắp xếp Izotactic,có quiluật, không cân đối Ở dạng syndiotactic bền vững hơn dạng izotactic, và izotactic bền vững hơn dạng atactíc và khó nóng chảy hơn, khó hoà tan hơn và khó nhuộm màu. Như cùng là PVC – cùng M nhưng có tính chất khác nhau khi sắp xếp khác nhau, khi đó năng lượng nội tại khác nhau. 1.6/ Độ mền của polyme: So với kim loại và các hợp chất thấp phân tử thì vật liệu polyme có thể chịu biến dạng (chịu kéo dãn, uốn gập, nén ). Vì mạch phân tử chứa (bao gồm): rất nhiều mối liên kết phân tử để tạo nên một chuỗi, mặt khác các nguyên tử trong một điều kiện nào đó thì có khả năng quay xung quanh trục liên kết với một góc không đổi, với một góc hoá trị không đổi. Số lượng khả năng thay đổi vị trí (nhóm nguyên tử ) của một mạch rất lớn và có thể không ảnh hưởng lẫn nhau do đó có sự quay tự do. Nhờ có sự quay tự do mà hình thái mạch không được thay đổi dưới tác dụng của một lực chính sự thay đổi này tạo ra một sự mền mại của polyme. Sự quay của nguyên tử phụ thuộc vào năng lượng bên ngoài tác dụng lên nó (độ bền nguyên thuỷ) Khi quay đến các vị trí khác nhau (có các góc quay khác nhau) suy ra năng lượng cũng có giá trị khác Giá trị của năng lượng này lớn hơn thế năng quay của nguyên tử và khi di chuyển vị trí thì nguyên tử có một giá trị khác nhau. Năng lượng cực đại gọi là thềm năng lượng quay. Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Hình thái sắp xếp Syndiotactic, có qui luật, cân đối Sự chênh lệch năng lượng ở hai vị trí (vị trí ban đầu, vị trí cuối) là hiệu số thế năng. Giá trị của nó phụ thuộc vào bản chất polyme. Và sự thay đổi của E o và ∆E (∆E = E 1 – E 2 ) không tuân theo qui luật như nhau. Dòng biểu diễn năng lượng quay của phân tử chất tan ở các góc quay khác nhau: E = f(φ) (Vì yếu tố hút đẩy của hai Cacbon) Độ mềm của polyme được đánh giá bằng giá trị của E o và ∆E. * Các yếu tố ảnh hưởng đến các giá trị của E o và ∆E Bản chất của polyme: + Kích thước của mắc xích hoặc cấu hình của nó Ví dụ: Cùng là hợp chất Viny nhưng kích thước khác nhau + Kích thước, độ phân cực nhóm định chức + Hình dạng mạch: thẳng, nhánh, lưới. Kích thước của mạch phân tử, giá trị M tb (n tb ) Do bản chất của polyme nên nếu xét một mạch phân tử độc lập thì M càng lớn thì số khả năng thay đổi hình dạng càng nhiều, nên tính mềm có thể được tăng lên. Cl CH 2 CH CH 2 CH COOH CH 2 CH KÍCH THƯỚC ; ; < < O O Cấu hình khác nhau nên nhiệt nóng chảy khác nhau Tuy nhiên các phân tử polyme chịu ảnh hưởng của các mạch lận cận nên mạch càng dài tổng năng lượng tác dụng tương hỗ giữa các mạch tăng. Do đó thềm thế năng quay E o càng tăng xu hướng chung là M tăng dẫn đến độ mềm có thể giảm. Mật độ của một dạng liên kết trong mạch phân tử và liên kết giữa các mạch phân tử Ví dụ: lượng số nối trong mạch khác nhau thì độ mềm khác nhau. (- CH 2 – CH = CH - )(- CH 2 – CH = CH – CH 2 -) Số nối đôi tăng lên thì độ mềm giảm xuống. Phụ thuộc vào ngoại lực: Điều kiện nhiệt độ khác nhau, lực tác động khác nhau thì độ mềm khác nhau. 1.7/ Độ bền Xác định khả năng chống lại tác động ngoại lực, để bảo toàn hình dạng, kết cấu vật liệu độ bền tuỳ thuộc vào bản chất, M, lực tác dụng giữa các phân tử. Ngoại lực (cơ học ) như lực kéo, nén, va, đập Khoảng cách giảm, trật tự tập hợp mạch tăng dẫn đến б tăng (ứng suất) Polyme mạch lưới lớn nhất, nhánh bé nhất, chứa nhánh có cực б tăng dẫn đến lực tác dụng tương hỗ. Ngoài ra độ bền còn phụ thuộc vào tần số và thời gian tác dụng lực. Việc tạo ra độ bền polyme thu được trong quá trình tổng hợp polyme, gia công tạo vật phẩm (kéo, nén …) tuỳ thuộc vào cấu trúc mạch polyme. Một polyme có độ bền khác nhau ứng với một б tác dụng mà lực (nén, xoắn, đứt) khác nhau. C CH 2 C N C N C Đóng Vòng C CH 2 C C N C C CH 2 C N C C CH 2 N Lưới sẽ cứng hơn, bền nhiệt, cơ hơn [...]... khuếch tán) * Ảnh hưởng tác dụng của chất hóa dẻo - Khi hàm lượng chất hóa dẻo tăng thì nhiệt độ nóng chảy giảm Tuy nhiên có thể xảy ra hiện tượng nhiệt thủy tinh hóa giảm, nên sản phẩm dễ biến dạng - Khi hàm lượng chất hóa dẻo tăng thì khoảng biến đổi của biến dạng mền cao tăng lên do đó khả năng chịu va đập, cọ sát, uốn, gập cũng sẽ được tăng Nhưng độ chịu nhiệt, chịu tải giảm - Khi hàm lượng chất hóa. .. với dung dịch lý tưởng hơn - Dung dịch polyme là một hệ thống bao gồm hai hoặc ba cấu tử, được tạo nên qua hai giai đoạn: Trương nở chất tan Phân tán chất hòa tan thành những phân tử riêng biệt, độc lập + Trương nở chưa phân tán được gọi là trương nở giới hạn + Trương nở phân tán được gọi là trương nở vô hạn (hòa tan) - Mạch polyme trong môi trường lỏng có thể bị solvat hóa hoặc hidrat hóa Và tuân theo... Liên kết hóa học giữa các phân tử mạch thẳng cản trở sự tách chúng khỏi nhau khi hòa tan, vì vậy polyme có cấu trúc mạng lưới chỉ có thể trương ( nếu không phá vỡ các liên kết hóa học) Muốn polyme hoàn toàn không tan chỉ cần một liên kết hóa học cho mỗi cặp hai mạch phân tử Một khối lượng không đáng kể tác nhân khâu mạch là hoàn toàn đủ để làm mất khả năng hòa tan của polyme Ví dụ, khi lưu hóa cao su... polyme một số hợp chất lưỡng chức, bằng cách có khả năng khuếch tán vào khoảng trống mạch phân tử và có lực tương tác nhất định với polyme Do đó làm giảm lực tương tác giữa một mạch polyme với các mạch lân cận Quá trình gia công như vậy được gọi là quá trình gia công hóa ngoại + Hiệu quả: Dẻo hóa theo phương pháp này nhỏ hơn phương pháp hóa dẻo nội Vì: + Không làm thay đổi bản chất vật liệu polyme do... keo, ví dụ huyền phù Những nét chung của dung dịch polyme và hệ keo là: a/ Sự tồn tại những hạt có kích thước lớn, thể hiện sự không thẩm thấu qua các màng bán thấm Điều này cũng được chứng minh bằng các phương pháp khác (như phương pháp tán xạ ánh