Tài liệu Chương 10: VẬT LIỆU HỮU CƠ POLYME ppt

Chương 10
VẬT LIỆU HỮU CƠ POLYME.
10.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU HỮU CƠ
Từ xa xưa con người đã biết sử dụng vật liệu hữu cơ tự nhiên như gỗ, tre, da, sợi thực
vật v.v. để phục vụ cuộc sống sinh hoạt hàng ngày. Với sự phát triển của khoa học và công
nghệ, ngày nay vật liệu hữu cơ mới - vật liệu polyme đã được đưa vào sử dụng để sản xuất
các sản phẩm mở rộng hoạt động của con người.
Polyme còn được gọi hợp chất hữu cơ cao phân tử là những chất có khối lượng phân
tử lớn (không nhỏ hơn 10
4
phân tử), ở đó các phân tử gồm các nhóm nguyên tử như nhau gọi
là mắt xích hay là me. Mỗi mạch là một phân tử đã bị thay đổi của chất thấp chất phân tử ban
đầu – các monome. Khi điều chế polyme các phân tử monome nối lại với nhau và tạo thành
các phân tử dài hay là các cao phân tử mà trong đó các nguyên tử được nối lại bằng liên kết
đồng hóa trị.
Các cao phân tử trong chất polyme không được sắp xếp sít chặt, và thước đo mật độ
xếp chặt được gọi là thể tích tự do, nghĩa là sự chênh lệch giữa thể tích riêng thực của chất và
thể tích riêng lý thuyết khi xếp chặt nhất. Khi nung nóng thể tích tự do tăng. Tùy theo thể tích
tự do mà chất polyme có thể tồn tại ở một trong các trạng thái vật lý là dạng thủy tinh, đàn
hồi cao, và chảy nhớt. Việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác xảy ra không có tỏa
nhiệt hay thu nhiệt. Nhiệt độ chuyển biến được gọi là nhiệt độ thủy tinh hóa T
tt
và nhiệt độ
chảy t
ch
.
10.2 Phân loại.
Có nhiều cách phân loại polyme, sau đây là những cách phân loại thông dụng nhất.
Theo nguồn gốc hình thành người ta chia polyme làm hai loại làpolyme thiên nhiên và
polyme tổng hợp.
− Polyme thiên nhiên có nguồn gốc thực vật hoặc động vật như xenlulô, cao su

tự nhiên, protein, enzym v.v.
− Polyme tổng hợp được sản xuất từ những loại monome bằng các sản ứng
trùng hợp, trùng ngưng như các loại polyolefin, polyvinylclorit, nhựa
henolfoamadehyt, polyamit, v.v
Theo cấu trúc người ta phân biệt plyme thẳng, polyme mạch nhánh, polyme mạng
lưới và polyme không gian.
Tùy theo đặc điểm liên kết giữa các phân tử thẳng (hay theo tính chịu nhiệt) người ta
chia các polyme thành polyme nhiệt dẻo và polyme nhiệt rắn.
Theo lĩnh vực ứng dụng, vật liệu polyme được chia ra các loại chất dẻo, nylon, sợi, cao
su, sơn và keo v.v.
10.3 TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU HỮU CƠ.
10.3.1 Cơ tính của vật liệu hữu cơ.
152
Tính chất cơ học của vật liệu polyme cũng được đặc trưng bởi một vài thông số vẫn
dùng cho vật liệu kim loại như giới hạn đàn hồi, môdun đàn hồi, giới hạn bean kéo, độ dai va
đập và độ bền mỏi v.v. Ða số tính chất cơ lý của polyme rất nhạy với tốc độ biến dạng, nhiệt
độ, bản chất hóa học của môi trường như sự có mặt của ô xy, nước, dung môi hữu cơ v.v.
Trong các polyme tinh thể, kích thước và hình dáng tinh thể phụ thuộc vào điều
kiện kết tinh cụ thể, còn tính chất cơ học được quyết định bởi cấu trúc polyme thu
được.
 Giới hạn đàn hồi, môdun đàn hồi, giới hạn bền kéo.
Vật liệu polyme có ba dạng đặc trưng khi biến dạng dưới tác dụng của lực như trình
bày trong hình vẽ 10.1
Hình vẽ 10.1 Ðường cong biến dạng của vật liệu polyme
giòn (đường A) và dẻo (đường B) và đàn hồi cao (Ðường C).
Ðường A là đường cong biến dạng của polyme giòn, nó bị đứt ngay khi có biến dạng
đàn hồi. Ðường B với polyme dẻo, biến dạng tương tự như của đa số vật liệu kim loại, nghĩa
là đầu tiên là biến dạng đàn hồi, tiếp theo là chảy và sau đó là biến dạng deo rồi phá hủy.
Ðường C là biến dạng hoàn toàn đàn hồi (hay biến dạng hồi phục ở ứng suất thấp) của
polyme có độ đàn hồi cao như của cao su và chúng có tên chung là elastome.

