Tài liệu VẬT LIỆU POLIMER

VẬT LIỆU POLIME A.ĐẠI CƯƠNG VỀ POLIME I POLIME Khái niệm Polime hợp chất có phân tử khối lớn nhiều đơn vị nhỏ (gọi mắt xích) liên kết với nhau.Ví dụ: mắt xích –NH –[CH2]6 –CO– liên kết với tạo nên Hệ số n gọi hệ số polime hóa hay độ polime hóa Các phân tử tạo nên mắt xích polime gọi monome Phân loại Có nhiều cách phân loại polime: theo nguồn gốc hình thành, theo cấu trúc mạch phân tử, theo tính chịu nhiệt, theo độ phân cực, theo lĩnh vực sử dụng Cách phân loại theo lĩnh vực phổ biến nhất, theo cách polime chia thành nhóm như: chất dẻo, sợi, elastome, sơn, keo a) Theo nguồn gốc: Thiên nhiên Tổng hợp -Có nguồn gốc từ thiên nhiên -Do người tổng hợp nên -Ví dụ: xenlulozo, tinh bột -Ví dụ: polietilen, poli(vinylclorua),… b) Theo cách tổng hợp: Nhân tạo (bán tổng hợp) -Lấy polime thiên nhiên chế hóa thành polime -Ví dụ: tơ axetat, tơ visco c) Theo cấu trúc: (xem phần II) Danh pháp - Poli + tên monone (nếu tên monome gồm từ trở lên từ hai monome tạo nên polime tên monome phải để ngoặc đơn) - Một số polime có tên riêng (tên thông thường) Ví Dụ: II – CẤU TRÚC Các dạng cấu trúc mạch polime a) Mạch không phân nhánh Ví dụ: polietilen, amilozơ… b) Mạch phân nhánh Ví dụ: amilopectin, glicogen… c) Mạch mạng lưới Ví dụ: cao su lưu hóa, nhựa bakelit… Cấu tạo điều hòa không điều hòa a) Cấu tạo điều hòa: mắt xích nối theo trật tự định (chẳng han theo kiểu đầu nối đuôi) Ví dụ: b) Cấu tạo không điều hòa: mắt xích nối với không theo trật tự định (chẳng hạn theo kiểu đầu nối đầu, chỗ đầu nối với đuôi) Ví dụ: III – TÍNH CHẤT VẬT LÍ Hầu hết polime chất rắn, không bay hơi, nhiệt độ nóng chảy xác định, số tan dung môi hữu Đa số polime có tính dẻo, số polime có tính đàn hồi, số có tính dai, bền, kéo thành sợi IV – TÍNH CHẤT HÓA HỌC Phản ứng giữ nguyên mạch polime a) Poli(vinyl axetat) (PVA) tác dụng với dung dịch NaOH: b) Cao su thiên nhiên tác dụng với HCl: Cao su hiđroclo hóa c) Poli(vinyl clorua) (PVC) tác dụng với Cl2: (giả sử mắt xích nguyên tử clo) Tơ clorin Phản ứng phân cắt mạch polime a) Phản ứng thủy phân polieste: b) Phản ứng thủy phân polipeptit poliamit: Nilon – c) Phản ứng thủy phân tinh bột, xenlulozơ Tinh Bột + H_2O ^{H^+,t^0} -> 2Glu xenlulozo + H_2O ^{H^+,t^0} -> 2Glu d) Phản ứng nhiệt phân polistiren Phản ứng khâu mạch polime a) Sự lưu hóa cao su: Khi hấp nóng cao su thô với lưu huỳnh thu cao su lưu hóa Ở cao su lưu hóa, mạch polime nối với cầu –S–S– (cầu đisunfua) b) Nhựa rezit (nhựa bakelit): Khi đun nóng nhựa rezol thu nhựa rezit, mạch polime khâu với nhóm –CH2– (nhóm metylen) Polime khâu mạch có cấu trúc mạng không gian trở nên khó nóng chảy, khó tan bền so với polime chưa khâu mạch V – ĐIỀU CHẾ Có thể điều chế polime phản ứng trùng hợp trùng ngưng Phản ứng trùng hợp a) Khái niệm: - Trùng hợp trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monome), giống hay tương tự thành phân tử lớn (polime) - Điều kiện cần cấu tạo monome tham gia phản ứng trùng hợp phải có là: + Liên kết bội Ví dụ: CH2 = CH2, CH2 = CH–C6H5 + Hoặc vòng bền: Ví dụ: b) Phân loại: - Trùng hợp từ loại monome tạo homopolime Ví dụ: - Trùng hợp mở vòng Ví dụ: Nilon – (tơ capron) - Trùng hợp từ hai hay nhiều loại monome (gọi đồng trùng hợp) tạo copolime Ví dụ: Poli(butađien – stiren) (cao su buna – S) Phản ứng trùng ngưng a) Khái niệm: - Trùng ngưng trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monome) thành phân tử lớn (polime) đồng thời giải phóng phân tử nhỏ khác (như H 2O) - Điều kiện cần để có phản ứng trùng ngưng là: monome tham gia phản ứng trùng ngưng phải có hai nhóm chức có khả phản ứng để tạo liên kết với b) Một số phản ứng trùng ngưng: axit ε-aminocaproic axit ω-aminoenantoic Nilon – (tơ capron) Nilon – (tơ enan) Nhựa rezol B VẬT LIỆU POLIME I – CHẤT DẺO Khái niệm - Chất dẻo vật liệu polime có tính dẻo - Tính dẻo tính bị biến dạng chịu tác dụng nhiệt, áp lực bên giữ nguyên biến dạng tác dụng - Có số chất dẻo chứa polime song đa số chất dẻo có chứa thành phần khác polime bao gồm chất độn (như muội than, cao lanh, mùn cưa, bột amiăng, sợi thủy tinh…làm tăng số tính cần thiết chất dẻo hạ giá thành sản phẩm) chất dẻo hóa (làm tăng tính dẻo dễ gia công hơn) • Chất dẻo nhiệt dẻo: Các chất dẻo nhiệt dẻo có cấu trúc mạch thẳng mạch nhánh có độ mềm dẻo cao, khả nawngchiuj lực nhỏ, sử dụng dạng suốt, ống màng mỏng Nhiệt độ sử dụng sản phẩm chất dẻo nhiệt dẻo thấp khoảng 60 đến 70 độ C chất dẻo nhiệt dẻo bao gồm polyetylen(PE); polystyrene(PS); polypropylene(PP); polyamit(PA); polycacbonat(PC); polyvinilcloric(PVC); polyester(PTE); polymetylmetacrilat(PMMA)… dùng làm vật liệu phủ chống ăn mòn vanoongs đệm chịu hóa chất, ổ trượt, bánh răng, vỏ bọc dây cáp điện, đĩa CD… • Chất dẻo nhiệt rắn: Được chế tạo từ chất liên kết polyme mạch thẳng chất đông cứng, chất hóa dẻo, chất độn, chất xúc tác,dung môi Chất dẻo nhiêt rắn đông cứng có độ bền cao chất dẻo nhiệt dẻo, tính chịu nhiệt cao, tính cách điện tốt Cac chất dẻo nhiệt rắn bao gồm nhóm epoxy, phenolformaldehtd, ureformaldehyd Polyester, silicon, thường dung làm vật liệu đúc, keo dán, sơn, vật liệu composite, keo dán gỗ, sơn cách nhiệt, vật liệu chống dính Một số polime dùng làm chất dẻo a) Polietilen (PE) PE chất dẻo mềm, dùng làm màng mỏng, bình chứa, túi đựng… b) Poli(vinyl clorua) (PVC) PVC chất dẻo cứng, cách điện tốt, bền với axit, dùng làm vật liệu điện, ống dẫn nước, da giả… c) Poli(metyl metacrylat) (thủy tinh hữu PEXIGLAS) Poli(metyl metacrylat) chất dẻo cứng, suốt, không vỡ…nên gọi thủy tinh hữu Dùng để chế tạo kính máy bay, ô tô, kính bảo hiểm, dùng làm giả… d) Poli(phenol – fomanđehit) (PPF) (xem thêm đại cương polime) PPF có ba dạng: nhựa novolac, nhựa rezol, nhựa rezit Nhựa novolac: - Đun nóng hỗn hợp fomanđehit phenol lấy dư với xúc tác axit nhựa novolac mạch không phân nhánh (cầu nối metylen –CH 2– vị trí ortho para) - Nhựa nhiệt dẻo, dễ nóng chảy, tan số dung môi hữu cơ, dùng để sản xuất vecni, sơn… Nhựa rezol: - Đun nóng hỗn hợp phenol fomanđehit theo tỉ lệ mol : 1,2 có xúc tác kiềm Nhựa rezol không phân nhánh, số nhân phenol có gắn nhóm –CH 2OH vị trí số - Nhựa nhiệt rắn, dễ nóng chảy, tan nhiều dung môi hữu dùng để sản xuất sơn, keo, nhựa rezit Nhựa rezit (nhựa bakelit): - Đun nóng nhựa rezol 150oC nhựa rezit (hay nhựa bakelit) có cấu trúc mạng lưới không gian - Không nóng chảy, không tan nhiều dung môi hữu cơ, dùng sản xuất đồ điện, vỏ máy… Khái niệm vật liệu compozit Khi trộn polime với chất độn thích hợp thu vật liệu có độ bền, độ chịu nhiệt…tăng lên so với polime thành phẩm Đó vật liệu compozit - Chất (polime): dùng nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn - Chất độn: phân tán (nhưng không tan) vào polime Chất độn là: sợi (bông, đay, amiăng, sợi thủy tinh…) chất bột (silicat, bột nhẹ (CaCO 3), bột tan (3MgO.4SiO2.2H2O))… II – TƠ Khái niệm Tơ vật liệu polime hình sợi dài mảnh với độ bền định Phân loại Một số loại tơ tổng hợp thường gặp a) Tơ poliamit (có nhiều nhóm amit –CO–NH–) b) Tơ polieste (có nhiều nhóm este) c) Tơ vinylic (có nhiều nhóm polivinyl) III – CAO SU Khái niệm - Cao su vật liệu polime có tính đàn hồi - Tính đàn hồi tính biến dạng chịu lực tác dụng bên trở lại dạng ban đầu lực tác dụng - Có hai loại cao su: cao su thiên nhiên cao su tổng hợp Cao su thiên nhiên (polime isopren) a) Cấu trúc: - Công thức cấu tạo : n = 1500 – 15000 - Tất mắt xích isopren có cấu hình cis sau: b) Tính chất ứng dụng: - Cao su thiên nhiên lấy từ mủ cao su, đàn hồi tốt (nhờ cấu trúc cis điều hòa), không dẫn nhiệt điện, không thấm khí nước, không tan nước, etanol… tan xăng benzen - Cao su thiên nhiên cho phản ứng cộng H 2, Cl2, HCl,… đặc biệt cộng lưu huỳnh tạo cao su lưu hoá có tính đàn hồi, chịu nhiệt, lâu mòn, khó tan dung môi cao su không lưu hóa Cao su tổng hợp a) Cao su buna, cao su buna –S cao su buna –N : - Cao su buna có tính đàn hồi độ bền cao su thiên nhiên Khi dùng buta-1,3đien 10oC, polime sinh chứa 77% đơn vị trans-1,4 7% đơn vị cis-1,4 (còn lại sản phẩm trùng hợp 1,2) Còn 100oC sinh polime chứa 56% đơn vị trans-1,4 25% đơn vị cis-1,4 (còn lại sản phẩm trùng hợp 1,2) Cao su buna – S - Cao su buna –S có tính đàn hồi cao Ca o su buna –N - Cao su buna – N có tính chống dầu tốt b) Cao su isopren - Trùng hợp isopren có hệ xúc tác đặc biệt, ta poliisopren gọi cao su isopren, cấu hình cis chiếm ≈ 94 %, gần giống cao su thiên nhiên - Ngoài người ta sản xuất policloropren