10.2.1.Khỏi niệm về polyme
a) Định nghĩa: Polyme (cũn gọi là cao phõn tử) là phõn tử của nhiều hợp phần cơ bản (xuất phỏt từ tiếng Hylạp cổ, poly: nhiều, me: phần).
- Theo định nghĩa của liờn hiệp quốc tế về húa cơ bản và ứng dụng: polyme là một hợp chất gồm cỏc phõn tử được hỡnh thành do sự lặp lại nhiều lần của một loại hay nhiều loại nguyờn tử hay một nhúm nguyờn tử, liờn kết với nhau với số lượng khỏ lớn để tạo nờn một loại tớnh chất mà chỳng thay đổi khụng đỏng kể khi lấy đi hoặc thờm vào một vài đơn vị cấu tạo.
b) Phõn loại polyme:cú nhiều cỏch phõn loại khỏc nhau:
* Theo nguồn gốc hỡnh thành:
- Polyme thiờn nhiờn: cú nguồn gốc thực vật hay động vật: xenlulụ, enzim, cao su, amiăng, graphit thiờn nhiờn ....
- Polyme tổng hợp (nhõn tạo): được sản xuất từ những loại monome bằng cỏch trựng hợp, trựng ngưng như cỏc loại polyolephin, polyvinylclorit, polyamit, và cao su nhõn tạo. Đõy là loại quan trọng nhất, được sử dụng rất rộng rói trong thực tế.
* Theo thành phần:
- Polyme hữu cơ: là polyme cú mạch cơ bản là một hydrocỏcbon (cỏc chất dẻo và cao su)
- Polyme vụ cơ: là cỏc polyme mà trong mạch cơ bản của chỳng khụng cú hydrocỏcbon. Thành phần cơ bản của polyme vụ cơ là: ụ xýt silic, ụ xyt nhụm, ụ xyt can xy và ụ xýt ma giờ (thủy tinh silicat, gốm, mica, amiăng...)
- Polyme hữu cơ phõn tử (chỉ cú một phần hữu cơ): Trong mạch cơ bản của chỳng chứa cỏc nguyờn tử vụ cơ: Si, Ti, Al và nối với cỏc gốc hữu cơ: metyl (- CH3), phenol (-C6H5), etyl (-C2H5)
* Theo cấu trỳc (hỡnh dỏng đại phõn tử):
- Polyme mạch thẳng: Đại phõn tử của nú là cỏc chuỗi cỏc mắt xớch nối liền nhau theo đường dớch dắc hay hỡnh xoắn ốc (loại này cú polyờtylen PE, polyamid PA).
- Polyme mạch nhỏnh: là loại mạch thẳng nhưng trong đại phõn tử của nú cú thờm cỏc nhỏnh (polyizobutylen PIB)
- Polyme khụng gian: Cỏc monome cú ba nhúm hoạt động tạo nờn polyme khụng gian ba chiều, cú tớnh cơ, lý, nhiệt đặc biệt. (nhựa ờpoxy, phenon - formalđehyt).
- Polyme mạng lưới: Cỏc mạch cạnh nhau trong polyme này được nối với nhau bằng liờn kết đồng húa trị ((cỏc loại cao su lưu húa)
* Phõn loại theo tớnh chịu nhiệt:
- Polyme nhiệt dẻo: Thụng thường là cỏc polyme mạch thẳng. Ở nhiệt độ xỏc định chỳng cú thể chảy, trở thành dẻo và nhỏ hơn nhiệt độ này chỳng rắn trở lại. Đõy là loại polyme cú giỏ trị thương mại quan trọng nhất hiện nay.
- Polyme nhiệt rắn: Là cỏc polyme cú khối lượng phõn tử khụng cao lắm, ở nhiệt độ cao chỳng khụng khụng thể chảy mềm và khụng hũa tan trong dung mụi.
* Phõn loại theo lĩnh vực sử dụng: Chia ra cỏc loại chất dẻo, sợi, cao su, sơn và keo.
c) Tớnh chất của polyme:
* Tớnh núng chảy và hũa tan:Do khối lượng phõn tử lớn nờn polyme khụng
thể biến sang trạng thỏi khớ. Khi nung núng chỳng khụng thể chuyển thành chất lỏng cú độ nhớt thấp (sền sệt). Nếu trọng lượng phõn tử lớn và độ phõn cực mạnh thỡ chỳng khụng hũa tan trong bất kỳ dung mụi nào.
* Cơ tớnh của polyme: Cơ tớnh của polyme phụ thuộc vào cấu tạo, nhiệt độ
và cỏc trạng thỏi vật lý.