Mođun đàn hồi rất khác nhau ở vật liệu polyme. Chẳng hạn các polyme đàn hồi cao
có thể rất nhỏ chỉ bằng 7 MPa nhưng polyme rất cứng có thể là 4.10
3
MPa. Modun đàn hồi
của vật liệu kim loại lớn hơn nhiều và dao động trong khoảng từ 48.10
3
đến 410.10
3
MPa.
Giới hạn bền kéo của polyme vào khoảng 10 MPa, còn của các hợp kim có thể đến
4.100 MPa nên vật liệu kim loại ít khi giãn dài hơn 100%, trong khi đó các polyme đàn hồi
cao có thể giãn dài tới 1.000%.
Ngoài ra, tính chất cơ học của polyme nhạy hơn rất nhiều so với vật liệu kim loại với
sự thay đổi nhiệt độ, ngay cả ở nhiệt độ phòng.
Hình 10.2 trình bày sự biến dạng của polymetylmetacrylat (plexiglass – thủy tinh hữu
cơ) ở một số nhiệt độ trong khoảng từ 4 – 60
0
C.
153
Hình 10.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc điểm biến dạng của polymetylmetacylat.
Qua hình vẽ ta thấy tăng nhiệt độ sẽ làm giảm modun đàn hồi và giới hạn kéo nhưng
làm tăng độ dẻo và ở 4
0
C vật liệu hoàn toàn giòn, còn ở nhiệt độ 50 – 60
0
C vật liệu có thể
biến dạng đàn hồi.
Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến tính chất cơ học cũng rất quan trọng. Nhìn chung
giảm tốc độ biến dạng cũng có ảnh hưởng tương tự như tăng nhiệt độ, có nghĩa là vật liệu trở
nên mềm dẻo hơn.

