2 2 cấu trúc và ứng dụng polymer

Chapter 14/15 • Các đặc trưng cơ bản? 1 • Ảnh hưởng cấu trúc tới độ bền • Độ cứng, tính dị hướng và sự ủ trong polymers • Phương pháp tăng bền cơ ở nhiêt độ cao? CẤU TRÚC POLYMER CÁC ỨNG DỤNG VÀ QUÁ T[.]

• Các đặc trưng cơ bản ?

1

• Ảnh hưởng cấu trúc tới độ bền

• Phương pháp tăng bền cơ ở nhiêt độ cao?

TRÌNH

• Polymer = many mers: Phân tử lớn có nhiều nhánh

C C C C C C

H

H

H

H

H

H

H H H H H H

Polyethylene (PE)

mer

Cl

C C C C C C

H H

H

H H H H H H

Polyvinyl chloride (PVC)

mer

Polypropylene (PP)

CH3

C C C C C C

H H

H

H H

H H

H H

CH3 CH3

mer

• Cấu hình xích đồng hóa trị và độ bền

Hướng độ bền tăng

Adapted from Fig 14.2, Callister 6e.

Adapted from Fig 14.7, Callister 6e.

C U TRÚC VI MÔ C A POLYMER Ấ Ủ

Branched Cross-Linked Network Linear

secondary

bonding

• TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ , M w : Khối lượng mol của chuỗi.

3

• Bền kéo (TS):

-Thường tăng cùng M w

-Do chuỗi dài tăng sự liên kết (neo) lẫn nhau

• % kết tinh : % vật liệu ở trạng

thái tinh thể.

- Rk & E thường tăng với % kết tinh

-Ủ làm vùng kết tinh rộng % tinh thể

tăng

crystalline region

amorphous region

Adapted from Fig 14.11, Callister 6e.

(Fig 14.11 is from H.W Hayden, W.G Moffatt,

and J Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol III, Mechanical Behavior,

John Wiley and Sons, Inc., 1965.)

TR NG L Ọ ƯỢ NG PHÂN T VÀ M C K T Ử Ứ Ế

TINH

0

unload/reload 0

brittle failure

plastic failure 20

40 60

(MPa)



x

x

semi- crystalline case

amorphous regions elongate

crystalline regions align

crystalline regions slide

8

onset of necking

aligned,

cross-

linked

case

networked case Initial

Near Failure

near failure

Stress-strain curves adapted from Fig 15.1, Callister 6e Inset figures along plastic

response curve (purple) adapted from Fig 15.12, Callister 6e (Fig 15.12 is from J.M

Schultz, Polymer Materials Science, Prentice-Hall, Inc., 1974, pp 500-501.)

ĐÁP NG KÉO: DÒN & D O Ứ Ẻ

- Kéo dài polymer trước khi dùng

-Sắp xếp chuỗi theo hướng trải dài

• Kết quả kéo:

-Tăng elastic modulus (E) theo hướng trải dài

- Tăng tensile strength (TS) theo hướng trải dài

- Giảm tính dẻo (ductility)

• Biến dạng dẻo sau kéo

- Giảm móc nối decreases alignment

- Đảo ngược tác dụng kéo

kim loại!

Adapted from Fig 15.12,

Callister 6e (Fig 15.12 is

from J.M Schultz, Polymer

Materials Science,

Prentice-Hall, Inc., 1974, pp 500-501.)

• So với đáp ứng của các polymer khác:

đáp ứng dòn (aligned, cross linked & networked case)

đáp ứng dẻo (semi-crystalline case)

Stress-strain curves adapted from Fig

15.1, Callister 6e

Inset figures along elastomer curve (green) adapted from

Fig 15.14, Callister

6e (Fig 15.14 is

from Z.D Jastrzebski,

The Nature and Properties of Engineering Materials, 3rd ed.,

John Wiley and Sons, 1987.)

initial: amorphous chains are

kinked, heavily cross-linked.

final: chains are straight, still cross-linked 0

20 40 60

(MPa)

 8

x x

x

elastomer

plastic failure brittle failure

Deformation

is reversible!

• Nhiệt dẻo:

-liên kết ngang nhỏ

-dẻo

-soften w/heating

polyethylene (#2)

polypropylene (#5)

polycarbonate

polystyrene (#6)

• Nhiệt rắn:

-liên kết ngang lớn

(10 to 50% of mers)

-Cứng và dòn

-không soften w/heating

-cao su lưu hóa, epoxy,

nhựa polyester, nhựa

phenolic.

Callister, Fig 16.9

T

Molecular weight

Tg

Tm

mobile liquid

viscous liquid

rubber

tough plastic

partially crystalline solid

crystalline solid

Adapted from Fig 15.18, Callister 6e (Fig 15.18 is from F.W Billmeyer, Jr., Textbook of Polymer Science, 3rd ed., John Wiley

and Sons, Inc., 1984.)

• T giảm

- Tăng E

- Tăng TS

- Giảm %EL

• Tăng tốc độ kéo căng

- Hiệu ứng tương tự khi T

giảm.

Adapted from Fig 15.3, Callister 6e (Fig 15.3 is from T.S Carswell and J.K Nason, 'Effect of Environmental

Conditions on the Mechanical Properties of Organic Plastics", Symposium on Plastics, American Society for Testing

and Materials, Philadelphia, PA, 1944.)

20 40 60 80

0

4°C 20°C 40°C

60°C to 1.3

(MPa)



Data for the semicrystalline polymer: PMMA (Plexiglas)

NHI T Đ VÀ T C Đ KÉO CĂNG: NHI T D O Ệ Ộ Ố Ộ Ệ Ẻ

• Thử giảm sức căng :

E r (t)  (t)

 o

- Sức căng tới   và giữ nguyên.

- Sức căng giảm theo thời gian.

• modul giảm sức căng :

T > T g (polystyrene vô định hình)

• T g (C) của các mẫu :

PE (low M w )

PE (high M w ) PVC

PS PC

-110

- 90 + 87 +100 +150

103 101 10-1 10-3

105

60 100 140 180

rigid solid (small relax)

viscous liquid (large relax)

transition region

T(°C)

Tg

Er(10s)

in MPa

Adapted from Fig

15.7, Callister 6e

(Fig 15.7 is from A.V Tobolsky,

Properties and Structures of Polymers, John

Wiley and Sons, Inc., 1960.)

Selected values from Table 15.2,

Callister 6e

NH H NG C A TH I GIAN T I BI N D NG

time

strain

tensile test

 o

t

( )

• General drawbacks to polymers:

E,  y , K c , T application are generally small.

Deformation is often T and time dependent.

Result: polymers benefit from composite reinforcement.

• Thermoplastics (PE, PS, PP, PC):

Smaller E,  y , T application

Larger K c

Easier to form and recycle

• Elastomers (rubber):

Large reversible strains!

• Thermosets (epoxies, polyesters):

Larger E,  y , T application

Smaller K c

Table 15.3 Callister 6e:

Good overview

of applications and trade names

of polymers.

SUMMARY