Vật liêu học kỹ thuật - Chương 8

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

184
lượt xem 58
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo bài giảng Vật liêu học kỹ thuật bộ môn Vật liệu học và nhiệt luyện - Chương 8 Vật liệu polymer

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Vật liêu học kỹ thuật - Chương 8

119 Ch−¬ng 8 vËt liÖu h÷u c¬ §Þnh nghÜa: lµ hîp chÊt gåm c¸c ph©n tö ®−îc h×nh thµnh do sù lÆp l¹i nhiÒu lÇn cña mét hay nhiÒu lo¹i nguyªn tö hay mét nhãm nguyªn tö (®¬n vÞ cÊu t¹o = monome) liªn kÕt víi nhau víi sè l−îng kh¸ lín ®Ó t¹o nªn mét lo¹t tÝnh chÊt mµ nh÷ng tÝnh chÊt nµy thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ khi lÊy ®i hoÆc thªm vµo mét vµi ®¬n vÞ cÊu t¹o. Ph©n lo¹i Theo nguån gèc h×nh thµnh: Polyme thiªn nhiªn, polyme tæng hîp . Polyme thiªn nhiªn: nguån gèc thùc vËt, ®éng vËt: xenlulo, cao su, Protein . Polyme tæng hîp: Ph¶n øng trïng hîp, trïng ng−ng: Polyolefin, Polyamit, nhùa phªnol fomadehit. Theo cÊu tróc: a- th¼ng b- nh¸nh c- l−íi . Polyme m¹ch th¼ng Polyetylen, PolyvinyRelorit, Polystyren. . Polyme m¹ch nh¸nh c¸c nh¸nh xem nh− mé phÇn cña ph©n tö t¹o b»ng tõ c¸c ph¶nøng phô trong qu¸ tr×nh tæng hîp polyme cã m¹ch nh¸nh sù s¾p xÕp Ýt chÆt chÏ dÉn ®Õn tû träng cña polyme gi¶m . Polyme m¹ch l−íi c¸c m¹ch c¹nh nhau ®−îc nèi víp nhau b»ng c¸c liªn kÕt céng ho¸ trÞ c¸c l−íi naú th−êng ®−îc h×nh thµnh nhê cho thªm vµo c¸c nguyªn tö, ph©n tö t¹o liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ víi m¹ch chÝnh. Cao su m¹ng l−íi t¹o thµnh do qu¸ tr×nh l−u ho¸ . Polyme kh«ng gian c¸c monome cã ba nhãm ho¹t ®éng t¹o nªn polyme kh«ng gian ba chiÒu. Thùc tÕ c¸c polyme m¹ng l−íi dµy ®Æc cã thÓ coi lµ polyme kh«ng gian: Nhùa epoxy, nhùa phenolfomadehyt. Chó ý: mét polyme kh«ng thÓ thuÇn nhÊt mét lo¹i cÊu tróc vÝ dô polyme m¹ch th¼ng cã thÓ vÉn gåm cã cÊu tróc m¹ch nh¸nh vµ m¹ch l−íi nh−ng m¹ch th¼ng chiÕm ®a sè §Æc ®iÓm: polyme nhÑ, bÒn nªn ®é bÒn riªng lín, chÞu ¨n mßn tèt HÇu nh− kh«ng dÉn nhiÖt, kh«ng dÉn ®iÖn. Ph©n lo¹i theo tÝnh chÞu nhiÖt: Polyme nhiÖt dÎo (thermoplastic): th−êng lµ c¸c polyme m¹ch th¼ng, ë nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh d−íi t¸c dông cña lùc c¸c phÇn tö cã thÓ tr−ît lªn nhau cã nghÜa lµ vËt liªô cã thÓ dÎo, ch¶y, nh−ng ë nhiÖt ®é thÊp h¬n nã l¹i r¾n trë l¹i. Gäi lµ polyme nhiÖt dÎo v× nhiÖt ®é cµng t¨ng th× tÝnh dÎo cµng t¨ng. Polyme nhiÖt dÎo lµ lo¹i polyme cã gi¸ trÞ th−¬ng m¹i quan träng nhÊt Polyme nhiÖt r¾n (thermoset): lµ c¸c polyme hay oligome (polyme cã khèi l−îg ph©n tö kh«ng cao l¾m) chóng th−êng cã cÊu tróc kh«ng gian. §−îc chÕ t¹o tõ c¸c polyme m¹ch th¼ng, hoÆc nh¸nh bÐ nÊu ch¶y+cho thªm vµo c¸c chÊt ®ãng r¾n →t¹o h×nh d−íi t¸c dông xóc t¸c cña c¸c chÊt ®ãng r¾n→ chuyÓn thµnh m¹ch kh«ng gian kh«ng thuËn nghÞch