[
 Ðộ dai va đập.
Polyme có thể bị phá hủy dẻo hoặc giòn trong điều kiện tác dụng của lực va đập phụ
thuộc vào nhiệt độ, kích thước mẫu, tốc độ biến dạng và cách tác dụng lực polyme tinh thể và
vô định hình giòn ở nhiệt độ thấp và cả hai có độ dai va đập tương đối thấp, chúng có sự
chuyển tiếp từ dẻo sang giòn ở khoảng nhiệt độ tương đối hẹp. Tuy nhiên, độ dai va đập giảm
dần ở nhiệt độ cao hơn vì polyme bắt đầu mềm. Thông thường, độ dai va đập cao ở nihệt độ
phòng và nhiệt độ chuyển tiếp dẻo – giòn thấp hơn nhiệt độ phòng.
 Ðộ bền mỏi.
Polyme có thể bị phá hủy do mỏi khi chịu tác dụng theo chu kỳ. Tương tự như vật
liệu kim loại, mỏi xảy ra trong polyme ở ứng suất tương đối thấp so với giới hạn bền kéo và
hiện tượng mỏi của cả hai loại vật liệu gần giống nhau và đường biểu diễn có cùng dạng tuy
nhiên độ bean và giới hạn mỏi của vật liệu polyme nhỏ hơn so với vật liệu kim loại nhiều.
 Ðộ bền xé và độ cứng.
Ðộ bền xé là năng lượng cần thiết đê xé rách moat mẫu có kích thước chuẩn. Ðộ bền
kéo và xé rách có liên quan với nhau. Ðộ bền xé rách là một tính chất quan trọng của một số
loại chất dẻo, nhất là những loại dùng ở dạng màng mỏng như bao bì.
Ðộ cứng của polyme nóilên khả năng chống cọ xước, xuyên thủng của chúng. Các
phương pháp đo độ cứng của polyeme đều dựa trên nguyên lý tương tự như dùng cho vật liệu
kim loại. Các tính chất này đôi khi có ảnh hưởng rất lớn đến việc lựa chọn polyme trong một
số ứng dụng đặc biệt.
[
 Ðộ bền phá hủy vật liệu polyme.
154
Ðộ bền phá hủy của vật liệu polyme tương đối thấp so với vật liệu kim loại và gốm.
Nhìn chung sự phá hủy của polyme nhiệt rắn là giòn. Trong quá trình phá hủy hình thành các
vết nứt ở những nơi tập trung ứng suất.
Polyme nhiệt dẻo có thể bị phá hủy dẻo hoặc giòn và một số lớn của loại polyme này
có khả năng chuyển từ dạng dẻo sang dạng giòn. Các yếu tố làm thuận lợi cho quá trình phá
hủy giòn là nhiệt độ thấp, tốc độ biến dạng lớn, các vết nứt có sẵn và chiều dày của mẫu lớn.

Các loại nhựa nhiệt dẻo giống thủy tinh, chúng giòn ở nhiệt độ tương dđối thấp, khi
nhiệt độ tăng, chúng trở nên dẻo ở nhiệt độ gần với nhiệt độ thủy tinh hóa và có biến dạng
dẻo trước khi bị phá hủy. Ở 4
0
C chất dẻo polymetylmetacrylat PMMA hoàn toàn giòn, còn ở
nhiệt độ từ 60
0
C trở lên chúng lại trở nên rất dẻo.
Có một hiện tượng khác tham gia vào quá trình phá hủy của các polyme nhiệt dẻo đó
là sự rạn nứt giống như trong thủy tinh. Các vết nứt tế vi được hình thành ở những vùng chịu
ứng suất cao, nơi có nhưng tạp chất và các vế txước. HIệnt ượng này xảy ra theo chiều
vuông góc với lực tác dụng.Ðồng thời với việc rạn nứt, có những vùng chảy cục bộ đưa đến
việc hình thành các mạch định hướng và những lỗ rỗ nhỏ, chiều dày của các vết nứt này chỉ
khoảng 5 µm hoặc nhỏ hơn.
Khác với những vết nứt vĩ mô, vết nứt tế vi cũng vẫn có thể chịu lực. Dương nhiên
lực tác dụng phải nhỏ hơn giá trị khi vật liệu chưa rạn nứt. Nếu lực tác dụng đủ lớn, các vết
nứt lớn sẽ hình thành từ các vết nứt tế vi do cấu trrúc bị phá hủy và các lỗ rỗ phát triển. Dưới
tác dụng tiếp của lực, vật liệu sẽ bị phá hủy dọc theo các vế nứt này.
[
10.3.2 Lý tính của vật liệu hữu cơ.
 Khối lượng riêng.
Polyme có khối lượng riêng không cao lắm và đây chính là một lợi thể và là một trong
những yếu tố làm cho loại vật liệu này được ứng dụng rộng rãi khi mà các kỹ sư thiết kế cần
những chi tiết nhẹ hoặc những chi tiết không cần độ bền cơ học cao lắm.
Khối lượng riêng của polyme nhỏ là do các nguyên tử trong mạch chính (chủ yếu là
các bon và hydrô) có khối lượng nguyên tử nhỏ.
Giới hạn bền riêng (tỉ lệ giữa giới hạn bền kéo và khối lượng riêng) của một số
polyme cao hơn so với giới hạn bền riêng của một số vật liệu kim loại.
 Tính chất nhiệt.
Polyme có hệ số giãn nở nhiệt cao hơn vật liệu kim loại hoặc các vật lịêu có liên kết

