Bài giảng Vật liệu học - Chương 3: Cấu trúc vật liệu hữu cơ - Nguyễn Văn Dũng

CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC VẬT LIỆU HỮU CƠ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2Monomer Polymer Monomer: phân tử nhỏ tổng hợp ra polymer Đơn vị cơ sở = Mer = Repeat unit: phần tử nhỏ nhất cӫa chuỗi polymer, khi lặp lҥi sẽ tҥo ra phân tử polymer CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3Polymer tự nhiên: có nguồn gốc từ động thực vật  Tinh bột  Gỗ  Bông  Tơ  Da  Len  Cao su  ADN Polyme tổng hợp: PE, tơ nilon, cao su buna, nhựa phenol formaldehyde, PVC, PS, PP, ABS, silicone, polydimethylsiloxane (PDMS) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 4CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 5Có 2 cách xác định khối lượng trung bình phân tử polymer: - Tính theo phần mol: 𝑴࢔ - Tính theo phần khối lượng: 𝑀࢓CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 6Ni is the number of molecules with molecular weight, M i Ni = số phân tử i có khối lượng Mi xi = phần mol của số phân tử i có khối lượng trong khoảng Mi wi = phần khối lượng của số phân tử i có khối lượng trong khoảng MiCuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7Ví dụ: tính khối lѭợng trung bình cӫa sinh viên trong lớp Sinh viên Khối lѭợng (lb) 1 104 2 116 3 140 4 143 5 180 6 182 7 191 8 220 9 225 10 380 Tính khối lượng trung bình cӫa sinh viên: a) Dựa trên tỉ lệ số sinh viên trong mỗi khoҧng khối lượng? b) Dựa trên tỉ lệ khối lượng cӫa sinh viên trong mỗi khoҧng khối lượng? CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8Giҧi: Đầu tiên chia SV theo khoҧng khối lѭợng cách nhau 40 lb. Khoảng k.lượng Số SV K. lượng trung bình Phần số lượng Phần k.lượng N i W i x i wi 81-120 2 109 0.2 0.117 121-160 2 142 0.2 0.150 161-200 3 184 0.3 0.294 201-240 2 223 0.2 0.237 241-280 0 - 0 0.000 281-320 0 - 0 0.000 321-360 0 - 0 0.000 361-400 1 380 0.1 0.202 S N i S N i W i 10 1881 187.9 217.63601 ฀ x i  Ni N i ฀ w i  NiWi N i W i ฀ x81120  2 10  0.2 117.0 1881 011 x 2 12081 w ฀ Mw  wiMi  218 lb lb 188 iMixnM CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 9Ví dụ: Xác định khối lượng trung bình PVC theo số liệu cho kèm? CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10 Mức độ trùng hợp (Degree of polymerization): số mer hay số mắt xích trong phân tử polymer m là khối lượng của 1 mắt xích (mer) VD: tính DP của PVC theo số liệu bảng trước m = 62.496 g/mol CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 11 Chất làm đầy – Fillers: + Mục đích: tĕng cѭӡng cơ tính (kéo và nén), chống mài mòn, tính bền dai, tính dẽo, bền nhiệt và giҧm giá thành, + VD: mùn cѭa, bột silica (cát), vụn thӫy tinh, đất sét, bột talc, đá vôi, polymer khác, Chất làm dẻo – Plasticizers: + Mục đích: chất hóa dẻo làm giҧm nhiệt độ thӫy tinh hóa Tg, và nhiệtđộ nóng chҧy Tm cӫa polyme. Nó làm giҧm tính cӭng nhѭng tĕng tínhbền, dai, dẽo, mềm cӫa vật liệu. + Chất hóa dẻo thѭӡng là este cӫa các hợp chất hữu cơ nhѭ DBP - dibutyl Phtalat, DOP - dioctyl phtalat, DIOP - diizooctyl phtalat... + Ӭng dụng: màn mỏng, áo mѭa, ống, màn cửa, CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 12 Chất tạo màu – Colorants: thuốc nhuộm (dye) hoặc bột màu (pigment) Chất ổn định – Stabilizers: + Mục đích: giúp tĕng tuổi thọ cӫa polymer khi làm việc dѭới môi trѭӡng ánh sáng, nhiệt, bӭc xҥ Chất chống cháy – Flame Retardants: + Mục đích: chất chống cháy phҧi có nhiệm vụ là làm chậm, ngĕn cҧn và dập tắt quá trình cháy + Tҥo lớp bҧo vệ trên bề mặt pha rắn: ngĕn cҧn sự tiếp xúc cӫa oxi với bề mặt polymer, tҥo thành một lớp cách nhiệt. + Dập tắt gốc tự do hoҥt động trên pha khí: phụ gia có chӭa halogen và photpho có thể tác dụng với các gốc tự do này để tҥo ra các chất ít hoҥt động góp phần ngĕn cҧn sự cháy. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 13  Hình dҥng cӫa chuỗi polymer nhѭ hình gấp khúc và xoắn, các nguyên tử cacbon có thể quay quanh trục liên kết C-C.  