120 Kh¸c polyme nhiÖt dÎo, polyme nhiÖt r¾n ë nhiÖt ®é cao kh«ng bÞ ch¶y mÒm vµ kh«ng hoµ tan vµo dung m«i thµnh polyme nhiÖt r¾n, kh«ng cã kh¶ n¨ng t¸i sinh Ph©n lo¹i theo lÜnh vùc ¸p dông: chÊt dÎo, sîi, cao su, s¬n, keo tÝnh chÊt vµ ¸p dông sÏ ®−îc tr×nh bµy sau. 8.1. §Æc ®iÓm cña vËt liÖu h÷u c¬ 8.1.1. H×nh thµnh vËt liÖu polyme Nguyªn vËt liÖu ban ®Çu cho vËt liÖu polyme Ngµy nay C«ng nghiÖp ho¸ dÇu cung cÊp nguyªn liÖu s¶n xuÊt ra c¸c polyme do ®ã ho¸ dÇu→↑ c«ng nghiÖp polyme→ kÝch thÝch c«ng nghiÖp ho¸ dÇu Ba ph−¬ng ph¸p chÝnh ®Ó s¶n xuÊt c¸c hîp chÊt trung gian nµy: . T¸ch c¸cbua hydro riªng biÖt trong dÇu má sau ®ã chuyÓn thµnh c¸c hîp chÊt cÇn thiÕt: n-butan = butaduen vµ xyclohexan b»ng monome nylon . T¸ch c¸c olefin cña qu¸ trÝnh cracking → hydro cacbon m¹ch th¼ng . T¹o c¸c hîp chÊt th¬m: Benzen b»ng qu¸ tr×nh platforming→ hydro cacbon th¬m c¸c hîp chÊt trung gian t¹o b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p trªn→ oxy ho¸, halogen ho¸, hydrat ho¸.. → hîp chÊt kh¸c. C¸c ph−¬ng ph¸p tæng hîp polyme I. Ph−¬ng ph¸p trïng hîp: C¸c monome dïng ®Ó trïng hîp lµ c¸c hîp chÊt ®¬n gi¶n cã khèi l−îng ph©n tö thÇp, cã chøa c¸c nèi ®«i vÝ dô n(CH2=CH2) CH2=CH2 → -CH2-CH2- §a sè polyme nhiÖt dÎo trïng hîp theo ph−¬ng ph¸p nµy HH HH H HH H HH HH H HH H C=C -C - C- -C - C- C - C- - C=C -C - C- -C - C--C - C- H H HH H HH H H Cl H Cl H Cl H Cl etylen PE vinylclorit PVC §Ó trïng hîp ph¶i cã c¸c t¸c nh©n: tia giµu n¨ng l−îng, nhiÖt hoÆc dïng chÊt khëi t¹o c¬ chÕ trïng hîp dïng chÊt khëi t¹o qua ba giai ®o¹n: . Khëi ®Çu: t¹o c¸c gèc tù do cña beroxytbenzoil: C6H5-C- O + C6H5+CO2 = 2R C6H5-C-O-O-C-C6H5 O O O c¸c gèc tù do (R ) kÕt hîp víi monome t¹o gèc tù do míi: = R míi R + CH2=CH R - CH2- CH X X . Giai ®o¹n ph¸t triÓn C¸c gèc tù do h×nh thµnh ë giai ®o¹n më ®Çu tiÕp tôc ph¶n øng víi c¸c monome t¹o ra c¸c gèc tù do míi cã m¹ch dµi h¬n vµ ®é ho¹t ®éng ho¸ häc t−¬ng tù ph¶n øng lÆp l¹i hµng ngµn lÇn trong vµi gi©y do ®ã sè monome tham gia vµo mét gèc cao ph©n tö phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn ph¶n øng vµ yªu cÇu ®èi víi s¶n phÈm. . Giai ®o¹n kÕt thóc cã nhiÒu c¸ch kÕt thóc VÝ dô: kÕt hîp hai gèc tù do ®ang ph¸t triÓn thµnh mét ph©n tö polyme R - CH2- CH + R - CH2- CH R - CH2- CH-CH- CH2-R X X X X