ion do liên kết giữa các mạch trong polyme thuộc loại có cường độ yếu. Sự khác nhau lớn về
hệ số giãn nở nhiệt của polyme và vật liệu kim loại là một thông số quan trọng cần xét đến
trong những thiết kế có dùng đến cả hai loại vật liệu này. Thí dụ, các chi tiết chất dẻo lắp
ghép trên trục kim loại khi nhiệt độ nâng cao có thể làm giảm liên kết giữa polyme và vật liệu
kim loại và có thể dẫn đến những vết nứt trên bề mặt vật liệu polyme.
Ðộ dẫn nhiệt của polyme cũng tương đối thấp. Ðặc điểm này cho phép ứng dụng
polyme như chất cách điện, nhất là dưới dạng bọt, mút. Các bọt polyuretan, polystyren, PVC,
v.v có độ dẫn nhiệt rất thấp chỉ khoảng 0,035W/m
0
C.
 Tính chất điện.
Polyme có đện trở rất cao khoảng từ 10
15
– 10
18
Ωcm do trong polyme thông thường
không có những phần tử tích điện vì thế polyme là những chất các điện tuyệt vời. Do có điện
thế xuyên thủng cao (150 – 300 kV/cm) và dễ gia công nên polyme được dùng nhiều để bọc
dây điện, cáp và các dụng cụ điện như công tắc hộp điện v.v
155
Người ta cũng dùng polyetylen thật tinh khiết để boc dây cáp điện viễn thông dưới
nước cho đến tần số 30 MHz hay dùng màng polypropylen định hướng với chiều dày khoảng
vài micromet để thay thế giấy trong các tụ điện v.v.
Những năm gần đây người ta đã hoàn thiện phương pháp sản xuất polyme dẫn điện để
làm điện châm (electret). Những chất dẫn điện này là những chất cách điện đã được tích điện
(charge) vĩnh cửu, thường làm từ nylon hay polypropylen bằng cách nâng tới nhiệt độ cao
hơn nhiệt độ thủy tinh hóa rồi đưa vào điện trường mạnh một chiều hoặc phóng điện trong
môi trường ion hóa. Các châm điện này chủ yếu dùng để sản xuất microphon, thực tế là
microphon tụ điện. Vì đã được tích điện vĩnh cửu nên không dùng nguồn ở ngoài.
 Tính chất quang.

Một số polyme có tính chất quang rất thú vị. Thí dụ Polymetylmetacrylat (PMMA) là
polyme nhiệt dẻo trong suốt điển hình dùng để làm kính không vỡ có hệ số truyền ánh sánh
trông thấy lên tới 50% cho chiều dày 3m.
Các polycacbonat có hệ số truyền ánh sáng nhỏ hơn đối với ánh sáng trông thấy
nhưng không nhạy cảm với những vết xước do đó được dùng để làm thấu kính cho các máy
quang học như ống nhòm, máy ảnh, hay làm mũ bảo hộ lao động, kính bảo hiểm, đèn ô tô,
v.v.
[[
10.4 CÁC LOẠI VẬT LIỆU HƯŨ CƠ – POLYME CHÍNH.
10.4.1 Gỗ.
10.4.1.1 Khái niệm chung về gỗ.
Gỗ là một loại sản phẩm hữu cơ tự nhiên có cấu trúc phức tạp. Thành phần chính của
gỗ là xenlulô và lignin. Những phân tử tinh thể xenlulô tạo nên 45 – 50% vật chất rắn của gỗ.
Xenlulô có trong gỗ là loại polyme mạch thẳng có chứa những đơn vị glucô với độ trùng hợp
5.000 tới 10.000.
Gỗ là loại nguyên liệu rất thông dụng, giá thành thấp, kết hợp với các ưu điểm về cơ
tính, tính chất điện, nó được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp như một loại vật liệu kết
cấu. Ở Mỹ sản lượng gỗ được khai thác còn lớn hơn cả thép.
Hệ thống công nghiệp chế biến gỗ hiện đại và hoàn chỉnh trên thế giới, đến nay bao
gồm những ngành chủ yếu sau:
− Ngành xẻ gỗ.
− Ngành sản xuất gỗ dán và gỗ lạng.
− Ngành sàn xuất ván ép các loại.
− Ngành sản xuất giấy.
− Ngành nhiệt phân gỗ.
− Nhành thủy phân gỗ.
− Ngành sản xuất tơ sợi nhân tạo (cellulose viscose).
− Trong thực tế còn nhiều nhgành chế biến khác nữa, dùng gỗ làm nguyên liệu.
Ở nước ta, gỗ là một loại vật liệu khá phổ biến không chỉ ở những vùng rừng núi mà ở
khắp mọi nơi như nông thôn, đồng bằng và thành thị. Ở Việt Nam ta rừng chiếm tới 47% diện