polifloropren Các polime có đặc tính đàn hồi nên gọi cao su cloropren cao su floropren Chúng bền với dầu mỡ cao su isopren 4.Eslatome Là nhóm sản phẩm polime có tính đàn hồi cao cao su có tên khoa học chung lả electome Electome có cấu trúc mạch lưới thưa hình thành trình lưu hóa Electome có nhiều loại cao su thiên nhiên, cao su divynyl, cao su polyizopren, cao su etylenpropylen, cao su silicon Thông dụng loại cao su polyizopren tự nhiên thường sử dụng để chế tạo vỏ ruột xe Cao su tổng hợp quan trọng styrene butadien (SBR) dùng làm vỏ ruột xe oto có tính cao, chịu mài mòn tốt, chịu ma sát Cao su silicon loại cao su đặc biệt có tính chịu nhiệt độ, cách điện tốt dung làm sơn chịu nhiệt, chất trám đường ống công nghiệp thực phẩm, gioăng kính IV – KEO DÁN Khái niệm Keo dán vật liệu polime có khả kết dính hai mảnh vật liệu giống khác mà không làm biến đổi chất vật liệu kết dính Phân loại a) Theo chất hóa hoc: - Keo vô (thủy tinh lỏng) - Keo hữu (hồ tinh bột, keo epoxi) b) Dạng keo: - Keo lỏng (hồ tinh bột) - Keo nhựa dẻo (matit) - Keo dán dạng bột hay mỏng Một số loại keo dán tổng hợp thông dụng a) Keo dán epoxi: gồm hợp phần: - Polime làm keo có chứa hai nhóm epoxi hai đầu - Chất đóng rắn thường triamin H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2 b) Keo dán ure – fomanđehit Poli(ure – fomanđehit) Một số loại keo dán tự nhiên a) Nhựa vá săm: dung dịch dạng keo cao su thiên nhiên dung môi hữu toluen… b) Keo hồ tinh bột: dung dịch hồ tinh bột nước nóng, dùng làm keo dán giấy V SỢI Polime dùng làm sợi loại có khả kéo thành sợi đến tỷ lệ 100:1 chiều dài đường kính Polime dùng làm sợi phải chịu lực học tốt như: kéo căng, uốn, mài mòn, xé, cách nhiệt, cách điện,ổn định với môi trường Các loại polime dùng chế tạo sợi poliamit, polyester, polyarcrylonitril, polyuretal VI MÀNG Màng vật polime phẳng, mỏng, có độ dày từ 0,125 đến 0,25 mm Màng sử dụng làm túi, bao bì thực phẩm chế tạo từ polime như: poletylen, polypropylene Đa số màng chế tạo đùn qua khe hẹp khuôn,sau cán qua trục để giảm chiều dày tăng độ bền VII CHẤT DẺO XỐP Là loại chất dẻo chứa nhiều lỗ xốp Người ta chế tạo chất dẻo xốp cách cho vào phối liệu chất mà gia nhiệt giải phóng khí hỗn hợp polime Cũng tạo chất dẻo xốp cách phun khí trơ,CO 2, vào polime trạng thái lỏng nhớt PU, PS,PPC Chất dẻo xốp dùng làm vật liệu nệm, lót cách nhiệt VIII SƠN Sơn hỗn hợp nhiều chất bao gồm chất tạo màng (polime), bột màu dung môi Vecni khác sơn chỗ hỗn hợp bột màu Thông thường sơn phân loại theo chất tạo màng như: sowndaauf, sơn epoxy, sơn polyuretal, sơn silicon C.GIA CÔNG POLYME I.Phối liệu Trong polymer thường có: • Các chất phụ gia như: - Chất độn ( bột gỗ, bột talc, bột sét) với mục đích làm giảm giá thành - Các chất hóa dẻo: cho vào hỗn hợp polymer nhầm làm tăng độ mềm dẻo, làm