Bài giảng vật liệu dẻo và composite (ĐHBKHN)

Bộ môn Cơ học vật liệu
Trường Đại học Bách khoa Hà nội
Tài liệu mà bạn đang sử dụng được download tại website :
www.share99.net
Tài liệu vật liệu chất dẻo & Composite được giảng dạy tại đại học Bách Khoa
Hà Nội dành cho sinh viên khối ngành cơ khí – Được chia sẻ dưới định dạng
PDF để đảm bảo hạn chế tối đa chỉnh sửa và gây sai sót không mong muốn so
với ý đồ của tác giả.

Tài liệu được cung cấp bởi thành viên của website !

Bạn có thể xem thêm một số tài liệu, giáo trình cho sinh viên cơ khí tại link sau :

Cơ khí chế tạo máy - cơ điện tử
CERAMIC
POLYMER
KIM LOẠI
Liên kết kim loại – kim loại Liên kết kim loại – phi kim
Liên kết phi kim – phi kim
1. Tổng quan
2. Nhựa nhiệt dẻo
3. Nhựa nhiệt rắn
4. Cao su
5. Composite
6. Phương pháp gia công
Polymer
Nhựa
Chất dẻo
Polymer là hợp chất hữu cơ được hình thành do sự liên kết hoá học bền vững
giữa các đơn vị polymer với cấu trúc phân tử hoàn toàn giống nhau. Các đơn vị
này nối với nhau thành một chuỗi dài (mạch) chứa hàng ngàn đơn vị nên phân tử

polymer được gọi là cao phân tử
CH
2
…
…
C = CH
CH
3
CH
2
n
n: Độ trùng hợp trung bình
~ số mắt xích trung bình trên một
mạch polymer
C
CH
3
CH
CH
2
…
CH
2
C
CH
3
CH
CH
2
CH

2
C
CH
3
CH
CH
2
…
NR
TÍNH CHẤT CHUNG CỦA POLYMER

• Polymer nhẹ ( = 0,8 – 2,2 g/cm
3
)
• Polymer là vật liệu mềm dẻo (E nhỏ)
• Polymer có khả năng thấu quang tốt
• Polymer dễ bị thẩm thấu (bởi các chất khí)
• Polymer dẫn nhiệt kém (Độ dẫn nhiệt 4,2.10
-2
– 4,2.10
-1
W/m.K
 kém kim loại 3 lần)
• Polymer dẫn điện kém (Điện trở suất 10
10
– 10
18
cm
 kém kim loại 2.10
22

lần)
• Polymer bền với hoá chất
• Polymer có khả năng tái sử dụng cao (tái sinh, chất đốt)
• Polymer có nhiệt độ gia công thấp (250 – 400
0
C)
• Polymer được gia công bằng nhiều phương pháp (đùn, đúc phun, thổi, ép…)
PHỤ GIA TRONG POLYMER
• Chất độn trơ: Giảm giá thành sản phẩm…bột đá, đá phấn, đất sét, cao lanh
• Chất gia cường: Tăng tính chất cơ-lý…sợi thuỷ tinh, bột kim loại
• Chất hoá dẻo: Làm mềm sản phẩm, tăng khả năng gia công…DOP, dầu công
nghiệp
• Chất ổn định: Chống lại ảnh hưởng tiêu cực của nhiệt độ, ánh sáng, môi trường…
• Chất tạo màu: Tạo màu sắc cho sản phẩm…Ôxit kim loại, bột màu hữu cơ
• Chất tạo xốp: Tạo ra vật liệu xốp…Chất tạo xốp vật lý (nhờ nhiệt độ), chất tạo xốp
hoá học (nhờ phản ứng)
• Chất chống cháy: Cản trở khả năng cháy của sản phẩm…Hợp chất Clo, Brom

• Chất khâu mạch nhựa nhiệt dẻo
• Chất lưu hoá cao su
• Chất đóng rắn nhựa nhiệt rắn
PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP POLYMER
Trùng hợp Trùng ngưng
Cơ chế tạo mạch Phản ứng chuỗi Phản ứng theo bậc
Thời gian để tạo ra một mạch
cao phân tử
Nhanh Lâu
Sự phụ thuộc vào phản ứng
trước
Có Không

Sử dụng chất khơi mào Cần thiết Không cần thiết
Yêu cầu đối với monomer Có chứa nối đôi Chứa nhóm hoạt
tính ở 2 đầu
Số nhóm hoạt tính trong một
monomer
1  2
Số loại monomer trong một
đơn vị polymer
1  2

Sản phẩm phụ Không Có
Đặc trưng của mạch polymer Mạch dài Mạch ngắn
Mạch nhánh Có Không có
Nèi ®«i
Monome
radical
Khëi ®éng
Ph¸t triÓn
Ng¾t m¹ch
n.
Polyme ho¸
n
CH
2

CH
CH
3

CH

2

CH
CH
3

Phản ứng
trùng hợp
PP
–C=C–
–C–O–H
–N–H
H
–C–
O
–C–H
O
–C–O–H
O
Alken
Rîu
Amin
Axit
Keton
Aldehyt
–C–O–C–
O
O
–C–N–
H

–C–C–
O
–C–O–C–
–N=C=O
Este
Amid
Epoxy
Eter
Isocyanat
Vßng th¬m
Nhãm chøc Tªn gäi Nhãm chøc Tªn gäi
Nhóm hoạt tính
trong vật liệu hữu cơ
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
CH
2
OH