tích với nhiều loại gỗ tốt và quí vào bậc nhất thế giới. Khu Tây bắc có nhiều rừng già và có
nhiều loại gỗ qui như trai, lim, lát, mun v.v., rừng Việt Bắc có lim, nghiến, vàng tâm v.v. còn
rừng Tây Nguyên có gỗ cẩm lai v.v.
156
Một số loại gỗ thông dụng ở Việt Nam được trình bày trên bảng 10.1.
Bảng 10.1 Một số loại gỗ thông dụng ở rừng Việt Nam.
TT Tên gỗ Tính chất
1 Bạch đàn Gỗ mịn, năng, cứng, ít nứt, dễ vênh, dễ mục nhưng khó bị mối ăn.
2 Chò chỉ Gỗ nặng, dễ nứt, khá bền.
3 Ðinh Gỗ nặng vừa, ít co nứt, rất bền.
4 Gụ Gỗ nặng vừa, tương đối mềm.
5 Lát hoa Gỗ nặng vừa, ít co dãn, nứt nẻ.
6 Lim xanh Gỗ rất nặng, cứng, bền, chắc, nhưng hơi dòn.
7 Tếch Gỗ nặng trung bình, bền, chắc, dẻo.
8 Mỡ Gỗ tương đối nhẹ, mềm, ít co dãn nứt nẻ.
9 Mun Gỗ rất cứng, bền.
10 Thông Thớ thẳng, hơi thô, ít biến dạng.
11 Xoan đào Gỗ nặng vừa, tương đối dễ nứt, hay cong vênh.
12 Mít mật Gỗ nặng vừa, ít co nứt, rất bền, khá dòn.
10.4.1.2 Ưu nhược điểm của gỗ.
Về ưu điểm gỗ là vật liệu nhẹ và dẻo, có tính cơ học khá cao. Nếu xét hệ số






⋅=
mCuong
C

1
lieu vat cua tinh toando
lieu vat cua rieng luong Trong
Thì thép có C = 3.7.10
-4
, bê tông có C = 2.4.10
-3
còn gỗ có C = 4.3.10
-4
Như vậy hệ số chất lượng của gỗ xấp xỉ thép và tốt hơn bê tông.
Ngoài ra, gỗ là vật liệu phổ biến rộng khắp đâu đâu cũng có, lại rất dể chế tạo như
cưa, bào, liên kết, hoàn thiện.
Nhược điểm chung của gỗ là:
- Không bền, dễ mục, mọt, dễ cháy nên tuổi thọ không cao so với thép
- Không đồng nhất, không đẳng hướng. Chất lượng phụ thuộc từng địa
phương hoặc từng cây hay từng phần của cây
- Có nhiều khuyết tật như mắt gỗ, khe nứt, thớ vẹo, thân dẹt, thót ngọnlàm
giảm khả năng chịu tải và làm cho việc gia công chế tạo khó khăn
- Ngậm nước, độ ẩm phụ thuộc môi trường về mùa đông hanh khô gỗ co ngót,
nứt nẻ, về mùa hè ẩm ướt gỗ bị trương phồng dộp
157