VI.1.1. Khái niệm:
Độ mềm là khả năng biến dạng của polime dưới tác dụng của một ngoại lực tác động mà không bị phá hủy.
Một vật liệu có khả năng biến dạng với chỉ một lực tác dụng bé nhưng kích thước và hình dáng của nó lại thay đổi nhiều thì vật liệu đó càng có độ mềm cao.
Yếu tố nào làm cho vật liệu polime có được tính chất này ?
Khi nghiên cứu cấu trúc của mẫu vật liệu cho thấy: ở trạng thái cân bằng các nguyên tử trong mạch chính liên kết với nhau với một khoảng cách L không đổi, ngoài ra các nguyên tử này sẽ tạo một góc không đổi α=109o28’ (góc hóa trị). Khi có lực tác dụng (hoặc tác dụng của nhiệt) vào polime làm cho các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử phá vỡ trạng thái cân bằng cũ được xác định bằng mức năng lượng tối thiểu để vật liệu tồn tại bền vững, thay vào đó là khi có sự sắp xếp vị trí của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử bằng cách quay quanh trục liên kết hình thành nên trạng thái cân bằng mới. Kéo theo đó là hình dạng kích thước của các nguyên tử biến đổi nên làm mắc xích và mạch phân tử bị biến dạng. Tuy nhiên, khi đó chiều dài liên kết C-C và góc liên kết được hình thành giữa nguyên tử C trong mạch và nguyên tử xung quanh là không đổi. Vì vậy, polime không bị phá hủy khi có ngoại lực tác dụng cho phép.
Như vậy độ mềm dẻo của mạch polime được thể hiện bởi khả năng quay quanh trục liên kết tạo thành mạch chính của đại phân tử.
Để thay đổi được vị trí, các nguyên tử hoặc toàn mạch phân tử thì các nguyên tử hay nhóm nguyên tử phải nhận được năng lượng để thắng lại lực cản trở của các nguyên tử, nhóm nguyên tử lân cận chúng (lực tương tác gần, tương tác xa).
a, Độ mềm nhiệt động: Đặc trưng cho chênh lệch giữa năng lượng của hai vị trí khác nhau
của các nhóm nguyên tử của polime), kí hiệu là ∆E. Độ mềm nhiệt động cho biết khả năng thay đổi hình thái sắp xếp của mạch polime và khả năng xảy ra sự thay đổi đó.
b, Độ mềm động học: Đặc trưng cho thế năng quay nội tại của polime. Kí hiệu Eo. Nó cho biết khả năng quay của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử trong polime.
Độ mềm nhiệt động và độ mềm động học không tương đồng với nhau. Vì ∆E có thể nhỏ nhưng Eo lớn thì tốc độ quay của các phân tử của mạch nhỏ, polime ít dẻo.
VI.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ mềm:
Độ mềm của polime có thể thay đổi trong một giới hạn rộng tùy thuộc vào bản chất bên trong của polime và các yếu tố bên ngoài tác động.
a, Bản chất bên trong của polime:
Độ dài mạch (khối lượng phân tử): nếu mạch polime quá ngắn thì sẽ dòn và ít thay đổi hình dạng, còn mạch quá dài sẽ làm polime trở nên cứng do số lượng các nguyên tử tác dụng tương hỗ tăng làm cho các mạch phân tử cuộn cứng lại mà không ở dạng thẳng. Như vậy độ dài của mạch tăng đến một giới hạn cho phép thì số lượng các mắc xích tăng khi đó khả năng tìm đến các vị trí khác nhau tăng nên độ mềm dẻo tăng.
Bản chất hóa học của các nhóm thế: thể hiện ở kích thước và tính có cực của nhóm thế. Tính có cực và kích thước của các nhóm thế càng tăng thì độ mềm polime càng giảm vì khi đó sự thay đổi hình thái sắp xếp hay vị trí giữa các nguyên cần thời gian lâu hơn và khó khăn hơn.
Cấu trúc, hình dáng mạch, mắc xích càng nhỏ gọn thì độ mềm càng tăng. Số lượng đoạn càng nhiều thì khả năng thay đổi vị trí các mạch nhiều nên độ mềm tăng.
Thềm thế năng quay (Eo): giá trị này phụ thuộc vào tương tác nội phân tử và giữa các nguyên tử nghĩa là phụ thuộc vào thành phần hóa học và cấu tạo của mạch. Trong polime mạch C độ mềm dẻo cao hơn các polime dị mạch O, S, N, Cl. F… (do độ phân cực bé nên tương tác nội phân tử và năng lượng thay đổi hình thái sắp xếp của polime mạch C nhỏ hơn). Tuy nhiên nếu các nhóm thế phân cực được sắp xếp đều đặn hay đối xứng trong mạch thì độ mềm của polime thấp.
b, Yếu tố bên ngoài:
Nhiệt độ và độ ẩm của môi trường bên ngoài làm tăng độ linh động, trương nở của các đoạn trong mạch polime nên làm giảm tác dụng tương hỗ giữa các mạch, dễ thay đổi vị trí sắp xếp, do đó độ mềm tăng.
+ Giảm bớt tính có cực của polime bằng cách tạo ra các copolime.
+ Tạo nhánh cho polime hoặc tạo ra các lưới làm tăng khoảng cách giữa các nhóm có cực, giữa các mạch để nhằm giảm lực tác dụng tương hỗ. Hoặc tạo ra các hình thái mạch theo kiểu atatic hay isotactic.
+ Hoá dẻo polime.
+ Phá hoại sự sắp xếp có quy luật hoặc đều đặn của các nhóm định chức, các mối nối liên kết giữa các mắc xích hoặc giữa các nhánh, các khối côpolime.
+ Nâng nhiệt độ hay hàm ẩm của môi trường.
+ Tổng hợp các polime có kích thước mạch và chiều dài mạch đến giới hạn cho phép.
Dựa vào độ mềm dẻo của mạch Polime có thể chia thành hai nhóm: elastomer và plastic.
- Elastomer: là những Polime có độ mềm dẻo cao ở nhiệt độ phòng. - Plastic: là những Polime cứng ở nhiệt độ phòng.
Tuy nhiên sự phân chia này chỉ có tính chất tương đối vì độ mềm dẻo của Polime phụ thuộc vào nhiệt độ.Tính tương đối này còn thể hiện ở những Polime có tồn tại ở cả hai trạng thái elastomer hoặc plastic ở nhiệt độ phòng đó là những polime có khả năng kết tinh ở nhiệt độ phòng.