- Biến dạng dưới tỏc dụng của lực: mụ đun đàn hồi, giới hạn bền kộo, tớnh dẻo và độ dón dài của polyme được xỏc định tương tự như kim loại. s b kộo khoảng 100MPa, độ gión dài tương đối cực đại khoảng 1000% (kim loại tối đa 100%). Khi nhiệt độ tăng mụ đun đàn hồi giảm, độ bền kộo giảm, độ dẻo tăng.
- Tăng tốc độ biến dạng làm tăng tớnh dẻo và cú thể biến dạng dị hướng. - Độ bền mỏi: cú thể bị phỏ hủy mỏi dưới tỏc dụng của tải trọng cú chu ky, tuy nhiờn giới hạn mỏi nhỏ hơn rất nhiều so với kim loại
- Độ dai va đập: phụ thuộc vào điều kiện tỏc dụng của lực va đập, nhiệt độ và kớch thước mẫu. Nhỡn chung độ dai va đập của polyme nhỏ.
- Độ bền xộ: là năng lượng cần thiết để xộ rỏch một mẫu cú kớch thước theo tiờu chuẩn, quyết định khả năng làm việc của bao bỡ, vỏ bọc dõy điện...
- Độ bền riờng (Độ bền kộo/khối lượng riờng): một số pụlyme lớn hơn kim loại (Nylon 6,6 cú độ bền riờng là 71 km)
- Tớnh chất nhiệt: Dẫn nhiệt rất thấp, thường làm chất cỏch nhiệt dưới dạng bọt, mỳt...
- Tớnh chất điện: điện trở suất rất cao 1015-1018 W/cm, là chất cỏch điện tuyệt vời.
- Tớnh chất quang: một số polyme cú thể truyền ỏnh sỏng. Muốn vậy chỳng phải ở dạng vụ định hỡnh (poly cỏcbonat PC truyền sỏng 80%, polyeste PET truyền sỏng 90%).
10.2.2.Cỏc loại polyme thụng dụng và cụng dụng:
a) Chất dẻo: là loại vật liệu cú số lượng và sản lượng cao nhất hiện nay.
* Khỏi niệm: Chất dẻo là loại vật liệu cú thể biến dạng mà khụng bị phỏ
hủy và cú thể định hỡnh với ỏp lực thấp nhất.
* Cỏc chất dẻo thụng dụng:
- Acrylonitrit - butadien - styren (ABS) tờn thương mại: marbon, cycolac, lustran abson. Cụng dụng: đệm lút tủ lạnh, đồ chơi, dụng cụ làm vườn.
- Acrylic (polymetymet-acrylat) PMA, tờn thương mại lucite, plexigalass. Cụng dụng: kớnh, cửa mỏy bay, dụng cụ đo đạc, thiết kế
- Flocacbon PTFE hay TFE, tờn thương mại teflon TFE, halon TFE. Cụng dụng: van cỏc loại, đường ống, đệm chịu húa chất, chất bọc chống ăn mũn, chi tiết điện tử làm việc ở nhiệt độ cao.
- Polyamit PA, tờn thương mại: nylon, zytel, plaskon.
Cụng dụng: ổ trượt, bỏnh răng, bàn chải, tay cầm, vỏ bọc dõy điện, dõy cỏp...
- Polycacbonat PC, tờn thương mại merlon, lexan. Cụng dụng: mặt nạ an toàn, chao đốn, kớnh, nền cho phim ảnh.
- Polystyren PS, tờn thương mại styren, luxtrex, rexolite. Cụng dụng: hộp ắc quy, bảng điện trong nhà, đồ chơi, tường nhà, dụng cụ gia đỡnh...
- Vinyl PVC, tờn thương mại PVC, pliovic, saran, tygon. Cụng dụng: bọc dõy điện băng ghi õm, thảm trải sàn nhà, đường ống...
- Phenolớc: tờn thương mại epon, epirez, araldite.
Cụng dụng: bọc cỏc mụ tơ điện, vỏ điện thoại, dụng cụ điện. - Polyeste: tờn thương mại selectron, laminac, paraplex.
Cụng dụng: một số chi tiết trongụ tụ, ghế cỏc loại, vỏ và thõn quạt điện, thuyền composit, mặt nạ.
- Silicon: tờn thương mại nhựa DC.
Cụng dụng: vật liệu cỏch điện ở nhiệt độ cao.
b) Elastome: Thụng dụng nhất là cỏc loại cao su tổng hợp: cao su styren – butadien (SBR), nitrit-butadien (NBR), cao su silicon.
