Chương 2: Vật Liệu Polymer

4/8/2010 CHƯƠ CHƯƠNG 2:VẬT LIỆU ƯƠNG Ậ Ệ POLYMER 4/8/2010 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU PGS TS.THÁI THỊ THU HÀ 2.1.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU KỸ THUẬT 4/8/2010 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU PGS TS.THÁI THỊ THU HÀ 4/8/2010 2.1.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU KỸ THUẬT Vật liệu kỹ thuật Kim loại Polymers P l • Chứa sắt • Nhiệt dẻo - Cast Iron - Thép •Khơng chứa sắt - Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Zn, etc & hợp kim • Kim loại q - Au • Hợp kim đặc biệt (Thermoplastics) - nylons, - polystyrene, - polypropylene, etc • Nhiệt rắn (Thermosets) - epoxies - polyesters • Đàn hồi ( Elastomers) - Cao su lưu hố 4/8/2010 Ceramics C i Hỗ hợp ỗn • Truyền thống • Composites - Clay • Electronic - Silica • Magnetic - Feldspar •Construction • Cao - Oxides, - Nitrides, - Carbides Carbides, - Ferrites, - Titanates • Thuỷ tinh CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU PGS TS.THÁI THỊ THU HÀ 2.1.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU KỸ THUẬT Vật liệu kim loại Vật liệu gốm Vật liệu polymer Vật liệu composite 4/8/2010 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU PGS TS.THÁI THỊ THU HÀ 4/8/2010 2.1.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU KỸ THUẬT Kim loại – Đúc: Chứa sắt khơng chứa sắt Đúc: – Rèn: Chứa sắt khơng chứa sắt Rèn: – đặc tính để lựa chọn: tính bền (sức chọn: căng, cong,cắt), căng, cong,cắt), mơ đun đàn hồi, độ hồi, dãn dài, độ cứng, giới hạn kéo dài, mật dài, cứng, dài, độ, độ, tính nhiệt ,tính dẫn nhiệt điện, điện, hệ số giãn nở nhiệt, tính điện nhiệt, 2.1.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU KỸ THUẬT Polymer POLYMERS TỰ NHIÊN CHẤT ĐÀN HỒI TỔNG HỢP CHẤT DẺO Proteins Polysacharrides(Polysacarit) Gum resins v.v ( nhựa gơm) •Thermoplastic NHỰA NHIỆT DẺO •Thermosetting NHỰA NHIỆT RẮN VẬT LIỆU ĐÀN HỒI 4/8/2010 2.1.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU KỸ THUẬT • CÁC POLYMER THIÊN NHIÊN – Cotton: Dùng bọc lều, bọc máy bay – Proteins động vật: chất dính kết – Cây gai : làm thừng – Cao su thiên nhiên: dây đai, đồ trang sức, bit tất, ống – Gỗ 2.1.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU KỸ THUẬT Ceramics: – Đặc tính :Bền nhiệt độ cao, cứng, kháng học tốt,chịu mài mòn tốt, cách điện nhiệt tốt – Có tính kim lọai phi kim loại – Phạm vi sử dụng: • Truyền thống: chống mài mòn, sản phẩm đất sét, xây dựng, thủy tinh,chịu lửa • Kỹ thuật: tơ hành khơng, điện tử, nhiệt độ cao, chế tạo máy, y khoa 4/8/2010 2.1.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU KỸ THUẬT Composites: – Khơng giống polymers, composit kết hợp hai hay nhiều lọai vật liệu hóa học khác nhau,chúng có đặc tính hai Hai yếu tố để cấ tạo vật ế cấu ật liệu composite sợi gia cố matrix – Các lọai sợi gia cố thường là: thủy tinh, graphite, aramids (Kevlar), boron, and others – Matrix: nhựa nhiệt rắn ( epoxy, polyester, phenolics,etc…), nhựa nhiệt dẻo (PEEK, polysulfone, p y polyetherimide), kim lọai (al, al-li, magnesium, ) ( g titatium), gốm (silico, carbide, silicon nitride, aluminum ố oxide), carbon POLYMER, RESIN, AND PLASTICS Polymer hợp chất tạo cách lặp lại nhiều đơn vị khối gọi đơn phân từ Khi chúng tạo sẵn cơng