dễ dàng cho công nghệ tao hình - Chất ổn định: cho váo hỗn hợp polymer nhằm mục đích làm giảm ức chế trình lão hóa polymer ( amin, phenol, mồ hóng ) Chất tạo màu: ZnO (màu trắng ); chì cromat ( màu vàng ); Fe2O3 ( màu đỏ ); muội than ( màu đen ) - Chất chống cháy: alumin, thiếc oxit, muối photphat - Các chất phụ gia đặc biệt: dùng để lưu hóa, thong dụng lưu huỳnh preoxit • Các chất tăng cường: - Đây chất phối trộn với polymer có tác dụng cải thiện nhiều tính chất lý vật liệu polyme - Các chất tăng cường thường sử dụng như: vải thủy tinh, bi thủy tinh, bột graphit,mica dạng vảy, amian hay than polyme làm chất tăng cường ( sợi Kevlar, sợi ABC) - II Kỹ thuật gia công polymer Mục đích kỹ thuật gia công polyme Trong năm gần polymer (P) tổng hợp chiếm vai trò chủ đạo công nghiệp Với việc sản xuất nhiều loại polymer có tính chất hoá học, hoá lý thay đổi, có nhiều ứng dụng thực tế, tổng hợp polymer trở thành hoạt động bậc công nghiệp hoá học Cùng với phát triển polymer tổng hợp nhân tạo rõ ràng phần phải phát triển song song ngành biến đổi vật liệu polymer thành sản phẩm sử dụng vào việc cần thiết Cho nên lĩnh vực polymer cần phải phát triển đồng thời hai mặt tìm vật liệu polymer cải tiến đưa phương pháp gia công thích hợp với loại vật liệu yêu cầu sử dụng Khía cạnh thứ vấn đề mà môn kỹ thuật gia công polymer phải giải quyết, lĩnh vực quan trọng công nghiệp polymer Trong năm gần đây, số lượng loại polymer tìm so với năm phát triển ngành Vì vậy, nhà khoa học cố gắng tìm biện pháp sử dụng hiệu loại polymer có Pương pháp tạo hình polymer Phương pháp tạo hình polymer phổ biến đúc, đúc bao gồm số phương pháp đúc sau đây: - - - Đúc ép: phôi liệu cân đong xác đặt vào hai nửa khuôn nung nóng ép áp lực nhiệt độ xác định, vật liệu nóng chảy điền kín long khuôn Đúc trao đổi: dạng đúc ép phối liệu dược nung chảy bên khuôn phun vào hộp khuôn nên áp lực phân bố Đúc phun: phối phôi liệu cân đong xác pixton đẩy tiếp qua khe vào khuôn Áp lực suốt trình trì polyme rắn lại Đúc đùn: phương pháp chế tạo sản phẩm dài, có kích thước không đổi ống, sợi Đúc thổi: phương pháp chế tạo bình chai polyme Đúc khuôn: polyme nóng chảy đổ vào khuôn dúc kim loại  ... phenolformaldehtd, ureformaldehyd Polyester, silicon, thường dung làm vật liệu đúc, keo dán, sơn, vật liệu composite, keo dán gỗ, sơn cách nhiệt, vật liệu chống dính Một số polime dùng làm chất dẻo a) Polietilen... đồ điện, vỏ máy… Khái niệm vật liệu compozit Khi trộn polime với chất độn thích hợp thu vật liệu có độ bền, độ chịu nhiệt…tăng lên so với polime thành phẩm Đó vật liệu compozit - Chất (polime):... phẩm, gioăng kính IV – KEO DÁN Khái niệm Keo dán vật liệu polime có khả kết dính hai mảnh vật liệu giống khác mà không làm biến đổi chất vật liệu kết dính Phân loại a) Theo chất hóa hoc: - Keo