Các chất polyme đ∙ nghiên cứu có ứng dụng rất rộng r∙i để chế tạo nên chất dẻo, elastome và các loại khác.
a. Chất dẻo(plastics)
Chất dẻo hay nhựa là loại vật liệu polyme có số lượng chủng loại và sản lượng cao nhất, nên đôi khi dùng tên này để chỉ chung cho sản phẩm polyme. Theo
định nghĩa, chất dẻo là loại vật liệu có thể biến dạng mà không bị phá hủy và có thể định hình với áp lực thấp nhất. Polyme thuộc loại này có thể ở dạng tinh thể theo tỷ lệ nào đó và có tất cả các loại cấu trúc và hình thái cấu tạo (mạch thẳng, nhánh...., isotactic...), ở dạng nhiệt dẻo và nhiệt rắn.
ứng dụng
Có thể kể ra đây vài ứng dụng chính của một số chất dẻo.
- Các chất dẻo có độ dẻo cao như PE, PP... thường dùng làm màng bao gói sản phẩm, chai lọ mềm, đồ chơi.
- Các chất dẻo có độ trong suốt quang học cao như PMMA, PS (lúc này phải có độ vô định hình cao) thường dùng làm kính, cửa máy bay, dụng cụ đo đạc,
thiết kế, dụng cụ gia đình.
- PVC là một trong những chất dẻo được ứng dụng rất rộng r∙i để làm
đường ống, bọc dây điện, thảm trải nhà, băng ghi âm.
- PET loại dẻo nhất, có độ bền xé rách và mỏi rất cao, bền với độ ẩm, axit, chất béo và dung môi nên được làm băng từ tính, vải sợi, mành cho lốp xe các loại,
chai lọ đựng nước uống.
- Các loại nhựa nhiệt rắn như êpôxy, bakêlit... do có độ cứng và chịu nhiệt
độ cao hơn nên được dùng nhiều làm chi tiết máy, silicon có tính cách điện cao, rất trơ với hóa chất được dùng làm chất dẻo lớp, cách điện ở nhiệt độ cao và để
326
chỉnh hình.
Gia công chế tạo
Gia công chế tạo các sản phẩm chất dẻo thường tiến hành ở nhiệt độ cao và có thể dưới áp suất nhất định, tuy nhiên giữa nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn
cũng có điểm khác nhau.
- Nhựa nhiệt dẻo được gia công ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thủy tinh hóa và áp lực phải duy trì để đến khi làm nguội sản phẩm vẫn được bảo toàn hình dáng. Thường có xu hướng dùng nhựa nhiệt dẻo vì kinh tế, có thể tái sinh.
b)
a)
Hình 8.20. Sơ đồ của đúc ép (a) và đúc phun (b)
- Nhựa nhiệt rắn được gia công theo hai giai đoạn: đầu tiên tổng hợp polyme mạch thẳng, lỏng có khối lượng phân tử thấp (polyme trùng hợp sơ bộ - prepolymer), sang giai đoạn hai vật liệu này sẽ chuyển thành dạng cứng rắn trong khuôn với hình dáng và kích thước theo yêu cầu của sản phẩm. Sự đóng rắn này có thể xảy ra dưới tác dụng của nhiệt (hoặc của xúc tác) và thường dưới áp lực, lúc này có sự thay đổi về hóa học và cấu trúc phân tử tạo nên mạch lưới hay mạch không gian. Sau đóng rắn có thể lấy sản phẩm ra ngay mà không cần để nguội hẳn
như loại nhiệt dẻo.
Phương pháp tạo hình chất dẻo phổ biến nhất là đúc với các phương án khác nhau như:
+ Đúc ép (hình 8.20a): lượng phối liệu chính xác được đặt vào giữa hai nửa khuôn, khi đóng khuôn, nung và ép vật liệu nóng chảy và điền kín lòng khuôn.
+ Đúc trao đổi là một dạng của đúc ép nhưng phối liệu được nung chảy bên ngoài khuôn rồi được phun vào hộp khuôn nên áp suất được phân bố đều hơn.