nghệ sản xuất đưiợc gọi nhựa Polymersare tạo dạng định, thường chúng tạo với định, dạng tổng hợp với chất độn khác nhau Và dạng gọi chất dẻo dẻo Thường, Thường, polymers, resins, plastics dùng đổi lẫn cho 4/8/2010 SO SÁNH CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU KỸ THUẬT Mật độ Độ bền học Tính uốn Độ ổn định nhiệt độ cao Kim lo ị Ki l aị loaị Cao Trung bình T bì h Cao Tốt Chất dẻo Thấp Thấp Rất cao (Nhựa nhiệt dẻo) Thâp (Nhựa nhiệt rắn) rắn) Khơng tốt Gốm Trung bình Cao Thấp Rất tốt Composit Thấp Cao TRung bình Khơng tốt 4/8/2010 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU PGS TS.THÁI THỊ THU HÀ 11 2.2.KHÁI 2 KHÁI NIỆM POLYMER 4/8/2010 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU PGS TS.THÁI THỊ THU HÀ 12 4/8/2010 2.2.KHÁI NIỆM POLYMER Polymer có nguồn gốc từ Hy Lạp có nghĩa gồm nhiều phận Polymer có nghĩa gồm nhiều (poly)= “many” (mers)= “(units) có nghĩa phân tử lặp lại nhiều lần từ đơn phân tử (được gọi ặp p ( ợ gọ monomer viết tắt mer) nhờ liên kết cộng hố trị, số đơn phân tử hàng ngàn chí hàng triệu Kết tạo chất có phân tử lớn gọi đại phân tử Polymers bao gồm chất dẻo cao su (plastics and rubber) chất mà phân tử chúng có mạch dài 4/8/2010 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU PGS TS.THÁI THỊ THU HÀ 13 2.2.KHÁI NIỆM POLYMER Polymers bao gồm nhiều ngun tử nhiều phân tử 4/8/2010 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU PGS TS.THÁI THỊ THU HÀ 14 4/8/2010 2.2 KHÁI NIỆM POLYMER • Polymer thường bao gồm carbon, oxygen, and hydrogen Một số ngòai carbon có Si, F, Cl, S Cl S Có số polymer chủ yếu carbon gọi chất hữu • Polymer coi “tơ” spaghetti 4/8/2010 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU PGS TS.THÁI THỊ THU HÀ 15 CÁC MẠCH VÀ ĐƠN PHÂN TỬ CỦA POLYMER 4/8/2010 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU PGS TS.THÁI THỊ THU HÀ 16 4/8/2010 VÍ DỤ F F F F F F C C C C C C F F F F F F Polytetraflouroethylene PTFE - Teflon H H H H H H C C C C C C H Cl H Cl H Cl H H H H H H C C C C C C H CH3 H CH3 H CH3 Polyvinylchloride PVC Polypropylene PP 2.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA POLYMER a/ Ưu điểm • Dễ dàng tạo sản phẩm sắc nét • Mật độ thấp, tính dẫn điện dẫn nhiệt ấ ẫ ẫ • Có tính chịu ăn mòn hố chất • Tỷ số độ bền khối lượng tốt có dùng sợi gia cố • Được dùng rộng rãi vật liệu composite • Chất dẻo polymer có đặc tính ấ ấ nhiều tính chất khác vượt trội so với kim lọai: giảm tiếng ồn, có khả tạo mầu dễ dàng độ suốt cao 4/8/2010 2.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA POLYMER • Polymer có hình dạng phức tạp dễ dàng • Nhiều chất dẻo tạo với hình dạng sắc nét mà khơng cần ngun cơng ắ ầ hồn tất • Nhiệt cần thiết cho q trình tạo sản phẩm nhỏ nhiều với q trình kim loại • Giá tương đối thấp 2.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA POLYMER Mật độ thấp kim loại gốm Trọng lượng riêng polymer ∼ 1.2 (Trọng lượng riêng gốm = ∼ 2.5, kim loại = ∼ 7.0 Hệ số giãn nở nhiệt lớn ( thường giá trị lớn gấp lần so với kim loại 10 lần so với gốm Nhiệt độ nóng chảy thấp Nhiệt dung riêng lớn gấp từ lần so với kim loại gốm Tính dẫn nhiệt thấp lần so với kim loại ệ p Tính cách điện tốt 10 4/8/2010 CÁCH CẤU TẠO POLYMER 4/8/2010 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU PGS TS.THÁI THỊ THU HÀ 59 a/ CÁC BƯỚC TRÙNG HỢP 4/8/2010 CN VẬT LIỆU NHỰA VÀ KM PSG TS THÁI THỊ THU HÀ 60 30 4/8/2010 a/ CÁC BƯỚC TRÙNG HỢP a/ CÁC BƯỚC TRÙNG HỢP • Hầu hết polymer sử dụng kỹ thuật tổng hợp Nó thường tạo q trình hóa học • Các Polymer tổng hợp cách phân tử nhỏ với thành cn tử lớn gọi đại phân tử, q trình có cấu trúc chuỗi • Các cụm nhỏ gọi monomers, thơng thường đơn giản phân tử hữ ví d ethylene đ iả hâ hữu í dụ h th l C2H4 4/8/2010 CN VẬT LIỆU NHỰA VÀ KM PSG TS THÁI THỊ THU HÀ 62 31 4/8/2010 a/ CÁC BƯỚC TRÙNG HỢP Các ví dụ Monomers: Monomer Mer Monomer Polyethylene or Polythene Mer Polypropylene a/ CÁC BƯỚC TRÙNG HỢP Q trình hình thành (hoặc tổng hợp) mạch polymer dài gọi q trình trùng hợp (polymerization) i) Cơ chế phổ biến q trình trùng hợp phối hợp (nghĩa gấp hai gấp ba ) ngun tử bon monomer có khả nối với monomer láng giềng ( kế cận ) ) p g g ụ ) g g ợp ii) Cơ chế phổ biến ngưng tụ ( condensation) – trường hợp đơn phân tử tham gia để tạo nhánh polymer sản ỗ ể ể phẩm phụ thường nước, cần phải loại trừ sản phẩm phụ polymer đơng cứng Q trình trùng hợp có nhiều loại đơn phân tử chuỗi polymer – nhánh tạo thành từ mer gọi homopolymers, trường hợp tạo thành từ hai mer nhiều gọi copolymers Ngồi hầu hết đơn phân tử có hai chức năng, nghĩa chúng có hai chủ động (Ví dụ PE, PVC, PS) có khả hình thành mạch nhánh– Tuy nhánh nhiên số đơn phân tử phức tạp phenol-formaldehyde, có ba chức nên phân tử chúng có liên kết 2-D 3-D – Do polymers có khuynh hướng chịu tải tốt 4/8/2010 CN VẬT LIỆU NHỰA VÀ KM PSG TS THÁI THỊ THU HÀ 64 32 4/8/2010 a/ CÁC BƯỚC TRÙNG HỢP Tổng hợp polyethylene từ monomers: (1) n số monomer ethylene ( ) (2a) chiều dài n chuỗi (2b) Cách ghi ngắn gọn để mơ tả cấu trúc chiều dài chuỗi n polymer 4/8/2010 CN VẬT LIỆU NHỰA VÀ KM PSG TS THÁI THỊ THU HÀ 65 a/ CÁC BƯỚC TRÙNG HỢP • Để tạo polymer thường người ta thường dùng phương pháp trùng hợp polymerization gp gp p g ợp p y • Có hai phương pháp khác để tổng hợp polymers a) Trùng phối (addition or chain polymerization) b) Trùng ngưng (step or condensation polymerization ) 33 4/8/2010 a/ CÁC BƯỚC TRÙNG HỢP PHẢN ỨNG TRÙNG HỢP Trùng phối Trùng ngưng Show examples of both polymerization methods a/ CÁC BƯỚC TRÙNG HỢP VÍ DỤ • Các polymer tạo phương pháp trùng phối: – Polyethylene, polypropylene, polyvinylchloride, y y y y y y polyisoprene • Các polymer tạo phản ứng trùng ngưng : – Nylon, polycarbonate, phenol formaldehyde 34 4/8/2010 c/HOMOPOLYMERS VÀ COPOLYMERS CÁC DẠNG Copolymers • • • • Ngẫu nhiên Thứ t tự Khối Ghép (Graft) - AAABBBABBAAB ABABABABABAB AAAAAABBBBBB AAAAAAAAAAA B B B c/HOMOPOLYMERS VÀ COPOLYMERS CÁC DẠNG Copolymers Random Block Alternating Graft 35 4/8/2010 d/ Q TRÌNH TRÙNG PHỐI • Q trình trùng phối để tạo polymers từ monomer (Addition polymerization) –Khơng tạo sản phẩm phụ –Dạng đơn giản: thường tạo mạch thẳng (ví dụ Dạng ethylene polyethylene): TRÙNG PHỐI CÁC ĐƠN PHÂN TỬ “A” 4/8/2010 CÁC POLYMER ĐƯỢC TẠO RA BẰNG CÁCH LẶP LẠI CÁC ĐƠN PHÂN TỬ “ A” CN VẬT LIỆU NHỰA VÀ KM PSG TS THÁI THỊ THU HÀ 71 d/ Q TRÌNH TRÙNG PHỐI Mơ hình q trình trùng phối : (1) Trạng thái ban đầu đầu, (2) Trùng phối nhanh chóng monomer (3) kết tạo polymer có phân tử nhánh dài với n đơn phân tử thời điểm phản ứng kết thúc 36 4/8/2010 d/ Q TRÌNH TRÙNG PHỐI e /PHẢN ỨNG TRÙNG