121 Ph¶n øng chuyÓn m¹ch víi mét chÊt biÕn ®æi cã thÓ lµ dung m«i, chÊt æn ®Þnh, hoÆc chÊt ®iÒu hoµ khèi l−îng ph©n tö: VÝ dô dïng chÊt ®iÒu hoµ m¹ch RY R - CH2- CH -Y+ R R - CH2- CH + RY X X Trong ph¶n øng nµy m¹ch cao ph©n tö ngõng ph¸t triÓn (®iÒu hoµ m¹ch) nh−ng kh«ng lµm gi¶m nång ®é cña gèc tù do do ®ã vËn tèc trïng hîp kh«ng gi¶m II. Ph¶n øng trïng ng−ng Kh¸c ph¶n øng trïng hîp x¶y ra ë nèi ®«i cña monome (t¸ch c¸c liªn kÕt ®«i), ph¶n øng trïng ng−ng x¶y ra gi÷a c¸c nhãm chøc kh¸c nhau cña monome. VÝ dô sx polyeste tõ diaxit vµ diol: HOOCR1COOH + HOR2OH → HOOCR1COOR2OH + H2O HOOCR1COOR2OH + HOOCR1COOH→HOOCR1COOR2OOCR1COOH+H2O nh− vËy mét nhãm axit ph¶n øng víi mét nhãm hydroxyl t¹o liªn kÕt este víi s¶n phÈm phô lµ n−íc. Ph©n tö t¹o thµnh vÉn cã hai nhãm chøc -OH vµ -H ë cuèi m¹ch. Chóng l¹i ph¶n øng tiÕp cho ®Õn khi ®¹t khèi l−îng ph©n tö cÇn thiÕt [-OC- R1-CO-O-R2-O]n Polyeste m¹ch th¼ng Polyamit (nylon) ®−îc s¶n xuÊt b»ng ph−¬ng ph¸p trïng ng−ng diamin vµ diaxit [-NH-R1-NH-CO-R2-CO-]n Dïng chÊt xóc t¸c (kiÒm hoÆc axit) cuèi ph¶n øng dïng ch©n kh«ng ®Ó t¸ch n−íc vµ c¸c s¶n phÈm phô cã khèi l−îng ph©n tö thÊp. Kh¸c ph¶n øng trïng hîp x¶y ra nhanh (vµi gi©y) ph¶n øng trïng ng−ng x¶y ra tõng bËc thêi gian dµi. 8.1.2. Ph©n tö Polyme Ph©n tö Polyme lµ khæng lå cßn gäi lµ cao ph©n tö. Nãi chung gåm cã m¹ch chÝnh gåm c¸c nguyªn tö cacbon hai ho¸ trÞ liªn kÕt víi hai nguyªn tö cacbon bªn c¹nh, cßn hai ho¸ trÞ cßn l¹i cã thÓ liªn kÕt víi nguyªn tö hoÆc nhãm nguyªn tö t¹o thµnh c¸c nh¸nh bªn cña m¹ch HHHH VÝ dô Polyetylen [C2H4]n      HH HH HHHH -C - C--C - C- -C-C-C-C-C- -C - C- -C - C- -C - C--C - C-  HHHH H CH3 H CH3 H Cl H Cl PE PVC PP ®¬n vÞ cÊu tróc b»ng m¾t xÝch = mét ®¬n vÞ cÊu tróc C2H4 thùc tÕ gãc liªn kÕt gi÷a c¸c nguyªn tö cacbon kh«ng ph¶i lµ 180o mµ lµ 109o do ®ã kho¶ng c¸ch hai nguyªn tö cacbon lµ 0,154nm ®¬n gi¶n tõ ®©y chØ vÏ th¼ng mét nguyªn tö H ®−îc thay b»ng nguyªn tö Cl Polyvinylclorit =PVC. Thay mét nguyªn tö H b»ng nhãm metyl (CH3) Polypropylen= PP TÊt c¶ c¸c m¾t xÝch gièng ngau nh− trong PVC, PP, PE gäi lµ homopolyme. Thùc tÕ ®Ó thay ®æi tÝnh chÊt cña polyme ng−êi ta cã thÓ trïng hîp hai hay nhiÒu monome s¶n phÈm ®−îc gäi lµ copolyme (polyme ®ång trïng hîp).