- Polyisopren: tờn thương mại cao su tự nhiờn (NR). Cụng dụng: săm, lốp, ống, đệm...
- Copolymestyren - butadien: tờn thương mại GRB, buna S (SBR). Cụng dụng: săm, lốp, ống, đệm...
Cụng dụng: Ống mềm dựng trong dầu hỏa, húa chất, dầu mỡ, đế gút giày... - Clopren: tờn thương mại neopren (CR).
Cụng dụng: bọc dõy cỏch điện, thiết bị húa chất, băng chuyền, cỏc loại ống, đệm ...
- Polysiloxan: tờn thương mại silicon.
Cụng dụng: cỏch điện ở nhiệt độ cao, thấp. Dựng trong y tế, chất trỏm đường ống trong cụng nghiệp thực phẩm.
10.2.3. Thuỷ tinh:
Trong phần này ta chỉ nghiờn cứu thủy tinh vụ cơ hay cũn gọi là thủy tinh silicat vỡ được chế tạo chủ yếu trờn cơ SiO2. Thủy tinh silicat chia ra làm hai nhúm lớn: thủy tinh vụ cơ (dạng vụ định hỡnh) và xitan (cú cấu tạo tinh thể)
10.2.4.Thủy tinh vụ cơ:
Là dạng cấu tạo đặc biệt của cỏc dung dịch đụng đặc, là một khối núng chảy phức tạp cú độ nhớt cao của cỏc ụ xyt a xit và ụ xyt bazơ.
a) Cấu tạo của thủy tinh:
Trạng thỏi thủy tinh húa là một dạng riờng của trạng thỏi vụ định hỡnh của vật chất. Khi chuyển từ trạng thỏi lỏng sang trạng thỏi rắn vụ định hỡnh trong quỏ trỡnh nguội nhanh và tăng độ nhớt thỡ tổ chức khụng trật tư, đặc trưng của trạng thỏi lỏng được giữ nguyờn lại trong trạng thỏi rắn. Do đú thủy tinh vụ cơ cú cấu trỳc bờn trong là khụng trật tự và khụng đồng nhất. Bộ sườn thủy tinh húa của thủy tinh là một mạng lưới khụng gian khụng cú quy luật, tạo ra bởi cỏc hỡnh trực thoi của ụ xyt silic [SiO4].
Trong thành phần thủy tinh vụ cơ gồm cú: ụ xit silic, bo, phốt pho, giecmani, asen thủy tinh húa tạo nờn mạng lưới cấu trỳc, cỏc ụ xyt natri, ka li, can xi, magiờ, ba ri làm thay đổi cỏc tớnh chất húa lý của nú. Ngoài ra cũn cú cỏc ụ xyt nhụm, sắt, chỡ, titan, beri...làm cho thủy tinh cú cỏc tớnh chất kỹ thuật cần thiết. Túm lại thủy tinh cụng nghiệp là một hệ thống nhiều nguyờn phức tạp.
b) Phõn loại thủy tinh:
* Theo bản chất húa học:
- Thủy tinh alumosilicat (Al2O3.SiO2) - Thủy tinh bosilicat (B2O3.SiO2)
- Thủy tinh alumobosilicat (Al2O3.B2O3.SiO2) - Thủy tinh alumophotphat (Al2O3.P2O5)
* Theo lượng chứa cỏc chất biến tớnh:
- Thủy tinh kiềm (chứa cỏc ụ xyt K2O, Na2O) - Thủy tinh khụng kiềm.
- Thủy tinh thạch anh.
* Cơ tớnh: Cú độ bền nộn cao (50ữ100kG/mm2), giới hạn bền kộo rất thấp (3ữ9kG/mm2), giới hạn bền uốn rất thấp (5ữ15kG/mm2), mụ đun đàn hồi cao (4500ữ10000kG/mm2), độ dai va đập thấp (1,5ữ2,5 kG.cm/cm2).
* Tớnh chất quang học:
Tớnh trong suốt, phản xạ, tỏn xạ, hấp thụ và khỳc xạ ỏnh sỏng.
* Hệ số gión nở nhiệ:t nhỏ, tớnh chịu nhiệt tương đối cao (xỏc định bởi
nhiệt độ mà tại đú làm nguội nhanh thủy tinh trong nước đến 0OC mà khụng bị nứt).