+ Đúc phun (hình 8.20b) là phương pháp được dùng rộng r∙i nhất cho polyme nhiệt dẻo: lượng phối liệu chính xác được cung cấp từ phễu nạp liệu vào máy do chuyển động của piston, nó được đẩy vào buồng nung đến trạng thái lỏng - nhớt. Sau đó chất dẻo nóng chảy được piston đẩy tiếp qua khe vào khuôn, áp lực
được duy trì cho đến khi sản phẩm rắn lại, lúc đó mới được mở khuôn lấy sản phẩm ra và chu kỳ mới lại bắt đầu.
+ Đúc đùn áp dụng cho nhựa nhiệt dẻo: phối liệu ở trạng thái nóng chảy (lỏng - nhớt) được đẩy qua một khuôn mở tương tự như ép chảy kim loại (chỉ khác là ép chảy kim loại ở trạng thái rắn). Chất lỏng được đùn qua các lỗ của khuôn với quá trình hóa rắn bằng làm nguội với luồng không khí hoặc nước. Phương pháp dùng để sản xuất các sản phẩm dài và kích thước mặt cắt không đổi như thanh,
hình, ống, sợi.
+ Đúc thổi như gia công thủy tinh để làm các sản phẩm rỗng như chai lọ.
327
327
+ Đúc khuôn: chất dẻo nóng chảy được đổ vào khuôn đúc như đúc kim loại.
b.Elastome
Một nhóm sản phẩm của vật liệu polyme là loại có tính đàn hồi cao như
cao su dưới tên khoa học là elastome. Đặc điểm cấu trúc của elastome là có mạch lưới thưa. Đây là nguyên công cơ bản trong quá trình chế tạo elastome được gọi là
lu hãa.
Lu hãa (vulcanization)
Phản ứng lưu hóa là phản ứng không thuận nghịch xảy ra chủ yếu ở nhiệt
độ cao, trong đó lưu huỳnh (S) cho vào trong polyme sẽ nối các mạch cạnh nhau và tạo nên mạng lưới. Các cầu nối lưu huỳnh hình thành trong polyizopren theo phản ứng sau:
H CH3 H H H CH3 H H
C C = C C C C C C
H H H H
+ 2S → S S
H H H H
C C = C C C C C C
H CH3 H H H CH3 H H
Sau khi lưu hóa cao su vẫn giữ được các đặc tính đàn hồi nhưng cơ tính
được cải thiện hơn hẳn. Như đ∙ biết cao su khi chưa lưu hóa rất mềm và dính không thể làm các sản phẩm sử dụng được. Sau khi lưu hóa đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng được nâng cao lên (hình 8.21), điều đó có nghĩa môđun đàn hồi E cao hơn (đường cong biểu thị tỷ lệ σ / ε dốc hơn), độ bền cao hơn. Giá trị của môđun đàn hồi tăng tỷ lệ thuận với mật độ mạng lưới. Để tạo một loại cao su có độ gi∙n dài lớn mà không đứt các liên kết đồng hóa trị, mạng lưới phải thưa và cách xa nhau. Các cao su thông dụng thường chứa từ 1 đến 5% lưu huỳnh. Tăng lượng S sẽ làm cho độ cứng của cao su tăng lên, làm nó trở nên khó mòn, chống
ôxy hóa tốt hơn đáp ứng tốt các yêu cầu sử dụng nhưng làm giảm độ gi∙n dài. Một khi có cấu trúc mạch (mạng) lưới, elastome sẽ có đặc điểm của loại nhựa nhiệt rắn.
Hình 8.21. Hành vi biến dạng dưới tác dụng của lực đến độ giãn dài 600% của cao su lưu hóa và chưa lu hãa.
