Đề tài độ bền cơ học của polymer

HÓA HỌC HÓA LÝ POLYMER
ĐỀ TÀI
ĐỘ BỀN CƠ HỌC CỦA POLYMER
GVHD:
Ths. Cao Văn Dư
Nhm SVTH Lớp 08ch111:
Đặng Đức Thiện
Phạm Văn Trình
Nguyễn Thị Thu
V Xuân Trung
Nguyễn Anh Tuấn
1
Mục Lục
2

ĐỘ BỀN CƠ HỌC CỦA POLYMER
I.CÁC KHÁI NIỆM
Độ bền là khả năng của vật chất chống lại sự phá huỷ của lực cơ học, được
đặc trưng bởi ứng suất tại đó mẫu bị phá hủy và gọi là ứng suất phá huỷ hay ứng
suất kéo . Đơn vị là Kg/cm
2
hoặc Kg/mm
2
Độ bền giới hạn ứng với ứng suất tại đó mẫu bị phá hủy σ
max
. Như vậy có
thể coi σ
max
là giá trị lý thuyết σ
lt
của độ bền cơ học :

σ
max
=σ=bD/2
D: năng lượng phân ly của liên kết
b: hằng số đối với liên kết đã cho
Đối với polymer độ bền cơ học chỉ xuất hiện tại một giá trị trọng lượng
phân tử xác định nào đó.Khi tăng độ trùng hợp thì lúc đầu độ bền tăng và sau đó đạt
giá trị không đổi tại n ~ 600
Sự phá huỷ không xảy ra khi ứng suất tác dụng nhỏ hơn ứng suất giới
hạn.Nhưng trên thực tế tất cả các vật liệu bị phá huỷ nếu tác dụng lên mẫu một ứng
suất nhỏ hơn giá trị giới hạn nhưng với thời gian kéo dài.
3
Vậy độ bền phụ thuộc vào thời gian tác dụng
Sự phụ thuộc của độ bền vào thời gian dưới tác dụng của tải trọng tĩnh gọi
là sự mỏi tĩnh , dưới tác dụng của tải trọng động gọi là sự mỏi động.Cả hai khái
niệm này được gọi chung là độ bền lâu hay tuổi thọ của polymer , kí hiệu là τ
Khoảng thời gian từ lúc bắt đầu tác dụng lực đến khi mẫu bị phá hủy gọi
là độ bền lâu của vật liệu.
Độ bền lâu phụ thuộc vào ứng suất tác dụng theo công thức:
τ độ bền lâu
σ là ứng suất
A và α là hằng số phụ thuộc vào bản chất vật liệu
Sự phụ thuộc của vào nhiệt độ và ứng suất như sau:
Suy ra
Sự phụ thuộc này được biểu diễn bằng đồ thị sau (các đường thẳng này cắt
nhau tại một điểm )
Sự phụ thuộc tuổi thọ của polystyren vào ứng suất ở các nhiệt độ khác nhau
4
.
.Ae

ασ
τ
−
=
. .
o o
e e
γσ
τ
τ τ
∆
= =
U
U
o -
KT KT
log log
o
τ
τ
∆
= +
U
2,303KT
U
0
:Thềm hoạt hóa ban đầu(được xác định khi các liên kết trong mạch chính
bắt đầu biến dạng).Giá trị này bằng năng lượng liên kết hóa học trong mạch chính
(đv:Kcal/mol), nó không phụ thuộc vào cấu trúc của polymer.
γ:là hệ số xác định tính bền của vật thể rắn. Nói lên ảnh hưởng của mức độ

kéo căng lên thời gian sống của polymer.Mức độ ảnh hưởng này rất nhạy với cấu
trúc của polymer và được gọi là hệ số nhảy cảm cấu trúc. γ cho biết mức độ giảm
của U
0
khi tăng σ.Cùng một giá trị ∆U nhưng khi γ càng thấp thì σ càng cao.
τ
0
: là thời gian thực hiện một giao động của nguyên tử trong chất rắn
khoảng 10
-2
÷10
-3
giây.
K : hằng số Boltzmann
Giá trị ∆U phụ thuộc vào sự tương tác giữa các nguyên tử.Nó có thể được
xác định từ đồ thị hàm số:
Bằng thực nghiệm ta vẽ được các đường thẳng biểu diễn sự phụ thuộc của
logτ vào 1/T ỏ các ứng suất tác dụng khác nhau.Từ các đường thẳng này ta suy
được logτ
0
và ∆U ứng với các ứng suất khác nhau:
5
Tiếp tục lập đồ thị sự phụ thuộc của ∆U vào ứng suất tác dụng rồi suy ra γ
và U
0
từ đồ thị (là độ dốc đường thẳng đồ thị)
II.PHÂN LOẠI
• Độ bền kéo.
• Độ bền uốn,độ bền nén.
• Độ bền va đập.

• Độ bền kết dính.
• Độ cứng.
• Độ bền mài mòn.
• Độ bền nhiệt và độ kháng ẩm.
• Độ căng bề mặt….
• Độ bền mỏi