10.2.5.Xitan:
a) Khỏi niệm về xitan:
Xitan là vật liệu thể rắn đa tinh thể, được tạo thành bằng cỏch kết tinh định hướng thủy tinh. Tờn gọi xitan là do ghộp hai từ silicium và cristal cú nghĩa là thủy tinh tinh thể hay gốm thủy tinh.
Chế tạo xitan bằng cỏch nấu chảy mẻ liệu thủy tinh cú thành phần xỏc định và pha thờm chất xỳc tỏc để tạo mầm kết tinh. Sau đú làm nguội đờn trạng thỏi dẻo, tạo hỡnh theo yờu cầu và cho kết tinh. Quỏ trỡnh kết tinh gọi là xitan húa.
Thành phần mẻ liệu thủy tinh chế tạo xitancú cỏc loại ụ xyt LiO2, Al2O3, SiO2, MgO, CaO...cựng cỏc chất tạo mầm Au, Ag, Cu nằm lơ lửng trong thủy tinh lỏng dưới dạng keo.
b) Tổ chức và tớnh chất của xitan:
- Tổ chức của xi tan cú nhiều pha, gồm cỏc hạt của một hay một số loại tinh thể khỏc nhau, ở giữa cỏc pha tinh thể là một lớp thủy tinh (dạng vụ định hỡnh). Lượng pha tinh thể trong khoảng từ 30-95%.
- Tớnh chất: tớnh chất của xitan được quyết định bởi tổ chức và thành phần giữa cỏc pha. Xitan cú tớnh đẳng hướng, chịu mài tốt, ớt khuyết tật bề mặt, khụng cú rỗ xốp và ớt co.
c) Phõn loại xitan: Xitan được chia làm ba loại
- Xitan quang học: được chế tạo từ thủy tinh hệ Li cú chất tạo mầm là cỏc chất nhuộm dạng keo. Khi chiếu cỏc tia cực tớm hay tia rơnghen vào sẽ sảy ra quỏ trỡnh húa quang học. Quỏ trỡnh kết tinh xảy ra khi nung lại sản phẩm.
- Xitan nhiệt: được chế tạo từ thủy tinh hệ MgO-Al2O3- SiO2, CaO-Al2O3- SiO2 ...với chất tạo mầm là TiO2, FeS. Cấu trỳc tinh thể của xitan được hỡnh thành khi nhiệt luyện lại chi tiết. (Nung cao hơn nhiệt độ t0tt và làm nguội nhanh trong dũng khớ nộn hay dầu).
- Xitan xỉ: nhận được từ xỉ lũ cao và cú thờm chất biến tớnh như: cỏc muối sunphat, bột sắt...
d) Cụng dụng:
Xitan dựng làm ổ đỡ, cỏc chi tiết trong động cơ đốt trong, vỏ dụng cụ điện tử, ống dẫn trong cụng nghiệp húa, cỏnh mỏy nộn khớ, vũi phun động cơ phản lực, dụng cụ đo ...
10.2.6 Nấu thủy tinh:
a) Nguyờn liệu để nấu thủy tinh:
* Nguyờn liệu chớnh:
- Na2CO3 và Na2SO4 để cung cấp Na2O, thờm vào K2CO3 để tạo ra K2O. Hai ụxyt này hạ thấp nhiệt độ chảy, tăng độ hũa tan và tốc độ khử bọt
- Đỏ vụi, đụlụmit (CaCO3.MgCO3), BaCO3, BaSO4 để tạo ra CaO, MgO, BaO giỳp cho khử bọt dễ dàng và cú tỏc dụng húa học tốt hơn.
* Nguyờn liệu phụ
- Chất tạo màu: nhúm này cú tỏc dụng tạo màu cho thủy tinh theo ý muốn, gồm khỏ nhiều chất tựy theo yờu cầu về màu sắc. Vớ dụ: MnO2 tạo màu tớm, Cr2O3 cho màu lục vàng, FeO cho màu xanh...
- Chất khử màu: do một số tạp chất làm cho thủy tinh cú một số màu như xanh lam, vàng nhạt... Lỳc này phải dựng cỏc chất khử màu: ụ xyt asenớc, ụ xyt ăngtimoan, đi ụxyt xờri, ụ xyt cụ ban, sờlen, ụ xyt niken...
- Chất ụ xy húa và chất khử: dựng khi n ấu thủy tinh màu. Chất ụ xy húa: perụxit mangan, chất khử: mạt cưa, than đỏ, tacrat kali a xit (KHC4H4O6)...
- Chất gõy đục: dựng khi cần tạo thủy tinh đục ta cho thờm vào hợp chất của ăngtimoan, thiếc, phốt pho...
-Chất khử bọt: điụxit xờ ri, triụxyt asenic ...
b) Quỏ trỡnh nấu thủy tinh: Gồm năm giai đoạn sau: - Giai đoạn tạo silicat (Na2SiO3)
- Giai đoạn tạo thủy tinh. - Giai đoạn khử bọt
- Giai đoạn đồng nhất húa. - Giai đoạn làm nguội.
10.2.7. Cỏc loại thủy tinh:
a) Thủy tinh dõn dụng:
* Thủy tinh bao bỡ:
Yờu cầu của thủy tinh bao bỡ là: độ bền húa học cao, khụng phản ứng với cỏc chất chứa bờn trong độ bền cơ học cao, chịu được va chạm, chịu được ỏp suất và sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ. Thủy tinh bao bỡ được phõn ra làm hai loại :
- Loại miệng hẹp (đường kớnh trong < 30 mm): cỏc loại chai bia, rượu, nước ngọt, thuốc...
- Loại miệng rộng (đường kớnh trong > 30 mmm): cỏc lọ, bỡnh, chậu ...
* Thủy tinh bỏt đĩa, pha lờ:
Yờu cầu của thủy tinh bỏt đĩa, pha lờ:
- Phải chế tạo từ thủy tinh trong suốt khụng màu. - Khụng cú cỏc khuyết tật: vẫn sợi, bọt và búng khớ - Bề mặt phải sạch búng, mộp cạnh khụng được sắc nhọn Cụng dụng: cốc uốn nước, ly rượu,lọ hoa, chựm đốn, bỏt đĩ a...
b) Thủy tinh chịu nhiệt và tỏc dụng húa học:
* Thủy tinh làm dụng cụ thớ nghiệm:
Loại thủy tinh này thuộc hệ hiều cấu tử khỏ phức tạp, thành phần của nú gồm: B2O, Al2O3, ZnO, BaO và pha thờm TiO2, ZrO2. Nú cú khả năng chịu tỏc dụng húa học tốt và chịu nhiệt khỏ cao.
Cụng dụng: Ống nghiệm, cốc đốt, lọ đựng húa chất, pipet, bu rột ...
* Thủy tinh làm ống đựng thuốc (ăm pun):
Đõy là loại thủy tinh trung tớnh để khụng tỏc dụng húa học phỏ hủy thuốc. Trong thành phần khụng được chứa cỏc o xyt kim loại nặng PbO, ZnO, Sb2O3, As2O3.
* Thủy tinh làm nhiệt kế:
Là loại thủy tinh khú nấu chảy khụng cú tớnh kiềm hay ớt kiềm. Trong thành phần của nú cú chứa ụyt nhụm và ụ xyt kim loại kiềm thổ cao.
* Thủy tinh thạch anh:
Được nấu từ đỏ thạch anh tự nhiờn hay cỏt thạch anh tinh khiết. Được chia làm hai loại: thạch anh khụng trong suốt được nấu từ cỏc thạch anh (cú nhiều bọt khớ nhỏ) và thạch anh trong suốt được nấu từ thạch anh thiờn nhiờn.
Cụng dụng: làm thỏp cụ đặc trong cụng nghiệp húa học, làm vỏ lũ nung, ống bảo vệ nhiệt kế, vật cỏch điện, đốn chiếu tia tử ngoại...
c) Thủy tinh quang học:
* Yờu cầu của thủy tinh quang học
- Hằng số quang học phự hợp với yờu cầu
- Khụng cú tớnh lưỡng chiết hay chỉ trong giới hạn cho phộp. - Tớnh chất quang học phải đồng nhất.
- Khụng cú bọt, khụng bị tỏn xạ, khỳc xạ... - Trong suốt, khụng màu.
- Chịu húa học và chịu nhiệt tốt
* Cụng dụng: làm cỏc dụng cụ quang học như kớnh lỳp, kớnh hiển vi, thiờn văn...
d) Thủy tinh điện chõn khụng:
* Yờu cầu:
- Cỏch điện tốt, khụng thẩm thấu khớ.
- Cú thể cho qua ỏnh sỏng trong vựng nhỡn thấy được và quang phổ hồng ngoại. - Khi đốt núng dễ tạo hỡnh và hàn kớn.
- Tớnh chịu nhiệt và húa học cao.
- Tớnh gión nở tương ứng cỏc kim loại thường dựng trong kỹ thuật điện chõn khụng như: W, Mo, Pt, hợp kim Fe, Ni Co...