328
Các loại elastome
Cao su tự nhiên polyizopren hay NR (natural rubber) vẫn còn được ứng dụng rộng r∙i vì nó có sự kết hợp tốt các tính chất ưu việt kể trên. Elastome tổng hợp quan trọng nhất là cao su styren - butadien (SBR) được dùng chủ yếu làm lốp
ôtô với chất tăng cường là muội than. Khi dùng trong môi trường có xăng, dầu, mỡ phải dùng loại cao su nitril - butadien (NBR).
c.Sợi
Đặc điểm và ứng dụng
Polyme dùng làm sợi là loại:
- Có khả năng kéo thành sợi dài đến tỷ lệ 100: 1 giữa chiều dài và đường
kÝnh.
- Đáp ứng các yêu cầu về cơ - lý - hóa khá khắt khe, vì trong khi sử dụng, sợi phải chịu các lực cơ học như kéo căng, uốn mài mòn, xé; về lý học như cách nhiệt, điện, ổn định hóa học với môi trường.
Về cơ học sợi phải có giới hạn bền kéo lớn trong khoảng nhiệt độ rộng, môđun đàn hồi cao cũng như chịu mài mòn tốt. Các tính chất này được quyết định bởi bản chất của polyme và quá trình kéo sợi. Như thế polyme đem dùng phải là loại có khối lượng phân tử tương đối cao, mức độ kết tinh cao với cấu trúc mạch thẳng không có mạch nhánh, cân đối và điều hòa. Về cách kéo sợi, phổ biến hơn cả là polyme được nung đến trạng thái lỏng nhớt, rồi được bơm qua khuôn có rất nhiều lỗ bé, tạo thành các sợi đơn và hóa rắn ngay khi tiếp xúc với không khí. Như
đ∙ biết trong quá trình kéo sợi, độ bền của polyme được tăng lên theo hướng trục sợi.
Các polyme được dùng để kéo sợi là polyamit, polyeste PTE...
d.Màng
Màng (foil) là vật liệu phẳng, mỏng có chiều dày từ 0,025 đến 0,125mm.
Màng chủ yếu được dùng để làm túi, bao bì thực phẩm và các hàng hóa khác.
Polyme làm màng phải đáp ứng được các tính chất sau: khối lượng riêng nhẹ, độ mềm dẻo, độ bền kéo, xé rách cao, bền với nước, độ thấm các loại khí nhất là hơi nước phải thấp. Thường dùng polyetylen, polypropylen.
Đa số màng được sản xuất bằng cách đùn qua qua một khe hẹp của khuôn, sau đó qua trục để giảm chiều dày và tăng độ bền.
e.Chất dẻo xốp (foarms)
Là loại chất dẻo (gồm cả hai loại nhiệt dẻo và nhiệt rắn) có độ xốp rất cao.
Người ta đưa vào trong mẻ liệu chất nào đó khi nung nóng sẽ giải phóng ra khí.
Các khí sinh ra trong khắp khối chất lỏng nóng chảy khi làm nguội bị kẹt lại tạo ra rỗ xốp. Có thể dùng cách khác: phun khí trơ vào vật liệu ở trạng thái nóng chảy như polyuretan, caosu, polystyren và PVC. Chất dẻo xốp được dùng để làm đệm ghế ngồi, nội thất gia đình và bao gói sản phẩm.
329
Chương 9 compozit
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại dẫn tới các nhu cầu to lớn về loại vật liệu đồng thời có nhiều tính chất mà các vật liệu vừa học (kim loại, ceramic, polyme) khi đứng riêng rẽ không có được mà nổi bật là loại vừa bền lại vừa nhẹ, rẻ lại có tính chống ăn mòn cao. Compozit (hay còn gọi là vật liệu kết hợp) ra đời trong mấy chục năm gần đây đáp ứng được các yêu cầu đó, đ∙ ứng dụng và phát triển tới trình độ cao quy luật kết hợp - một quy luật phổ biến trong tự nhiên. Ngành khoa học và công nghệ về compozit đ∙ có nhiều sản phẩm dùng trong mọi lĩnh vực: từ ôtô, máy bay cho đến vật liệu chỉnh hình và hiện phát triển mạnh đến mức nhiều người cho rằng thế kỷ 21 sẽ là văn minh của compozit.