Độ bền uốn là ứng suất thấp nhất làm biến dạng vĩnh viễn cho một vật liệu
xem xét.
Độ bền nén là giới hạn ứng suất nén làm vật liệu bị biến dạng hay phá huỷ.
Độ bền kéo là giới hạn lớn nhất của ứng suất kéo làm đứt vật liệu xem xét.
6
Độ bền mỏi là số đo độ bền của vật liệu hoặc thành phần chịu tải trọng có
chu kỳ, và chúng thường khó xác định hơn sơ với các độ bền có tải trọng tĩnh. Độ
bền mỏi được xem như là cường độ ứng suất hoặc phạm vi ứng suất, thông thường
với ứng suất trung bình 'số không' thì phù hợp với số chu kỳ phá huỷ vật liệu.
Độ bền va đập là khả năng chịu đựng của vật liệu khi chịu các tải trọng va
đập đột ngột.
III.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ BỀN CƠ HỌC
• Ảnh hưởng của sự định hướng
• Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng cấu trúc trên phân tử
• Ảnh hưởng của mật độ liên kết ngang
• Ảnh hưởng của chất độn
3.1.Ảnh hưởng của sự định hướng
Một trong những phương pháp thông dụng làm thay đổi cấu trúc vật liệu
polymer để tăng độ bền là kéo nó trong quá trình gia công. Điều này sẽ làm định
hướng mạch và cấu trúc siêu phân tử.
ε theo chiều định hướng nhỏ hơn ε theo chiều vuông góc với chiều định
hướng
Vậy tính chất cơ học của polymer định hướng là bất dẳng hướng.Điều này

do sự định hướng của các dãy gây ra.
Các Polymer có sự định hướng chặt chẽ có độ bền cao hơn rất nhiều so với
các polyme không định hướng .Polymer sau khi được định hướng sẽ cho độ bền rất
cao, có thể tương đương độ bền một số loại thép.Trong khi tỷ trọng của Polymer chỉ
bằng1/8 của thép, nên độ bền tính theo một đơn vị khối lượng thì độ bền của
Polymer có thể cao gấp 4 lần thép.
Sự định hướng còn làm tăng khả năng kết tinh của một số loại polymer.
Cao su kết tinh có tính bền cao hơn so với cao su không kết tinh
Độ bền đứt của tơ
7
Tơ Độ bền đứt,
Kg/cm
2

Tơ Độ bền đứt, Kg/cm
2
Sợi viscozơ
Định
hướng
không
định hướng
Tơ axetat
Định
hướng
Không
định hướng
1600÷7800
1600÷1800
1600÷6000
1600÷1800

Tơ tằm
Len
Tơ clorin
Tơ capron
Tơ lapxan
3000÷5000
1500÷1900
2900÷4000
5000÷7200
5200÷8000
3.2. Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng cấu trúc trên phân tử
Kích thước và hình dạng của cấu trúc trên phân tử có ảnh hưởng rất lớn đến
tính chất cơ học của Polymer.
Các polymer có các tinh thể hình cầu (pherulites) nhỏ sẽ bền hơn các
polymer có các splerulites lớn hơn, do sự phá hủy và nứt xảy ra trên bề mặt phân
chia của các sphrulites.
Khi nghiên cứu polyeste đi từ acid isophthalic và phenolphthalein 2 loại
cấu trúc dạng cầu và dạng sợi thì người ta nhận thấy độ bền va dập của mẫu có cấu
trúc dạng sợi từ 6÷10 Kg/cm
2
,trong khi đó độ bền va đập của mẫu có cấu trúc dạng
cầu chỉ 2 ÷3 Kg/cm
2
.
3.3. Ảnh hưởng của mật độ liên kết ngang
Trước đây người ta cho rằng plymer mạng lưới là tập hợp các đại phân tử
với liên kết ngang hóa học giữa chúng.Mật độ liên kết ngang được xác định bởi
công thức
N:Mật độ liên kết ngang
8

v: Tổng số mol
V:Thể tích mẫu
ρ: Tỷ trọng của polymer
M
nc
: Phân tử lượng của dãy mạng lưới
Ngày nay người ta cho rằng liên kết ngang không chỉ hình thành giữa các
đại phân tử mà giữa các cấu trúc trên phân tử.Vì vậy M
nc
chỉ có giá trị trung bình và
nó cho biết giá trị của mật độ liên kết ngang:M
nc
giảm suy ra v/V tăng dần dẫn đến
mật độ liên kết ngang tăng.
Khi trong polymer vô định hình mật độ liên kết ngang tăng dần đến tính
đàn hồi giảm và T
g
tăng.
Sự thay đổi độ bền của polymer vô định hình theo mật độ liên kết ngang
như sau


Bản chất của sự phụ thuộc độ bền vào mật độ liên kết ngang là do ảnh
hưởng của mật độ liên kết ngang đến sự định hướng và quá trình kết tinh xảy ra
trong khi biến dạng của polymer.
3.4. Ảnh hưởng của chất độn
9
Có 2 loại : chất độn hoạt hoá và chất độn không hoạt hoá. Chất độn hoạt
hoá làm tăng tính bền cơ học của polyme, còn chất độn không hoạt hoá thì ngược
lại.

Khi cho thêm chất độn vào tạo nên lực kết dính giữa các phân tử polyme
và lực bám dính giữa chất độn và polyme. Ở những chỗ có chất độn tạo nên những
nốt giữa các mạch với nhau và tăng thêm sự tham gia của các lực hoá trị trong quá
trình phân huỷ mẫu.
Tác dụng của chất độn còn thể hiện ở khả năng làm tăng cường tính bền do
làm cho sự phân tán ứng suất ở các vùng nứt rạn, sự phục hồi ứng suất và phân bố
lại ứng suất cho một số lớn trung tâm làm tăng vết rạn. Các vết rạn đang phát triển
vì có tiểu phân chất độn mà ngừng phát triển.
Yêu cầu độn hoạt tính:
• Có ái lực đủ mạnh với polymer
• Có độ bền cơ lý hóa
• Cấu trúc phải có độ xốp và kích thước nhất định
10
IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.Phan Thanh bình(2002),Hóa Học và Hóa lý Polymer,NXB Đại Học Quốc
Gia TP Hồ Chí Minh.
2.Nguyễn Hữu Niếu,Trần Vĩnh Diệu(2004),Hóa Lý polymer,NXB Đại học
Quốc Gia TP Hồ Chí Minh
11