NGƯNG • Ở phản ứng trùng hợp dạng có hai monomers tác dụng với tạo p phân tử hợp chất mong muốn ợp g • Khi phản ứng tiếp tục phân tử lại tiếp tục kết hợp với nhau.với phân tử lần ơởng hợp thành dạng polymers có chiều dài n = 2, sau polymers có n = 3, tiếp tục • Trong phản ứng trùng phối, chiều dài polymers n1 and n2 kết hợp thành polymer có chiều dài n = n1 + n2, với mục đích hai dạng phản ứng q trình xảy đồng thời 37 4/8/2010 e/PHẢN ỨNG TRÙNG NGƯNG Mơ hình hai dạng phản ứng xảy phản ứng trùng ngưng (a) n-đơn phân tử kết hợp với đơn phân tử riêng h d iê thành dạng đ phân tử ( đơn hâ (n+1; (b) Đơn phân tử n1- kết hợp với đơn phân tử n2 thành dạng đơn phân tử dạng (n1+n2 e/PHẢN ỨNG TRÙNG NGƯNG HỐ CHẤT A HỐ CHẤT B CÁC SẢN PHẨM PHỤ ( Thường nước) A B phản ứng tạo polymer C-C-C-C-C-C TRÙNG NGƯNG 38 4/8/2010 e/PHẢN ỨNG TRÙNG NGƯNG e/PHẢN ỨNG TRÙNG NGƯNG • Polyamides – Condensation Polymerization • Nylon 6/6 because both the acid and amine contain carbon atoms NH2(CH2)6NH2 + COOH(CH2)4COOH Hexamethylene diamene Adipic acid n[NH2(CH2)6NH2 ·CO(CH2)4COOH] (heat) Nylon salt [NH(CH2)4NH · CO(CH2)4CO]n + nH2O Nylon 6,6 polymer chain 39 4/8/2010 5 MỨC ĐỘ TRÙNG HỢP 5.MỨC ĐỘ TRÙNG HỢP (Degree of polymerization- DP) DP = n Số đ phân tử lặ l i t đơn hâ lặp lại mạch, điề ỗi h điều có nghĩa có đơn phân từ trùng hợp n = Mn/mo where ọ g ợ g g p Mn = Trọng lượng trung bình phân tử mo = Trọng lượng đơn phân tử nn = Mn m M n = ∑ xi M i 40 4/8/2010 5.MỨC ĐỘ TRÙNG HỢP • Do mạch polymer dài khác ngẫu nhiên nên có khái niệm trung bình g ệ g phân bố theo phân bố chuẩn • DP ảnh hưởng đến đặc tính polymer : DP cao độ bền học tăng độ nhớt tăng trạng thái lỏng 6 TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ 41 4/8/2010 TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ • Khối lượng phân tử ( molecular weight (MW)) polymer tổng khối lượng phân tử đơn phân tử phân tử – MW = n số lần khối lượng phân tử la95p lại – Do n thay đổi khác phân tử khác nhánh khối lượng phân tử cần phải tính theo giá trị trung bình nw = Mw m M w = ∑ wi M i TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ Đối với đơn phân tử • Tổng khối lượng ngun tử đơn hâ thể hiệ khối l đ phân tử đ hể lượng ủ đơn phân tử m (g/mol) • Vi dụ PVC H H H H H H H H H m = 3(AH ) + 2(Ac ) + ACl = 3(1.008)+ 2(12.011) + 35.45 = 62.5 g / mol 42 4/8/2010 TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ • Các phân tử Polymer khơng có chiều dài M n = ∑ xi M i M w = ∑ wi M i TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ Ví dụ: Trong suốt q trình trùng hợp polytetrafluoroethylene (PTFE), số mạch polymer tương ứng với phạm vi khối lượng phân tử bảng Số nhánh 1,000 2,000 4,000 10,000 15,000 12,000 12 000 3,000 2,000 Trọng lượng phân tử 10,000 - 15,000 15,000 - 20,000 20,000 - 25,000 25,000 - 30,000 30,000 - 35,000 35 000 - 40 000 35,000 40,000 40,000 - 45,000 45,000 - 50,000 43 4/8/2010 TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ Các đặc tính học số loại chất dẻo kỹ thuật 87 TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ ẢNH HƯỞNG CỦA TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ • Nhiệt độ nóng chảy – Tăng trọng lượng phân tử tăng • Độ bền – Tăng trọng lượng phân tử tăng • Độ mềm dẻo – Có khuynh hướng tăng trọng lượng phân tử tăng tă 44