Đang tải... (xem toàn văn)
Câu hỏi về chất dẻo Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Mở đầu: TỔNG QUAN VỀ CHẤT DẺO. Bài 1 : Các khái niệm cơ bản. 1.Chất dẻo là gì ? Là một loại hỗn hợp vật liệu dựa trên cơ sở vật liệu polymer và các chất phụ gia khác. Các phụ gia: chất gia cường,chất ổn định: ánh sáng, nhiệt độ, thời tiết …,chất bôi trơn, hoá dẻo, chống tĩnh điện, chất tạo màu. 2. Polymer Loại vật liệu có phân tử lượng cao (cao phân tử) là loại hợp chất hữu cơ được cấu thành từ các đại phân tử. Trong đó các đại phân tử này được cấu thành bởi các đơn phân cùng loại (monomer) hoặc một vài đơn phân các loại và mối liên kết giữa các đơn phân này là mối liên kết điện hoá . Điều này có nghĩa cùng một loại polymer nhưng có phân tử lượng tăng lên thì tính chất cơ lý hoá sẽ thay đổi về giá trị theo phân tử lượng . Nếu polymer được cấu thành từ những monomer cùng loại gọi là homopolymer (loại cao phân tử thuần nhất). Nếu polymer được kết từ 2-3 monomer khác loạicopolymer (chất đồng trùng hợp). Đồng trùng hợp :là phương pháp biến tính chất dẻo làm cho chúng hoàn thiện lên. VD:ABS: Acrinitryl, butadien, stiren (nền). Polyblend: hỗn hợp chất dẻo bằng phương tiện kĩ thuật và chất hỗ trợ kĩ thuật. Người ta trộn 2 loại chất dẻo với nhau tạo ra hỗn hợp chất dẻo với mục đích là sử dụng tính ưu việt của chất dẻo cơ sở bổ trợ cho nhau khi tạo thành vật liệu mới. Công nghệ vật liệu được phân ra làm 2 nhóm chính : Chất dẻo nhiệt rắn: là loại vật liệu ban đầu có thể nóng chảy,hoà tan khi có tác dụng của nhiệt và dung môi nhưng khi thành sản phẩm, bán thành phẩm thì nó không nóng chảy hoặc không hoà tan nữa. Chất dẻo nhiệt dẻo: là loại vật liệu khi có nhiệt hoặc dung môi phù hợp thì nó nóng chảy hoặc hoà tan nhưng khi cho làm nguội hoặc cho bay hơi dung môitrạng thái ban đầu, có thể tái sinh được . Khi điều chế mạch dạng sợi (nhiệt dẻo). 1 -mạch trơn , phân nhánh có điều chỉnh kết tinh cao, chất dẻo tinh thể. -sợi phân nhánh có điều chỉnh lập thể chất dẻo vô định hình (nhiệt dẻo). Mối liên kết của các đại phân tử là mối liên kết vật lý. Ngược lại chất dẻo nhiệt rắn khi tạo thành nguyên liệu thường có phân tử lượng nhỏ ( 100vài nghìn đơn vị), nhưng đồng thời trong các mạch của nguyên liệu này vẫn còn chứa các chức năng hoá học. Khi trộn chúng với chất khơi mào (tạo lưới ) (Initiater). Khi cung cấp nguồn kích hoạt hoặc bằng nhiệt hoặc các chất kích hoạt (actiater) thì chất khơi mào sẽ gây phản ứng với các mạch phân tử của nguyên liệu để tạo thành các mạch ngang vì vậy cấu trúc của chất dẻo khi thành sản phẩm hoặc bán thành phẩm là cấu trúc mạch lưới. Trong đó mối liên kết là mối liên kết điện hoá .Chính vì vậy khi thành sản phẩm hoặc bán thành phẩm chất dẻo nhiệt rắn không thể nóng chảy hoặc hoà tan được mối liên kết năng lượng điện hoá trị . Dù là chất dẻo nhiệt rắn hay nhiệt dẻo nếu trộn thêm 2 ÷ 3% chất phụ gia gia cường thì sẽ tạo thành comporit plastic. Bài 2: Các đặc trưng công ngệ 1:Phân tử lượng và mức độ trùng hợp. Với cùng loại vật liệu cơ sở nếu phân tử lượng tăng thì tính chất cơ lý hoá của nó càng hoàn thiện nhưng đồng thời gia công ra sản phẩm càng khó vì độ nhớt ( η ) .Khi nóng chảy sẽ tăng theo mức độ tăng của phân tử lượng . VD: PVC : n=500 ÷ 2500 - chứa >75% và n ≥ 1000 thì cơ lý cao hơn là chứa >30% và n<1000. 