sáng) b/ Khả năng tạo ra tập hợp các hạt – sự kết tụ của các hệ keo và sự tập hợp các đại phân tử trong dung dịch (dù rất loãng) do cấu trúc mạch dài của chúng... dịch + Tùy thuộc vào bản chất Polyme mà sự phân tán phân tử tạo ra dung dịch điện li hoặc dung dịch không điện li Ví dụ: Dùng polyacrylat dễ bị điện li, kết hợp với axit thì đông tụ 3.4/ Lý thuyết về dung dịch polyme a Thuyết Mixen Dựa vào hiện tượng thẩm tích polyme qua màng bàn thấm Polyme không thể đi qua màng bán thấm Polyme không thể đi qua màng bán thấm Do đó ta có thể kết lụân dung dịch polyme... chỉ chứa dung môi - Do các phân tử polyme có nội năng nên nó có khả năng biến dạng, có khả năng bị solvat hóa (một phần hoặc toàn bộ phân tử) do đó tạo nên một độ bền nhất định Khả năng solvat hóa phụ thuộc vào đặc trưng của nhóm định chức Ví dụ: Khả năng solvat hóa càng tăng thì khả năng phân tán càng dễ dàng - Nhược điểm: + Chưa giải thích được sự tăng nhanh của độ nhớt theo nồng độ - Ưu điểm: Thuyết... phần hóa học: Tùy thuộc vào mức độ Tùy thuộc vào độ đồng đều của nhóm định chức, của mắc xích có trong mạch polyme Ví dụ: thông thường copolyme dễ hòa tan hơn polyme (ý nghĩa) phá vỡ cấu trúc đều đặn nên giảm nội năng tương tác - Dạng mạch: + Trương giới hạn xảy ra cả ba dạng mạch polyme (thẳng, nhánh, lưới) αnhánh >αthẳng > αlưới + Khả năng (trương vô hạn) hòa tan chỉ xảy ra hai loại: thẳng và nhánh... này Polyme dẻo hóa – đó là một dạng dung dịch polyme đậm đặc Việc đưa vào polyme một lượng không lớn (tới 30%) các chất lỏng thấp phân tử có độ sôi cao (gọi là chất hóa dẻo) là một trong những phương pháp quan trọng nhất để biến tính cấu trúc vật liệu polyme Trên thực tế việc hóa dẻo làm tăng độ đàn hồi của vật liệu, tăng độ chịu lạnh và làm quá trình gia công nó dễ dàng hơn Về mặt lý ... điểm có trật tự gần Tính chất cơ, lý, hoá của cuộn rối khác khu vực chùm bó (b ) (a) (c) Khi mắc xích và mạch có qui luật tập hợp như nhau tạo thành cấu trúc tinh thể (c) (a), (b) khu vực trật tự gần Ôn tập – Bài tập: 1/ Thế nào là trạng thái tập hợp? Các trạng thái tập hợp? 2/ Hình thái cấu tạo và hình thái sắp xếp? Hính thái sắp xếp Xindiotắctic và izotactic? So sánh hai loại hính thái này? Loại nào . BỘ CÔNG NGHIỆP TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP TUY HÒA KHOA CÔNG NGHỆ HÓA  Bài Giảng: HÓA LÝ POLIME Người Soạn: Võ An Định Tuy Hòa, năm 2009 MỤC LỤC Trang Chöông 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM. polyme 24 3.4. Lý thuyết về dung dịch polyme 27 3.5. Dung dịch polyme đậm đặc 31 Chương 4 TÍNH CHẤT KẾT DÍNH VÀ ĐỘ BỀN LIÊN KẾT DÁN CỦA POLYME 38 4.1. Khái Niệm 38 4.2. Cơ sở hóa lý của sự kết. mạch phân tử Ví dụ: lượng số nối trong mạch khác nhau thì độ mềm khác nhau. (- CH 2 – CH = CH - ) (- CH 2 – CH = CH – CH 2 -) Số nối đôi tăng lên thì độ mềm giảm xuống. Phụ thuộc vào ngoại lực: Điều