Giáo trình Khoa học vật liệu_ Chương 8

Tài liệu giáo trình Kỹ thuật công nghệ, bộ môn Khoa học vật liệu_ Chương: Vật liệu Polyme.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Khoa học vật liệu_ Chương 8 304Ch¬ng 8 vËt liÖu polyme VËt liÖu polyme lµ lo¹i vËt liÖu cã tèc ®é ph¸t triÓn rÊt nhanh trong nh÷ngn¨m gÇn ®©y (sau ®¹i chiÕn II), ®îc sö dông réng r∙i trong sinh ho¹t còng nhtrong kü thuËt, chiÕm tû lÖ ngµy mét cao. Kh¸c víi c¸c vËt liÖu truyÒn thèng (kimlo¹i, ceramic), vËt liÖu polyme cã søc c¹nh tranh lín nhê c¸c ®Æc tÝnh nhÑ, rÎ, dÔt¹o h×nh, t¹o mµu s¾c... Râ rµng lµ vËt liÖu nµy ®ãng vai trß ngµy mét quan träng,nh mét sè nhµ khoa häc ®∙ cho r»ng hiÖn loµi ngêi b¾t ®Çu vµo thêi kú vËt liÖupolyme. Së dÜ cã tªn gäi nh vËy lµ do nã ®îc t¹o thµnh chñ yÕu tõ polyme (nhãmchÊt h÷u c¬ tæng hîp), do vËy cßn cã tªn lµ h÷u c¬. Mét tªn kh¸c còng kh¸ th«ngdông lµ chÊt dÎo (plastics) lµ gäi theo nhãm chiÕm tû lÖ chñ yÕu trong lo¹i nµy.Polyme ®Çu tiªn mµ loµi ngêi biÕt lµ lo¹i cã nguån gèc tù nhiªn, tõ thùc, ®éng vËt(gç, cao su, b«ng len, da, t¬ vµ ngay c¶ protein, enzim, tinh bét, xenlul«). TrongthÕ kû 20 loµi ngêi ®∙ tæng hîp ®îc polyme víi gi¸ rÎ vµ cã c¸c tÝnh chÊt u viÖth¬n polyme tù nhiªn, ®∙ më ra sù ph¸t triÓn nh¶y vät cho lo¹i vËt liÖu nµy. Cã thÓ ®Þnh nghÜa polyme nh sau: Polyme lµ mét hîp chÊt gåm c¸c ph©ntö ®îc h×nh thµnh do sù lÆp l¹i nhiÒu lÇn cña mét lo¹i hay nhiÒu lo¹i nguyªn töhay mét nhãm nguyªn tö (®¬n vÞ cÊu t¹o monome) liªn kÕt víi nhau víi sè lîngkh¸ lín ®Ó t¹o nªn mét lo¹t c¸c tÝnh chÊt mµ chóng thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ khi lÊy®i hoÆc thªm vµo mét vµi ®¬n vÞ cÊu t¹o. Còng gièng nh kim lo¹i vµ ceramic, c¸c tÝnh chÊt cña polyme còng phôthuéc vµo cÊu tróc. §Ó lµm râ mèi liªn quan nµy sÏ lÇn lît tr×nh bµy nh÷ng ®Æc®iÓm vÒ cÊu tróc ph©n tö (b¶n chÊt hãa häc, khèi lîng, h×nh d¹ng) polyme vµ cÊutróc tinh thÓ (sù s¾p xÕp c¸c m¹ch ph©n tö) polyme, trªn c¬ së ®ã gi¶i thÝch c¸ctÝnh chÊt, c«ng dông còng nh c¸ch chÕ t¹o vµ t¹o h×nh cho c¸c lo¹i vËt liÖupolyme.8.1. CÊu tróc ph©n tö polyme Kh¸c víi c¸c vËt liÖu ®∙ häc, c¸c ph©n tö polyme cã nh÷ng ®Æc ®iÓm riªng.Tríc tiªn h∙y ®i tõ hy®r«cacbon lµ nguån gèc phÇn lín chÊt h÷u