122 C¸c monome ®Ò cËp trªn cã hai kh¶ n¨ng ph¶n øng ë hai ®Çu gäi lµ monome hai chøc chóng cã thÓ nèi víi hai monome thµnh polyme m¹ch dµi. Cßn cã lo¹i monome ®a chøc (h¬n hai chøc) chóng cã thÓ nèi víi ba monome kh¸c t¹o polyme kh«ng gian. 8.1.3. Khèi l−îng ph©n tö vµ sù ph©n bè khèi l−îng ph©n tö Khèi l−îng ph©n tö cµng lín th× ®é ch¶y cña polyme cµng gi¶m vµ ®é bÒn ®é nhít cµng t¨ng. Khèi l−îng ph©n tö cña mét polyme rÊt kh¸c nhau ®Ó ®Æc tr−ng cho sù ph©n t¸n khèi l−îng ph©n tö ng−êi ta ®−a ra sù ph©n bè khèi l−îng ph©n tö K: MW K= Mn Trong ®ã : M W = ∑ WiMi = ∑ g iMi , Wi lµ tû lÖ khèi l−îng cña c¸c ph©n tö cã cïng khèi G l−îng Mi G lµ tæng khèi l−îng kh¶o s¸t, gi lµ khèi l−îng cña polyme cã cïng ph©n tö l−îng Mi Mw trung b×nh mol theo tû lÖ träng l−îng Mw= Σ(tæng khèi l−îng ph©n tö cïng kÝch th−íc).(khèi l−îng mét ph©n tö) khèi l−îng tæng céng ∑n M ni Mn=Σ XiMi= i i trong ®ã lµ tû lÖ sè ph©n tö cã cïng khèi l−îng Mi N N Mn khèi l−îng trung b×nh mol theo ph©n tö Mn = khèi l−îng tæng céng tæng sè ph©n tö K=1 khèi l−îng ph©n tö ®ång nhÊt lý t−ëng hiÕm gÆp K≤5 Sù ph©n bè khèi l−îng ph©n tö hÑp 5ρS>ρa v× m¹ch xÕp xÝt chÆt h¬n nªn c¬ tÝnh cao h¬n 0
123 K phô thuéc vµo tèc ®é nguéi, cÊu t¹o ph©n tö : nguéi nhanh, ph©n tö cång kÒnh phøc t¹p nhiÒu m¹ch nh¸nh → khã kÕt tinh. Polyme cÊu tróc m¹ch kh«ng gian, copolyme xen kÏ lµ lo¹i v« ®Þnh h×nh. Polyme tinh thÓ cÊu tróc gåm c¸c h¹t gäi lµ c¸c tiÓu cÇu trong mçi h¹t l¹i cã c¸c líp tinh thÓ vµ v« ®Þnh h×nh xen kÏ nhau. D−íi t¸c dông cña lùc c¸c líp tinh thÓ bÞ tr−ît lªn líp v« ®Þnh h×nh vµ líp v« ®Þnh h×nh còng bÞ biÕn d¹ng lµm cho polyme cã tÝnh ®Þnh h−íng vµ t¨ng ®é bÒn. Polyme v« ®Þnh h×nh, hoÆc polyme cã tû lÖ kÕt tinh thÊp d−íi t¸c dông cña t¶i träng dµi cã xu h−íng ch¶y nhít (biÕn d¹ng trÔ). NÕu t¨ng thêi gian ®Æt t¶i th× polyme phôc håi cµng lín, biÕn d¹ng lín. NÕu ®Æt t¶i träng ng¾n biÕn d¹ng kh«ng ®¸ng kÓ, chi tiÕt vÉn cßn chÞu ®−îc. C¸c polyme v« ®Þnh h×nh cã m¹ch ph©n tö cuén uèn khóc nhiÒu khi cã lùc t¸c ®éng c¸c ph©n tö duçi ra, bá lùc t¸c dông c¸c ph©n tö l¹i co l¹i ®µn håi nh− cao su. ë nhiÖt ®é