2.Tỉ trọng và hệ số lèn chặt . hệ số lèn chặt: 2,2 2,5 vatlieu sanpham V n V = = ÷ tỉ trọng ρ : 0,8 2,3 ρ = ÷ 3 g cm (polymer là vật liệu nhẹ) 3. Đặc trưng chảy chất dẻo nhiệt dẻo. a. Chỉ số chảy MFI (melt flow index) đánh giá mức độ linh động của vật liệu khi nóng chảy .Với nhiệt độ, áp suất xác định người ta cho khối chất dẻo nóng chảy chảy qua 1 lỗ chuẩn đường kính 2,1mm đối với loại có độ nhớt cao, 1,9mm đối với loại có độ nhớt thấp trong khoảng thời gian 10 phút và đo khối lượng chất dẻo chảy qua đó (g\10 phút). 2 MFI dùng để so sánh độ linh động giữa các vật liệu cơ sở . b.Gía trị K dùng cho chất dẻo mang tính cao su như PVC. PVC : 140 0 C là nhiệt độ phân huỷ 140 ÷ 170 0 C nhiệt độ nóng chảy. Người ta dùng dung môi xiclohexan hay tulon. VD: tulon 15% cho vào PVC tạo dung dịch PVC. Dùng nhớt kế nhỏ giọt đo độ nhớt m d Z η η = C: độ đậm đặc (số gam PVC\100ml dung dịch). Dùng công thức thực nghiệm: 2 75. lg . 1 15 K Z K C KC = + + K được sử dụng giống như độ nhớt của vật liệu khi nóng chảy. 4. Đặc trưng chảy của chất dẻo nhiệt rắn. a. Đo độ dài thanh mẫu. Khi nhiệt độ xác định người ta ép khối chất dẻo nhiệt rắn đi qua một khe hẹp dần. Khi thành hình thanh mẫu, người ta đo chiều dài .Thanh nào có độ dài lớn hơn chứng tỏ đặc trưng chảy lớn hơn . Như vậy có thể so sánh các mẻ vật liệu khác nhau. b. Đo thời gian điền đầy khuôn. Với mẫu thử bát hoặc chén tròn bộ khuôn tạo ra mẫu thử đó, đo thời gian nhựa điền đầy khuôn khi bị ép. Với nhiệt độ, áp suất xác định vật liệu nào có thời gian điền đầy càng nhanh thì độ chảy càng tốt. Z K 1,55 45,4 1,60 47,3 3 Bài 3: Ứng xử vật lý của chất dẻo . Phân tử thấp phân ra làm 3 trạng thái +Thể khí +Thể lỏng +Thể rắn Do chất dẻo có phân tử lượng lớn (mạch phân tử dài) nên 1 đại phân tử chất dẻo tham gia nhiều pha cùng một lúc. Sự phát triển pha tinh thể của chất dẻo khác sự phát triển pha tinh thể của thể rắn.Chính vì lí do đó lực tác dụng tương hỗ giữa các phân tử chất dẻo không đủ lớn như là vật rắn vì vậy phần lớn chất dẻo có nhiệt độ nóng chảy thấp. Tính cơ lý phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng các chỉ số cơ học giảm xuống. Phần lớn chất dẻo nhiệt dẻo có hiện tượng chảy lạnh. Ứng xử vật lý của chất dẻo phụ thuộc : +Cấu trúc hoá học của phân tử +Phân tử lượng trung bình +Mức độ cản trở giữa các mạch phân tử +Độ kết tinh +Lực liên kết giữa các phân tử +Mức độ tạo lưới(nhiệt rắn) a.Trạng thái vật lý của chất dẻo vô định hình. T ph T nc T m 4 Z σ Rắn Dẻo nóng Chảy