c¬ ®Ó tõ ®ã tænghîp nªn polyme.8.1.1. Ph©n tö hy®r«cacbon Nh ®∙ tr×nh bµy ë môc 1.1.2, trong ph©n tö hy®r«cacbon c¸c liªn kÕt gi÷ac¸c nguyªn tö lµ ®ång hãa trÞ. Mçi nguyªn tö cacbon cã bèn ®iÖn tö tham gia vµoliªn kÕt nµy (h×nh 1.1c), trong ®ã mçi nguyªn tö hy®r« chØ cã mét ®iÖn tö liªn kÕt.Liªn kÕt ®¬n tån t¹i khi mçi mét trong hai nguyªn tö liªn kÕt (lµ C vµ H) ®Òu gãpmét ®iÖn tö; cßn liªn kÕt gi÷a hai nguyªn tö cacbon lµ nhê mçi nguyªn tö trongchóng gãp chung hai ®iÖn tö, tøc cã liªn kÕt ®«i. VÝ dô ph©n tö ethylen C2H4 cã thÓ®îc tr×nh bµy díi d¹ng: 304 305 H H   C = C, trong ®ã:  lµ liªn kÕt ®¬n   = lµ liªn kÕt ®«i (hay hai liªn kÕt ®¬n). H H Cã trêng hîp tån t¹i liªn kÕt ba ≡ nh ë axªtylen C2H2: H  C ≡ C  H. C¸c hy®r«cacbon chøa liªn kÕt ®«i, ba ®îc coi lµ kh«ng no, tøc mçinguyªn tö cacbon cha liªn kÕt tèi ®a víi bèn nguyªn tö kh¸c, tøc chóng cßn cãthÓ biÕn ®æi khi chuyÓn thµnh liªn kÕt ®¬n. Sù chuyÓn dêi vÞ trÝ mét trong nh÷ngliªn kÕt ®¬n xung quanh nguyªn tö cacbon sÏ cho phÐp ®a thªm vµo ph©n tö ®Çutiªn mét hay mét nhãm nguyªn tö kh¸c. Xem thÕ hy®r«cacbon kh«ng no dÔ biÕn®æi thµnh phÇn vµ tÝnh chÊt h¬n. Cßn ®èi víi hy®r«cacbon no chØ cã c¸c liªn kÕt®¬n nªn kh«ng thÓ cã nh÷ng nguyªn tö míi nµo cã thÓ x©m nhËp vµo ph©n tö mµkh«ng ph¶i lÊy ®i c¸c liªn kÕt ®¬n kh¸c ®∙ cã s½n do ®ã khã biÕn ®æi thµnh phÇnvµ tÝnh chÊt h¬n. Hy®r«cacbon ®¬n gi¶n nhÊt thuéc hä parafin CnH2n+2 gåm mªtan (CH4),ªtan (C2H6), pr«pan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12), hexan (C6H14) c«ng thøcph©n tö nh sau: H H H H H H      H  C  H, H  C  C  H, H  C  C  C  H...       H H H H H H (CH4) (C2H6) (C3H8)(t¬ng tù víi C4H10, C5H12, C6H14 b»ng c¸ch thªm vµo tõng nhãm CH2 mét). Liªn kÕt trong néi bé ph©n tö lµ liªn kÕt ®ång hãa trÞ m¹nh, nhng gi÷a c¸cph©n tö lµ liªn kÕt yÕu Van der Waals, nªn c¸c hy®r«cacbon nãi chung cã nhiÖt ®énãng ch¶y vµ nhiÖt ®é s«i thÊp (tuy nhiªn c¸c nhiÖt ®é nµy t¨ng lªn theo sù t¨nglªn cña khèi lîng ph©n tö). Hy®r«cacbon cã cïng thµnh phÇn hãa häc cã thÓ cã nh÷ng c¸ch s¾p xÕpnguyªn tö kh¸c nhau ®îc gäi lµ ®ång ph©n hãa (isomerism) mµ mçi d¹ng cña nã®îc gäi lµ izome. VÝ dô, cã hai izome cho butan: butan n vµ butan i víi c«ngthøc ph©n tö nh sau: ...