cao polyme thuû tinh ho¸ cã cÊu tróc v« ®Þnh h×nh nªn tÝnh dÎo t¨ng vµ tÝnh bÒn gi¶m. ë nhiÖt ®é thÊp ®é linh ®éng m¹ch nhá dÉn ®Õn polyme cã xu h−íng gißn (ph¸ huû gißn). Polyme d·n në nhiÖt nhiÒu h¬n kim lo¹i chi tiÕt l¾p ghÐp víi kim lo¹i cÇn l−u ý. 8.2. C¸c polyme th«ng dông vµ øng dông 8.2.1. ChÊt dÎo: S¶n l−îng cao nhÊt hiÖn nay §Þnh nghÜa: lµ vËt liÖu cã thÓ biÕn d¹ng mµ kh«ng bÞ ph¸ huû vµ cã thÓ ®Þnh h×nh víi ¸p lùc thÊp. Hai nhãm: Polyme nhiÖt dÎo: gia c«ng t¹o h×nh ë nhiÖt ®é cao h¬n nhiÖt ®é thuû tinh ho¸ ¸p lùc ph¶i duy tr× (Ðp khu«n) ®Õn khi lµm l¹nh s¶n phÈm ®Õn b¶o tån h×nh d¹ng. Kh¶ n¨ng t¸i sinh s¶n phÈn ®Õn kinh tÕ; t¹o h×nh lµm n¨ng suÊt thÊp. Nhãm polyme nhiÖt r¾n: s¶n xuÊt hai giai ®o¹n: Giai ®o¹n 1 lµ tæng hîp polyme m¹ch th¼ng, láng, cã khèi l−îng ph©n tö thÊp (trïng hîp s¬ bé polyme). Giai ®o¹n 2 cho chÊt ®ãng r¾n (cã thÓ kh«ng cÇn) cïng vµo khu«n Ðp vµ gia nhiÖt. D−íi t¸c dông cña chÊt ®ãng r¾n hoÆc t¸c dông nhiÖt vµ lùc Ðp polyme trë nªn cÊu tróc kh«ng gian, ®ãng r¾n vµ cã thÓ rì khu«n ngay. Polyme nhiÖt r¾n chÞu nhiÖt ®é cao, kh«ng nãng ch¶y l¹i, kh«ng cã kh¶ n¨ng t¸i sinh. §óc (¸p lùc) lµ ph−¬ng ph¸p t¹o h×nh chñ yÕu. C¸c chÊt ®én: bét oxit Al2O3, ®Êt sÐt, oxit Zn trén lÉn tr−íc khi cho vµo khu«n hoÆc cho vµo khu«n tr−íc råi ®ïn chÊt dÎo vµo. Cã hai ph−¬ng ph¸p ®óc th−êng dïng hiÖn nay: Ðp ®ïn, cho polyme nhiÖt dÎo, buång Ðp gia nhiÖt. Pitt«ng ®Èy, Ðp polyme ë tr¹ng th¸i láng nhít vµo khu«n ®Õn khi ®«ng ®Æc- lÊy s¶n phÈm 10-30s/s¶n phÈm. §óc Ðp: phèi liÖu d¹ng bét (h¹t) ®−îc ®−îc ®−a vµo lç khu«n, chµy Ðp ®ãng kÝn khu«n vµ gia nhiÖt ®ång thêi trong thêi gian 10-20s ®Ó ®ãng r¾n, th¸o khu«n lÊy s¶n phÈm, th−êng cho nhùa nhiÖt r¾n. 8.2.2. Cao su (Elastome) L−u ho¸ cao su: ®µn håi ↔ cÊu tróc m¹ng l−íi th−a. L−u ho¸ lµ ph¶n øng cña cao su víi l−u huúnh ë nhiÖt ®é ®ñ cao vµ kh«ng thuËn nghÞch ®Ó t¹o cÊu tróc l−íi th−a. Cao su ch−a l−u ho¸ th× mÒm, dÝnh, ®é bÒn thÊp. Sau khi l−u ho¸ ®é bÒn, tÝnh ®µn håi, tÝnh bÒn ho¸ häc t¨ng lªn trë thµnh polyme nhiÖt r¾n. L−îng l−u huúnh t¨ng th× t¨ng cøng gi¶m ®é d·n dµI nªn chØ dïng tõ 1 ®Õn 5%.