H
H
H H
H
CH
2
O
CH
2
O
CH
2
O
Phenol
Formaldehyde
Formaldehyde
H
OH
CH
2
CH
2
CH
2
H
OH
OH
OH
CH
2

CH
2
CH
2
OH
OH
+ 3
OHOH OH
+ 3 H
2
O
Phản ứng
trùng ngưng
PF
Phản ứng
trùng phối
PU
N = C
=
O
C = N
=
O
N = C
=
O
C = N
=
O
HO

OH
N C
=
O
C = N
=
O
O O
H
N = C
=
O
C N
=
O
H
Di - Alcohole
Di - Isocyanate
N = C
=
O
C = N
=
O
N = C
=
O
N = C
=
O

C = N
=
O
C = N
=
O
=
O
N = C
=
O
C = N
=
O
HO
OH
N C
=
O
C = N
=
O
O O
H
N = C
=
O
C N
=
O

H
Di - Alcohole
Di - Isocyanate
N = C
=
O
C = N
=
O
N = C
=
O
N = C
=
O
C = N
=
O
C = N
=
O
=
O
HO
OH
HO
OH
N C
=
O

C = N
=
O
O O
H
N = C
=
O
C N
=
O
H
N C
=
O
C = N
=
O
=
O
O O
H H
N = C
=
O
N = C
=
O
C N
=

O
=
O
H H
Di - Alcohole
Di - Isocyanate
PHÂN LOẠI POLYMER

• Phân loại theo nguồn gốc
- Polymer tự nhiên: cao su thiên nhiên, cellulose
- Polymer tổng hợp: PP, PVC, cao su SBR, nhựa Epoxy
• Phân loại theo giá trị sử dụng
- Polymer phổ thông: PP, PE, PS, PVC
- Polymer kỹ thuật: PA, PC, POM
- Polymer bền nhiệt: PEEK, PES, PTFE, PI
- Polymer đặc chủng: cao su nhiệt dẻo, polymer phân huỷ sinh học
• Phân loại theo thành phần hoá học
- (Homo)polymer: PP, PS, PA, PI
- Copolymer: ABS, SBR, SBS, EPR
- Polymerblend: PP/PA, PPO/PS, PC/ABS, PS/SBS
- Polymercomposite: nền (PP, UP, Epoxy) + cốt (sợi, hạt, lai tạo)
• Phân loại theo cấu trúc mạch
- Mạch thẳng (+ Mạch nhánh): PP, PE, PMMA, PTFE
- Mạng lưới thưa: cao su thiên nhiên (đã lưu hoá)
- Mạng lưới dày: nhựa Epoxy (đã đóng rắn)
POLYMER
Cao su
Nhựa nhiệt dẻo Nhựa nhiệt rắn
- Dễ nóng chảy
- Có thể hoà tan

trong dung môi
- Dễ gia công
- Dễ tái sinh
- Không nóng chảy
- Không trương nở trong
dung môi
- Không gia công được
- Không có khả năng tái
sinh
- Khó nóng chảy
- Chỉ trương nở
trong dung môi
- Khó gia công
- Khó tái sinh
- Vô định hình: các mạch cao phân tử sắp xếp không có trật tự
- Bán tinh thể: các mạch cao phân tử sắp xếp theo một trật tự nhất định
a)
g)
e)
d)
c)
b)
- mạch thẳng
- 4 đến 10 mạch nhánh ngắn
trên 1000 nguyên tử C
- mạch nhánh dài
- mạch thẳng
- 10 đến 35 mạch nhánh ngắn
trên 1000 nguyên tử C

PE-HD
PE-LLD
PE-LD
2 -6 nguyên tử C
> 10 nguyên tử C
C
H
H
C
H
H
n . C
H
H
C
H
H
n
Cấu trúc đại tinh thể trong polyethylene - TEM
PE-HD
PE-LD
0,1 m
0,1 m
PE-HD
PE-LD
Cấu trúc tinh thể trong polyethylene - TEM
Tính chất chung của PE
 Nhẹ, mềm dẻo, biến dạng tốt
 Cách điện rất tốt
 Rất ít hấp thụ nước, dễ bị thẩm thấu khí

 Khi tỷ trọng PE tăng, độ bền hoá chất tăng
 Nhiệt độ gia công thấp, dễ nhuộm màu
Ứng dụng chính
 Vỏ bọc cáp điện (PE-LD)
 Bạt phủ ngoài trời, màng co, túi mua hàng, chai lọ thực phẩm…
 Ống nước, ống dẫn khí (PE-HD)
Ứng dụng chính
Sản xuất sợi dệt,sợi đơn bện bao dệt. Bao che phủ
Két bia - nước ngọt, thùng chứa các loại,kệ,sp gia dụng
Tạo xốp cách điện và cách âm
 Bình đựng xăng - dầu, bình ắc qui…

n
CH
3
C
H
H
C
H
C
H
H
n . C
H
CH
3
CH
2

CH
CH
3

Monomer
isotactic
syndiotactic
atactic
Isotactic PP
CH
CH
2

CH
3

n
Vật mẫu
Đại tinh thể  50 m
100 ~ 300Å
Lớp tinh thể
100 m
LM
1 m
AFM
TEM
Cấu trúc đại tinh thể và tinh thể trong polypropylene