Chuỗi polymer cũng có thể cuộn lҥi theo hình dҥng khác nhau CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 14 Mҥch thẳng (linear) VD: HDPE, PVC, Nylon, Cotton Mҥch nhánh (branch) VD: LDPE Liên kết ngang (crosslink) VD: cao su lưu hóa Mҥng lưới (network) VD: nhựa epoxy, phenol formaldehydeCuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 15 Ngẫu nhiên Nhóm Nhánh ghép Xen kẽ + Sắp xếp ngẫu nhiên (random) VD: cao su SBR, NBR + Sắp xếp xen kẽ (alternating) VD: nhựa PET + Sắp xếp theo nhóm (block) VD: Pluronic P123, triblock polymer HO(CH2CH2O)20(CH2CH(CH3)O)70(CH2CH2O)20H + Sắp xếp dạng nhánh ghép (graft) VD: HIPS (high-impact polystyrene) Tạo thành từ nhánh chính styrene và nhánh ghép butadien CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 16 Bao gồm các liên kết C-H, C-F, C-Cl, C-C, C=C, C≡ C, C=O, C-N, Gồm các liên kết σ và liên kết π CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 17  Gồm liên kết Van der Waals, liên kết hydro, liên kết cộng hóa trị  Liên kết ngang làm tĕng độ bền nhiệt, độ bền cơ, khó hòa tan, giҧm tính dẻo cӫa vật liệu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 18 Stretch The chains can be stretched, which causes Kéo Stretch Cross-Linked Polymer The cross-links hold the chains together. Relax Kéo Co lҥi Khi có lực tác dụng, polymer bị biến dạng không thuận nghịch (mạch thẳng) hay thuận nghịch (mạch có liên kết ngang)  tạo tính đàn hồi Với biến dạng thuận nghịch có 3 trường hợp: đàn hồi cao, hiện tượng hồi phục và hiện tượng trể (hồi phục không hoàn toàn)CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 19 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 20 Fe3C – cấu trúc tinh thể trực thoi (Orthorhombic)CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 21  Ҧnh chụp từ kính hiển vi điện tử cӫa PE multilayered single crystals (chain-folded layers)  Quá trình hình thành đơn tinh thể PE phҧi đѭợc thực hiện chậm và điều khiển cẩn thận Cấu trúc chuỗi dҥng nếp gấp tҥo thành tấm mỏng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 22 Polymer hiếm khi đҥt 100% cấu trúc tinh thể  Rất khó cho tất cҧ các các vùng cӫa vật liệu mà các chuỗi sắp xếp thẳng hàng  Độ tinh thể (Degree of crystallinity) đѭợc biểu diễn nhѭ là % tinh thể.  Một vài tính chất vật lý phụ thuộc % tinh thể.  Quá trình xử lý nhiệt phát triển vùng tinh thể và tĕng % tinh thể Vùng tinh thể Vùng vô định hìnhCuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 23 Spherulite surface  Một vài bán tinh thể đѭợc hình thành ӣ dҥng cầu  Giữa những lớp đơn tinh thể là vùng vô định hình  Tốc độ hình thành tinh thể hình cầu tѭơng đối nhanh CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 24 Ҧnh hưởng cӫa độ tinh thể và khối lượng phân tử lên tính chất cӫa PE Dầu, lỏng Sáp mềm Sáp giòn Sáp dai Nhựa cӭng Chất dẻo mềm Khối lượng phân tử Ph ần trĕ m t inh th ể SV tự nhận xét !! CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 25 Nh iệt độ Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ chuyển thủy tinh Trạng thái nóng chảy Trạng thái mềm cao Trạng thái tinh thể Trạng thái thủy tinh CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 26 Hiện tѭợng nóng chҧy đѭợc giҧi thích là do sự phá hӫy cӫa các liên kết yếu Van der Waals giữa các mҥch và cấu trúc polymer không còn trật tự. Vậy mọi yếu tố làm giҧm liên kết yếu này đều làm giҧm nhiệt độ nóng chảy (Tm). - Mҥch nhánh: giҧm hiệu quҧ sắp xếp cӫa mҥch, độ mҥch nhánh tĕng, Tm giҧm. - Khối lượng phân tử tĕng: Tm tĕng do phần cuối cӫa mҥch là phần tự do dao động, nếu chiều dài mҥch tĕng lên, số cuối mҥch giҧm đi, nĕng lѭợng tĕng.  