nhớt 0 ε T m : nhiệt độ làm mền T nc : nhiệt độ nóng chảy T ph : nhiệt độ nóng chảy Trạng thái Cứng và giòn (vật liệu vô định hình) Dẻo nóng đàn hồi dạng cao su Chảy nhớt Phân huỷ Cấu trúc phân tử Lực liên kết giữa các đại phân tử lớn, vì các đại phân tử có cấu trúc cuộn lại Độ di động của các phân tử bị cuộn lại phát triển lên khoảng cách chúng thưa ra Các đại phân tử có thể chuyển dịch tương đối với nhau do lực liên kết giữa chúng nhỏ Giảm phẩm chất Khả năng gia công Gia công cắt gọt, dán tinh chế bề mặt Dập nóng, hút chân không Đúc, đùn và ép, hàn, cán (Với đúc, đùn, ép có thể tạo xốp) Không gia công được b.Trạng thái vật lý của chất dẻo tinh thể . T m T nc T ph 5 Rắn Cứng dai- dẻo nóng Chảy nhớt Trạng thái Rắn-cứng Cứng đàn hồi dai Dẻo nóng và chảy nhớt Phân huỷ Cấu trúc phân tử Các vùng tinh thể và vô định hình đều cứng, lực liên kết giữa đại phân tử rất lớn Các pha vô định hình bắt đầu mềm dần nhưng ở vị trí các pha tinh thể vẫn cứng. Lực liên kết các đại phân tử ở vùng tinh thể còn lớn 1.Vùng tinh thể dần cởi ra, các biến dạng đạt cao nhất 2.Sau đó các đại phân tử có khả năng dịch chuyển tương đối so với nhau Giảm phẩm chất Khả năng gia công Gia công cắt gọt khó gia công cắt gọt , lắp ghép bằng phương pháp dán và tinh chế bề mặt 1.Dập nóng , uốn hút chân không 2. Đùn, đúc, ép,hàn c.Trạng thái vật lý chất dẻo nhiệt rắn . Mối liên kết giữa các đại phân tử của chất dẻo nhiệt rắn là mối liên kết hoá học chứ không phải là liên kết vật lý có tác dụng tương hỗ của chất dẻo nhiệt rắn .Vì cấu trúc của chất dẻo nhiệt rắn là cấu trúc mạch lưới, năng lượng liên kết của các mạch là như nhau cả theo phương ngang lẫn dọc.Vì vậy nếu có chuyển dịch tương đối với 6 Nhiệt độ phân huỷ Z σ Z ε nhau so với các mạch thì sẽ dẫn đến hiện tượng phá huỷ cấu trúc ( khi chuyển dịch đó là lớn ). Vì vậy vật liệu có cấu trúc mạch lưới không nóng chảy, hoà tan mà chỉ trương nở. Trạng thái Dạng như thuỷ tinh: cứng, giòn Phân huỷ Cấu trúc phân tử Các đại phân tử được tạo lưới +không gian +phẳng Giảm phẩm chất Khả năng gia công Gia công cơ: cắt gọt Lắp ghép bằng mối dán Tinh chế bề mặt Không gia công được Thử với chất dẻo nhiệt rắn không chất độn. Bài 4. Một số cách nhận biết các chất dẻo thông thường. a.Dung môi thường gặp. 1. Benzin C 6 H 5 X 2. Benzen C 6 H 6 3. Metilenclorua CH 2 Cl 2 4. Etil ete 5. Axeton CH 3 COCH 3 6. Etylaxtat C 2 H 5 OCOCH 3 7. Rượu etyl C 2 H 5 OH 8. Xiclohecxan C 6 H 12 9. Tetra cloruametan CC l4 10.Clorua fooc CHCl 3 11. Điety ete (dioxan) (CH 2 ) 4 O 2 12.Phenol 80% C 6 H 5 OH 13. Axit focmic (axit kiến) HCOOH 14. Axit axetic CH 3 COOH 15. Axit clohidric đặc HCl 16.Tetra hydrofura 17. Pyridin C 5 H 3 N 18. Đicloetan C 2 H 4 Cl 2 19. Axit sunfuric H 2 SO 4 7 b.Nhiệt dẻo 1.Polyetilen: PE Cháy với ngọn lửa xanh màu nến (parafin) , chất dẻo chảy thành dòng nóng chảy. Ở nhiệt độ thường không tan trong dung môi nào cả chỉ tan trong 2,9,10,17 (mục trên) ở nhiệt độ ≥ 80 0 C 2. Polypropylen: PP Cháy sáng, chân ngọn lửa màu xanh nhạt có dòng chảy chất dẻo có mùi cao su cháy (mùi xi gắn chai lọ). Không tan trong dung môi ở nhiệt độ thường chỉ tan 2,9,10 ở ≥ 80 0 C 3. Polystiren: PS Ngọn lửa sáng rực có muội mùi hắc nhẹ như mùi khí ga (mùi hoa phong túc). Tan trong 2, 3, 9, 10, 11, 17 ở nhiệt độ thường. 4.Polyvinylclorid: PVC Cháy với ngọn lửa xanh lá cây sáng, dời ngọn lửa thì tắt, mùi khét hắc của khí HCl Tan trong 8, 9, 10, 17, 18. 5. Polyamit: PA Cháy với ngọn lửa xanh nhạt cạnh vàng, chất dẻo chảy nhỏ giọt, mùi sừng, xương cháy. Tan trong 12, 13, 14, 15. 6. Polymetylmetacrylat: PMMA (thuỷ tinh hữu cơ) Ngọn lửa cháy chói sáng có muội, mùi khét hắc và chua nồng. Tan trong 2, 3, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 14, 18 . 7. Polycacbonat: PC Khó cháy, cháy có muội, đưa ngọn lửa ra xa thì tắt, chỗ vật liệu cháy giòn có bụi than, mùi khét hắc. Tan trong 3, 16, 11, 18. 8.Polyoxymetylen: POM Cháy như cồn, ngọn lửa xanh nhạt , không muội có tiếng lép bép. Sau khi cháy có mùi khét hắc và cay (CH 2 O). Tan trong 12 nhưng ở nhiệt độ ≥ 100 0 C 8 9. Polyuretan: PUR Cháy tốt ngọn lửa xanh nhạt cạnh vàng, mùi khét hắc của axit isoxianic. Tan trong 12, 14, 19. c.Chất dẻo nhiệt rắn. Nguyên liệu ban đầu có thể nóng chảy, hoà tan được nên dung môi dùng cho nguyên liệu. 1. Chất dẻo pheno (phenoplast). Liên kết giữa phenol và focmanđehit. Là vật liệu không chảy, khi cháy có mùi phenol và focmanđehit (khi cháy có mùi thơm của rượu, có vị cay cay). 2. Chất dẻo amino (aminoplast). Chia làm 2 nhóm: -ure-formanđehit (keo dán gỗ) -melanmin-formanđehit. Là vật liệu rất khó cháy, than cháy có lớp trắng cứng ở xung quanh, khi cháy cho mùi amoniac. 3. chất dẻo epoxy. So với 2 loại trên dễ cháy hơn, khi cháy thì cháy sáng nhưng dời ngọn lửa thì tắt, ngọn lửa có muội, mùi phenol. 4. Polyeste không no. Là loại vật liệu dễ cháy và cháy sáng, có muội, mùi khét hắc. Bài 2: Thu nhận chất dẻo Nguồn nguyên liệu chủ yếu là khí tự nhiên trong các quặng trong lòng đất chứa 89% 98% khí CH 4 CH 3 Cl, CH 2 Cl 2 Oxi hoá CH 4 formanđehit CH 2 O. Cracking CH 4 axetilen etylen. Thu nhận khí đồng hành dầu mỏ. Sản phẩm phụ của công nghệ trưng cất dầu. Gia công than đá khí. 1.Quy luật chung của phản ứng trùng hợp. Quá trình trùng hợp là phản ứng kết hợp các phân tử đơn phân, quá trình xảy ra khi phá vỡ các mạch đôi không no và không cho sản phẩm phụ. nM[M] n 9 M: monomer n:Mức độ trùng hợp [M]n: đại phân tử được hình thành từ n chất đơn phân. Quá trình phản ứng qua 3 bước *Bước 1: Hình thành tâm hoạt tính MM* *Bước 2: Phát triển mạch M 1 + M* M 2 * + M1 M 3 * + M 1 +…. M n * *Bước 3: Ngắt mạch M n * P n M*: Tâm hoạt tính. M 2 *, M 3 *, M n *: gốc tự do (phát triển) –radical. P n : phân tử polymer. Cơ chế trùng hợp được quuyết định bản chất hoá học của các gốc phát triển là sản phẩm trung gian của quá trình trùng hợp. Nếu các đơn phân tử đủ độ ổn định và có thời gian tồn tại khá lớn thì quá trình trùng hợp được gọi là quá trình trùng hợp bậc. Nếu sản phẩm trung gian không ổn định các phân tử tồn tại ngắn, sau đó lại tiếp tục phát triển thì gọi là trùng hợp mạch. Trong quá trình trùng hợp có thể cùng một lúc tham gia 2 hay 1 vài đơn phân khác nhau quá trình đó được gọi là quá trình đồng trùng hợp. Phân tử lượng hoặc mức độ trùng hợp của đại phân tử được thực hiện trong quá trình trùng hợp mạch phát triển hầu như trong chốc lát. 2. Trùng hợp mạch a. Trùng hợp gốc Khi tiến hành trùng hợp gốc thì các tâm hoạt tính của phản ứng là gốc tự do, các lớp điện tử trung gian có 1 hoặc 2 các điện tử nằm ngang được hình thành khi ta phân huỷ các hợp chất peroxit hoặc phân huỷ hợp chất có nhóm diazo hoặc azo hoặc cấp cho đơn phân 1 năng lượng phụ trợ bằng cách nung nóng bởi tia bức xạ. Khi trùng hợp ion các tâm hoạt tính của các ion là các hạt có điện tích âm hoặc dương được hình thành khi có sự trợ giúp của các chất xúc tác ( vd: AlCl 3 , BF 3 , 10 [...]... 100 150 200 250 t°(°C) 2 Ảnh hưởng của mật độ chất khơi mào Tốc độ trùng hợp I 3 Ảnh hưởng của mật độ monomer Tốc độ trùng hợp M 4 Ảnh hưởng mật độ chất hãm % 125 100 75 50 25 0 1 0,4 0,8 2 1 2 3 1,2 Không có chất hãm Có chất hãm làm chậm quá trình 3,4 Có chất hãm 4 t(h) 4 Trùng hợp ion Sẽ xảy ra khi có mặt chất xúc tác Những chất này không phân huỷ như chất khơi mào trong quá trình trùng hợp, không... Dung dịch nhận được của polymer trong dung môi được gọi là “vecni”, có thể để nguyên hoặc tách polymer bằng cách xa lắng hoặc cho bay hơi dung môi b) Trùng hợp trong chất lỏng: Chất đơn phân tan được nhưng chất dẻo không tan được Khi đó chất dẻo được tách ra trong dạng cứng mà ta có thể lọc ra được Hai phươmg pháp này đều điều chỉnh được nhiệt độ nhưng do nồng độ đơn phân giảm nên polymer thu nhận được... tự như xảy ra ở cation Chất xúc tác của trùng hợp anion là các hợp chất do khả năng cho điện tử như các amit của kim loại kiềm, kim loại kiềm và dung dịch của chúng trong NH 3 lỏng Các hợp chất hữu cơ của kim loại kiềm Khi mật độ monomer và chất xúc tác tăng thì vận tốc trùng hợp anion cũng tăng phân tử lượng của polymer tỉ lệ thuận với monomer không phụ thuộc vào mật độ các chất xúc tác Để trùng hợp... mạch phát triển R1+ + RH R1+ H + H+ Chất xúc tác cho cation thường sử dụng các hợp chất có khả năng thu hút phân tử: BF4, SnCl4, TiCl4, AlBr3, FeCl3,… Trong quá trình trùng hợp cation người ta thường cho thêm các chất đồng xúc tác để tạo thành tổ hợp chất xúc tác: nước, rượu Trong trùng hợp cation: − P= vp vo = K2 M [ n] K1 [ n ] = K' M Và không phụ thuộc vào mật độ chất xúc tác va = K 2 M [ XT ] v p... thước các hạt polymer được tạo thành Chất ổn định cho phươmg pháp nhũ là các chất hoạt hoá ion, chất ổn định của phương pháp huyền phù thường là các chất keo bảo vệ 5 Trùng hợp bậc nM [M]n Số phân tử đơn phân giảm nên phân tử lượng M tăng, không tạo ra chất đơn phân (sản phẩm phụ) Tuy nhiên cơ chế khác hẳn trùng hợp Là chất đơn giản, phản ứng trùng hợp bậc xảy ra bằng cách kết hợp các phân tử đơn... nhau về phân tử lượng lẫn tính chất Ta có thể ghi nhận rằng phương pháp tiến hành quá trình trùng ngưng có ảnh hưởng thực sự đến phân tử lượng của polymer Để tiến hành quá trình trùng ngưng người ta có thể thực hiện các cách sau: Trùng ngưng trong trạng thái nóng chảy Trùng ngưng trong dung dịch Trùng ngưng trong dạnh nhũ Trùng ngưng ở ranh giới giữa các pha như chất lỏng - chất lỏng; pha khí: giữa chất. .. lượng của polymer người ta gọi là chất ổn định Cấu trúc của các polymer trùng ngưng và tính chất của chúng Như đã ghi nhận ở trên, tuỳ thuộc vào chức năng hoá học ban đầu và điều kiện phản ứng khi tiến hành trùng ngưng sẽ tạo ra hai loại phản ứng cơ bản: 1 Mạch sợi (linear) Là loại polymer có thể nóng chảy, hoà tan 1 cách ổn định và nhiều lần ta gọi nó là chất dẻo nhiệt dẻo 2 Mạch không gian (mạch lưới)... không có dung môi Quá trình trùng hợp tiến hành phải có chất khơi mào, theo mức độ phản ứng độ nhớt cũng tăng theo Không có dung môi nên khó dẫn điện Vì vậy phân bố nhiệt phản ứng không đều nên cho polymer không đồng nhất về phân tử lượng 2 Trùng hợp trong dung dịch a) Phương pháp “vecni”: Vai trò của môi trường sử dụng dung môi cho chất đơn phân hoặc chất polymer Dung dịch nhận được của polymer trong dung... các chất cao phân tử do ngưng kết nhiều phân tử nhiều phân tử với nhau đồng thời tách ra các chất đơn giản như nước, rược, CO2, clorua hidro HCl Không phải là quá trình tự phát mà cần năng lượng từ ngoài phát thêm Ở phản ứng trùng ngưng trọng lượng polymer thu nhận được thường ít hơn trọng lượng các chất ban đầu đưa vào phản ứng Thành phần cơ bản của nó không trùng với thành phần cơ bản của các chất. .. tử Điều kiện: +cácchất đơn phân ban đầu tồn tại các nhóm chức và các nhóm chức này khi tách phân tử chất đơn giản có thể tạo thành ra một nhóm mới và liên kết các phần còn lại của các phân tử tham gia phản ứng Các nhóm chức trong monomer không được nhỏ hơn 2 +phản ứng trùng ngưng của các hợp chất có 2 nhóm chức thường dẫn đến việc hình thành các polymer mạch sợi Trong khi các hợp chất có số nhóm chức . QUAN VỀ CHẤT DẺO. Bài 1 : Các khái niệm cơ bản. 1 .Chất dẻo là gì ? Là một loại hỗn hợp vật liệu dựa trên cơ sở vật liệu polymer và các chất phụ gia khác. Các phụ gia: chất gia cường ,chất ổn. bằng phương tiện kĩ thuật và chất hỗ trợ kĩ thuật. Người ta trộn 2 loại chất dẻo với nhau tạo ra hỗn hợp chất dẻo với mục đích là sử dụng tính ưu việt của chất dẻo cơ sở bổ trợ cho nhau khi. mạch dạng sợi (nhiệt dẻo) . 1 -mạch trơn , phân nhánh có điều chỉnh kết tinh cao, chất dẻo tinh thể. -sợi phân nhánh có điều chỉnh lập thể chất dẻo vô định hình (nhiệt dẻo) . Mối liên kết của