124 H CH3 H H H CH3 H H -C - C = C - C- -C - C - C - C- H H H H S S + 2S → H H H H -C - C - C - C- -C - C = C - C- H CH3 H H H CH3 H H mÒm dÝnh S= 1-5% khèi l−îng cao su cã ®Æc ®iÓm polyme nhiÖt r¾n Thay thÕ m¹ch chÝnh C=Si vµ O cao su silicon cã thÓ l−u ho¸ bÒn nhiÖt vµ bÒn trong dÇu 8.2.3. Sîi polyme §Æc ®iÓm vµ øng dông Yªu cÇu víi polyme dïng lµm sîi: - Cã kh¶ n¨ng kÐo thµnh sîi dµi ®Õn tû lÖ 100: 1 gi÷a chiÒu dµi vµ ®−êng kÝnh. - §¸p øng c¸c yªu cÇu: ®ñ bÒn, chÞu mµi mßn, c¸ch nhiÖt, ®iÖn, æn ®Þnh hãa häc víi m«i tr−êng. C¸c polyme ®−îc dïng ®Ó kÐo sîi lµ polyamit, polyeste PTE... 8.2.4. Mµng Mµng (foil) lµ vËt liÖu ph¼ng, máng cã chiÒu dµy tõ 0,025 ®Õn 0,125mm. Mµng chñ yÕu ®−îc dïng ®Ó lµm tói, bao b× thùc phÈm vµ c¸c hµng hãa kh¸c. Yªu cÇu ®èi víi polyme lµm mµng: khèi l−îng riªng nhá, ®é mÒm dÎo, ®é bÒn kÐo, xÐ r¸ch cao, bÒn víi n−íc, ®é thÊm c¸c lo¹i khÝ nhÊt lµ h¬i n−íc ph¶i thÊp. Th−êng dïng polyetylen, polypropylen. §a sè mµng ®−îc s¶n xuÊt b»ng c¸ch ®ïn qua qua mét khe hÑp cña khu«n, sau ®ã qua trôc ®Ó c¸n gi¶m chiÒu dµy vµ t¨ng ®é bÒn. 8.2.5. ChÊt dÎo xèp (foarms) Lµ lo¹i chÊt dÎo (gåm c¶ hai lo¹i nhiÖt dÎo vµ nhiÖt r¾n) cã ®é xèp rÊt cao. Ng−êi ta ®−a vµo trong mÎ liÖu chÊt nµo ®ã khi nung nãng sÏ gi¶i phãng ra khÝ. C¸c khÝ sinh ra trong kh¾p khèi chÊt láng nãng ch¶y khi lµm nguéi bÞ kÑt l¹i t¹o ra rç xèp. Cã thÓ dïng c¸ch kh¸c: phun khÝ tr¬ (Ar) vµo vËt liÖu ë tr¹ng th¸i nãng ch¶y nh− polyuretan, caosu, polystyren vµ PVC. ChÊt dÎo xèp ®−îc dïng ®Ó lµm ®Öm, néi thÊt gia ®×nh vµ bao gãi s¶n phÈm.