Tm cӫa polymer nằm trong một khoҧng nhất định chӭ không phҧi tҥi một giá trị nhất định do bҧn chất polymer không đồng nhất.CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 27 Trҥng thái thӫy tinh (cӫa polymer vô định hình và polymer bán kết tinh) là trҥng thái mà chỉ có những nguyên tử, phân tử chuyển động quanh vị trí cân bằng cӫa nó. Ӣ trҥng thái thӫy tinh vật liệu rất cӭng và giòn. Các yếu tố ҧnh hưởng đến nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg):  Độ mềm dẻo của mạch: độ mềm dẻo giҧm, Tg tĕng  Kích thước nhóm thế: kích thѭớc nhóm thế càng lớn, độ linh động càng giҧm,Tg tĕng  Độ phân cực của nhóm thế: nhóm thế càng phân cực, Tg càng tĕng  Khối lượng phân tử: khối lѭợng phân tử càng lớn Tg tĕng. Nhѭng tĕng đến giá trịnh nhất định, khi khối lѭợng phân tử tĕng Tg không đổi. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 28 Trạng thái kết tinh: làm mất tính chất đàn hồi cao, tĕng độ cӭng, tĕng modul đàn hồi và làm giҧm khҧ nĕng biến dҥng cӫa polymer. Trạng thái mềm cao (chất dẻo): là trҥng thái đặc biệt chỉ có ӣ polymer, có tính chất nằm giữa trҥng thái rắn và lỏng, có khҧ nĕng thay đổi và phục hồi hình dҥng lớn dѭới tác dụng cӫa một lực nhỏ (cao su) → Cần xác định nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ chuyển thủy tinh cӫa chất dẻo để xác định nhiệt độ làm việc thích hợp. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 29 Polymer Nhiệt độ chuyển thӫy tinh [oC (oF)] Nhiệt độ nóng chҧy [oC (oF)] So sánh và giải thích lý do khác biệt Tg & Tm của các polymer!! CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 30 Th ể tí ch riê ng Bán tinh thể Thủy tinh Tinh thể Nhiệt độ SV tự nhận xét !! CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 31 Nh iệt độ Chất lỏng nhớt Bán tinh thể Chất lỏng Tinh thể Khối lượng phân tử Cao su SV tự nhận xét !! CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 32  Nhựa nhiệt dẻo (thermoplastic) là một loҥi nhựa chҧy mềm thành chất lỏng dѭới tác dụng cӫa nhiệt độ cao và đóng rắn lҥi khi làm nguội  Nhựa nhiệt dẻo gồm nhiều chuỗi phân tử liên kết với nhau bằng các liên kết Van der Waals yếu, liên kết hiđrô, tѭơng tác giữa các nhóm phân cực và cҧ sự xếp chồng cӫa các vòng thơm. → Có khả nĕng tái chế VD: PE, PP, PS, ABS, SB, PVC, PVAc, PET, Nylon, CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 33 Nhựa nhiệt rắn (thermosetting plastic) là loҥi nhựa khi gia nhiệt sẽ rắn cӭng, không thay đổi hình dҥng do cấu trúc polymer cố định, nếu tiếp tục gia nhiệt nó sẽ bị phá hủy hơn là nóng chҧy. Lý do: mӭc độ liên kết ngang (crosslink) cao nên có độ cӭng hóa học và bền nhiệt (thѭӡng trên 200 oC). VD: nhựa phenol-formaldehyde, nhựa epoxy, cao su lѭu hóa,.. Nhѭợc điểm: khó tái chế → cách tận dụng?? CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 34 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 35 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 36 DNA Đường Tinh bột - Starch Protein CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 37 Chuỗi dài xellulozơ (cellulose) với liên kết H Xellulozơ là vật liệu hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất. Tҥo thành gỗ, giấy, sợi bôngCuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 38 Độ trùng hợp: 1000 - 2000 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 39 Độ trùng hợp: 10,000 – 100,000 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 40 Nón bҧo hộ Bánh rĕng Thay thế khớp xương Ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) Độ trùng hợp: 2-6 million CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 41 Độ trùng hợp: 4,000 – 5,000 Khá phân cực  Liên kết ngang mҥnh CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 42 Polyethylene Terephthalate Độ trùng hợp: 4,000 – 8,000 Ester CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 44 Liên kết cộng hóa trị mҥnh và liên kết H Ӭng dụng làm vật liệu bҧo vệ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 45 Acrylonitrin butadien styren (ABS) có công thӭc hóa học (C8H8· C4H6·C3H3N)n là một loҥi nhựa nhiệt dẻo Ѭu điểm: nhẹ, cӭng, dễ uốn, chịu va đập tốt Ӭng dụng: làm ống, dụng cụ âm nhҥc, đầu gậy đánh golf, các bộ phận tự động, vỏ bánh rĕng, lớp bҧo vệ đầu hộp số, đồ chơi, trong mạ điện, CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt