Tài liệu Giới thiệu về nhựa (chất dẻo) và lịch sử hình thành

Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội CHƯƠNG I I. Bộ môn máy và ma sát học GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHỰA Giới thiệu về nhựa (chất dẻo) và lịch sử hình thành: Parkesine là chất dẻo đầu tiên được công bố bởi Alexander Parkes tại triển lãm quốc tế London vao năm 1862. Nó là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ cellulose, mỗi khi đun nóng thì biến dạng dẻovà có thể dùng làm khuôn, còn khi làm lạnh thì vẫn giữ trạng thái ban đầu. Alexander Pakes khẳng định rằng vật liệu mới này có thể thay thế cao su và có giá thành thấp hơn. Nhưng Parkesine nhanh chóng đánh mất vị thế của nó, bởi vì giá thành quá cao của các vật liệu cần để sản xuất nó. Trong những thập kỷ cuối của thế kỷ 19, người ta đổ xô đi tìm vật liệu mới để thay thế ngà voi trong việc sản xuất các quả bóng billiard. Thời gian này, billiard là một môn thể thao rất phổ biến đến mức mà hàng ngàn con voi đã bị giết bởi giá trị của những chiếc ngà trong việc sản xuất các quả bóng billiard. John Wesley Hyatt một người Mỹ, cuối cùng đã tìm ra một vật liệu mới đó là Celluloid. Hyatt khi tình cờ làm tràn một cốc đựng đầy collodion đã phát hiện ra rằng, chất liệu này có thể đông lại thành mảng rất dẻo và dai. Sau đó Hyatt đã sử dụng collodion thay thế cho ngà voi để sản xuất các quả bóng billiard. Nhưng bởi vì bản chất tự nhiên rất giòn của chất liệu này nên các quả bóng billiard sẽ rất dễ vỡ khi va cham vào nhau. Hyatt đã giải quyết vấn đề này bằng cách cho thêm long não, một chất chiết xuất từ cây nguyệt quế. Điều này làm cho Celluloid trở thành chất nhựa dẻo nhiệt đầu tiên, một chất có thể biến dạng bởi nhiệt và áp suất, và vẫn duy trì hình dạng đó thậm chí ngay khi không còn tác dụng của nhiệt và áp suất nữa. Chất dẻo nhân tạo đầu tiên được khám phá vào năm 1907 bởi Leo Baekeland một nhà hóa học Mỹ. Baekeland đã phát triển một thiết bị được gọi là Bakelizer, với thiết bị này Baekeland có thể thay đổi áp suất và nhiệt độ một cách chính xác để điều khiển phản ứng của các chất hóa học dễ bay hơi. Sử dụng Bakelizer Baekeland đã tổng hợp ra Bakelite, một chất lỏng có thể nhanh chóng đông cứng lại và giữ nguyên hình dạng của vật thể chứa nó. Chất liệu Trần Thị Bích Đào 1 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học mới này rất bền, không bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt, áp suất, không bị hòa tan bởi những acid thông dụng và các dung môi khác. Tính chất tuyệt vời này hơn hẳn những chất dẻo trước đó. Trong khi các sản phẩm làm từ Celluloid thường xuyên bị biến dạng và dễ dàng bị nóng chảy bởi nhiệt thì Bakelite vẫn giữ nguyên hình dạng và trạng thái của nó dưới bất cứ tình huống nào. Bakelite có thể được thêm vào hầu hết các vật liệu, và rất nhiều sản phẩm mới đã được sản xuất từ Bakelite, một lĩnh vực ứng dụng Bakelite nhiều nhất là quân đội. Chính phủ Mỹ đã nhận ra ở Bakelite tiềm năng sản xuất các loại vũ khí và thiết bị chiến tranh mà sắt thép không thể làm được, và trên thực tế Bakelite là thành phần chủ yếu của các loại vũ khí trong chiến tranh thế giới thứ 2. Ngoài ra với những tính chất như ổn định với các tác nhân hóa hoc, kháng nhiệt, cách điện.. Bakelite cũng được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp điện. Tơ nhân tạo được phát triển đầu tiên vào năm 1891 bởi Louis Marie Hilaire Bernigaut, một bá tước người Pháp. Sau khi nghiên cứu tơ tằm, Bernigaut thấy rằng con tằm sẽ sản xuất ra một chất lỏng, chất lỏng này sẽ biến đổi thành tơ khi tiếp xúc với ánh sáng và không khí. Bernigaut suy luận rằng, nếu có thể tìm ra được một loại chất lỏng tương tự và cho nó đi qua một thiết bị thì cũng có thể sản xuất ra được một chất liệu với những tính chất như tơ tằm. Vấn đề lớn nhất đối với phát minh mới của Bernigaut là nó rất dễ cháy. Điều này sau đó được giải quyết bởi Charles Topham. Cellophane (giấy bóng kính) được phát minh bởi Jacques Edwin Brandenberger, một kỹ sư về dệt. Ý tuởng về giấy bóng kính nảy sinh khi Brandenberger chứng kiến cảnh một người khách làm đổ rượu ra bàn, người bồi bàn ngay lập tức thay tấm vải bàn mới và vứt bỏ tấm vải bàn đã bị bẩn. Brandenberger đã quyết tâm sẽ tìm ra một vật liệu mới có thể thay thế làm vải bàn, hay dùng để bọc ở lớp ngoài các vật thể. Vật liệu mới này có thể dễ dàng lau sạch nếu vấy bẩn. Brandenberger đã tiến hành rất nhiều thí nghiệm với những chất khác nhau và cuối cùng ông đã thành công vào năm 1913 khi sử dụng tơ nhân tạo. Trần Thị Bích Đào 2 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học Một trong những phát minh có tầm quan trọng nhất là sự khám phá ra PVC hay còn gọi là vinyl vào năm 1926. Waldo Semon một nhà hóa học hữu cơ khi đang cố gắng để kết hợp sắt với cao su đã tình cờ chế tạo ra một chất liệu mới được gọi là PVC. Waldo Semon phát hiện ra rằng chất liệu mới này có những tính chất ưu việt như có khả năng kháng nhiệt, áp suất, lửa… có thể dễ dàng uốn dẻo, giá thành sản xuất thấp. Vinyl sau đó đã được ứng dụng rộng rãi ở Mỹ và chiếm một vị thế rất quan trọng trong sản xuất. Năm 1933,Ralph Wiley cũng tình cờ khám phá ra một chất dẻo mới polyvinylidene chloride (Saran). Đầu tiên Saran được sử dụng để bảo vệ các thiểt bị quân sự, nhưng sau đó người ta đã nhận ra nó có thể sử dụng rất hiệu quả trong đóng gói và chứa thực phẩm. Vào năm 1933 hai nhà hóa học hữu cơ E.W. Fawcett và R.O. Gibson đã tình cờ chế tạo ra Polyethylene khi thử nghiệm phản ứng giữa các chất khác nhau dưới những điều kiện áp suất cao.Họ đã tiến hành thí nghiệm phản ứng giữa ethylene và benzaldehyde dưới áp suất 2000 atm. Thí nghiệm này lúc đầu đã bị hỏng vì trong quá trình phản ứng thì bình chứa bị thủng, áp suất không còn nữa. Nhưng khi mở bình chứa ra thì họ phát hiện thấy một hợp chất trắng có kết cấu như sáp và trông rất giống chất dẻo. Sau khi tiến hành lại thí nghiệm hết sức cẩn thận Fawcett và Gibson phát hiện ra rằng áp suất giảm chỉ một phần là do lỗ hổng còn phần lớn là do quá trình polyme hóa đã xảy ra và tạo nên Polyethylene. Thời điểm này cả Fawcett và Gibson đều không nhận ra rằng, hợp chất mới được 2 ông chế tạo ra sẽ có ảnh hưởng hết sức to lớn đối với cả thế giới. Polyethylene đã được sử dụng rất phổ biến trong chiến tranh thế giới thứ hai, đặc biệt là trong các hệ thống rada. Ngày nay Polyethylene được sử dụng để sản xuất bình chứa soda, sữa…túi hút ẩm trong việc luu trữ thức ăn.. Từ những năm 1950 chất dẻo bắt đầu phát triển rất mạnh mẽ thành một ngành công nghiệp và ảnh hưởng tới nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Từ sản xuất bình chứa, vật liệu xây dựng, tới sản xuất ô tô, xe máy, điện thoại, dây cáp dẫn… Rất nhiều những vật liệu mới được phát minh từ thời kỳ này Trần Thị Bích Đào 3 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học * 1951 - Paul Hogan and Robert Banks chế tạo ra HDPE (High-density polyethylene) * 1951 - Paul Hogan and Robert Banks - chế tạo ra Polypropylene or PP * 1953 Dow Chemicals giới thiệu Saran Wrap * 1954 - Ray McIntire chế tạo ra Styrofoam *1970 - Dacron, Mylar, Melinex chế tạo thành công nhựa Polyester bền nhiệt * 1985 – Polymers tinh thể lỏng được phát minh. * Từ năm 1976 chất dẻo đã trở thành vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới và được bầu chọn là một trong 100 sự kiên quan trọng nhất của thế kỷ. II. Các khái niệm cơ bản của nhựa: 1. Khái niệm: - Chất dẻo hay còn gọi là nhựa là loại vật liệu được tạo thành bởi nhiều phân tử (các Polyme). Nó có thể được tổng hợp hoặc thay đổi từ nhiều đơn phân. - Nhựa (chất dẻo) là vật rắn (trong trường hợp nào đó nó có thể ở trạng thái lỏng trong quá trình gia công). Và là vật liệu có thể biến dạng mà không bị phá hủy, có thể định hình với áp lực thấp nhất Polyme thuộc loại này có thể ở dạng tinh thể theo tỷ lệ nào đó và có tất cả các loại cấu trúc và hình thái cấu tạo (mạch thẳng, nhanh,…,ISOtactic…) ở dạng nhiệt dẻo và nhiệt rắn. 2. Phân loại: Tùy vào tính chất và mục đích mà người ta phân loại về nhựa. Có 2 cách chính phân loại nhựa như sau: a.Phân loại theo công dụng: 1.Nhựa thông dụng. Trần Thị Bích Đào 4 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học 2.Nhựa kỹ thuật. 3.Nhựa hỗn hợp. - Nhựa thông dụng: là loại nhựa được sử dụng rộng rãi trên thế giới với một khối lượng lớn, có ưu điểm là giá thành thấp và dễ gia công thành sản phẩm. Một số loại nhựa thông dụng như PE, PP, PS, ABS, VPC, PMMA, Phenolic, Ure, Malamin… - Nhựa kỹ thuật: là loại nhựa có nhiều đặc tính ưu việt hơn nhựa thông dụng về độ bền va đập, độ bền kéo, biến dạng, độ kháng nhiệt… Tuy nhiên chúng ta có giá thành đắt hơn, điều kiện gia công nghiêm ngặt và khó khăn hơn. Nhựa kỹ thuật thường sử dụng để sản xuất các chi tiết máy hoặc các chi tiết theo yêu cầu với tính năng cao. Một số trường hợp được gia cường bằng một số chất phụ gia nhằm tăng độ bền, ví dù như: sợi thủy tinh, sợi cacbon… hoặc tùy theo yêu cầu của người thiết kế. Một số loại nhựa kỹ thuật thường dùng được cho theo bảng sau đây: S Tên khoa học Ký hiệu hóa TT 0 Đặc tính học POM Polyacetal 1 Nhựa vô định hình 0 Polycarbonat PC 2 Nhựa vô định hình 0 Polyphenylen PPS Nhựa kết tinh 0 Polyamid PA Nhựa kết tinh 0 Polybutylen PBT Nhựa kết tinh 3 Sulfid 4 5 terephtalat Nhựa kỹ thuật chuyên dùng: là loại nhựa chỉ sử dụng trong một số lĩnh vực riêng biệt, có trọng lượng phân tử rất cao (1000000 hoặc lớn hơn). Với loại Trần Thị Bích Đào 5 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học nhựa này, Việt Nam gần như chưa được sử dụng vì tính năng cao nhưng giá thành quá đắt. Ví dụ: Polyester kết tinh dạng lỏng (LCP), Polyimide (PI), Polyamid Imid (PAI)… - Nhựa hỗn hợp (Copolyme): là loại nhựa có nhiều tính năng ưu việt vượt trội và hạn chế được những tính năng yếu kém của các loại nhựa riêng lẻ khác. Một số loại thường dùng: PC/PET, PC/ABS, PA/PP … b. Phân loại theo tính chất: Theo tính chất thì nhựa được phân ra làm 2 loại: 1. Nhựa nhiệt dẻo (Thermoplastic polymer) 2. Nhựa nhiệt rắn (Thermosetting polymer) Để ứng dụng tốt hơn về nhựa vào ngành cơ khí, đặc biệt là ứng dụng trong quá trình sản xuất khuôn nhựa nên trong đồ án này sẽ trình bày cụ thể về một số loại nhựa theo cách phân loại về tính chất. 3. Nhựa kết tinh và nhựa vô định hình: Trong các vật liệu Polyme (Cao phân tử), tùy theo trạng thái sắp xếp chuỗi mạch của nó mà ta có thể phân loại nhựa có dạng kết tinh hoặc không kết tinh (vô định hình). Nếu các chuỗi mạch của vật liệu Polyme được sắp xếp gần khít nhau theo một trật tự nhất định thì đó là vật liệu Polyme kết tinh. Trần Thị Bích Đào 6 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học Nếu các chuỗi mạc của vật liệu Polyme được sắp xếp không theo một trật tự nhất định nào, thì ta có Polyme vô định hình. Chú ý: Polyme kết tinh không có nghĩa là tòan bộ khối lượng Polyme đều ở trạng thái kết tinh mà có thể trong đó vẫn có một số “Pha” vô định hình. Các loại Polyme ở trạng thái kết tinh thường đục mờ. Các loại Polyme còn có trạng thái không kết tinh (vô định hình) có độ trong suốt. Như nhựa PMMA còn có độ trong suốt hơn thủy tinh vô cơ. Thí dụ PMMA cho 73% tia cực tím xuyên qua còn thủy tinh Silicat (vô cơ) chỉ cho 1 – 3% tia cực tím đi qua. Người ta có thể có những giải pháp để cho một loại Polyme kết tinh (dạng đục mờ bán trong) trở thành Polyme có nhiều “Pha” vô định hình hơn (trong suốt hơn). Ví dụ như khi gia công, sau khi nhiệt Nhựa PP (thuộc loại nhựa kết tinh), người ta làm lạnh rất nhanh để định hình sản phẩm này, ta sẽ có sản phẩm PP trong suốt hơn bởi vì lúc này sản phẩm nhựa PP có nhiều pha vô định hình. 4. Một số tính chất cơ bản của nhựa: a.Tính chất cơ lý của nhựa: *Phân tử lượng và độ trùng hợp: - Nhựa là vật liệu cao phân tử (Polyme): Vật liệu cao phân tử: là hợp chất gồm các phân tử được hình thành do sự lặp đi lặp lại nhiều lần của một loại hay nhiều loại nguyên tử hay một nhóm nguyên tử (đơn vị cấu tạo là monome) liên kết với nhau với số lượng khá lớn để tạo nên một loạt các tính chất mà chúng thay đổi không đáng kể khi lấy đi hoặc thêm vào một vài đơn vị cấu tạo. Trần Thị Bích Đào 7 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học Bảng phân loại các chất cao phân tử căn cứ vào trọng lượng của phân tử: Phân loại Thấp phân tử Trọng lượng phân tử Trọng lượng phân tử dưới 1000 Cao phân tử thường Trọng lượng phân tử từ 1000 ÷ 10.000 Cao phân tử có trọng Trọng lượng phân tử từ 1000 ÷ 800.000 lượng lớn Trong lượn phân tử trên 1.000.000 Siêu cao phân tử Tính chất của chất dẻo: được điều chế từ một nhóm đơn phân tử như nhau, chủ yếu do độ dài của mạch phân tử quyết định. Độ lớn của mạch phân tử được xác định bằng phân tử lượng trung bình (M) hoặc độ trùng hợp trung bình (P). Độ trùng hợp trung bình được biểu diễn qua trọng lượng phân tử và phân tử lượng của Monome. P= M Mn (1) Trong đó: P – Độ trùng hợp trung bình. M – Phân tử lượng trung bình. Mn – Phân tử lượng của chất trùng hợp. Như vậy qua đó ta hiểu rằng tại sao cùng một loại nhựa lại có nhiều tính chất không giống nhau. Ví dụ: nhựa PS có những loại phân tử lượng là 10.000 hoặc 100.000 hoặc 200.000 …Và nếu cùng một loại vật liệu cao phân tử như nhau, khi phân tử lượng của chúng khác nhau thì tính chất của chúng cũng không giống nhau. - Phân tử lượng và độ trùng hợp là hai đặc trưng phụ thuộc lẫn nhau. Qua cách tính ở (1) ta thấy đối với cùng một chất cao phân tử nếu phân tử lượng lớn thì độ trùng hợp cũng cao. Cùng với sự tăng của phân tử lượng các tính chất của vật liệu cũng được hoàn thiện hơn. Độ bền cơ lý hóa đó cũng tăng theo. Tuy nhiên phân tử lượng càng cao thì càng bất lợi trong quá trình gia công vì nhiệt độ chảy sẽ khác và độ nhớt sẽ tăng. * Trọng lượng thể tích và tỷ trọng của nhựa: Trần Thị Bích Đào 8 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học - Vật liệu dẻo dạng hạt hay dạng bột: đều được xác định bằng khối lượng hoặc thể tích. Và định lượng bằng thể tích dù đơn giản hơn song lại không chính xác như cách xác định định lượng bằng trọng lượng. -Tỷ trọng của nhựa: + Tính ưu việt của vật liệu nhựa là tương đối nhẹ. Do đó tỷ trọng của vật liệu nhựa thường giao động từ 0,9 ÷ 2 g/cm3. So với các kim loại thì nhựa nhẹ bằng ½ nhôm, nhẹ hơn sắt, thép, đồng, chì từ 5 ÷ 7 lần. Đặc biệt khi gia công vật liệu nhiệt thành các sản phẩm xốp thì có tỷ trọng rất thấp (0,02 ÷ 0,1 g/cm3) và độ truyền nhiệt nhỏ. Độ kết tinh của nhiệt càng cao thì tỷ trọng nhựa cũng càng cao, tỷ trọng có liên quan đến độ bền của sản phẩm. Trần Thị Bích Đào 9 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học Dưới đây là tỷ trọng một số lọai vật liệu: Vật liệu Tỷ trọng Kim loại Gốm sứ Mica Sợi thủy tinh Oxy Titan Carnonate Canxi Bột hoạt thạch Polypropylene PP High Density PE (HDPE) Low Density PE (LDPE) Polystyrene PS Polymetyl meta acrylat PMMA PVC Nylon EVA Polycarbonate PC PET ABS Composite chất dẻo gia cường sợi thủy tinh 2,9 ÷ 9,0 2,1 ÷ 5,3 2,0 ÷ 3,8 2,54 3,9 ÷ 4,2 ~ 2,7 2,8 0,9 Trần Thị Bích Đào 10 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học 0,95 0,9 1,05 1,14 1,4 1,09 ÷ 1,14 0,93 1,2 1,34 1,04 1,7 Trần Thị Bích Đào 11 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học * Quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu nhựa: Biểu đồ kéo của vật liệu Polyme Đường A: Biểu diễn độ bền kéo của Polyme giòn. Đường B: Biểu diễn độ bền kéo của Polyme dẻo. Đường C: Biểu diễn độ bền kéo của Polyme đàn hồi cao. Biểu đồ biểu diễn độ bền kéo của các loại Polyme chính. Độ bền kéo là đại lượng đặc trưng cho sự chống đối lại lực kéo của vật liệu. Đối với loại nhựa giòn: thì nó sẽ bị đứt ngang khi còn biến dạng đàn hồi (đường A). Ví dụ nhựa giòn như Polymetyl mecrylat (PMMA) ở 4 oC, Polyestyren (PS)… Đối với các loại nhựa dẻo: cũng giống như kim loại có 3 giai đoạn: đàn hồi – dẻo – phá hủy (đường B). Đối với vật liệu nhựa đàn hồi thì khi bị biến dạng hòan tòan đàn hồi tức là loại biến dạng lớn gây ra do ứng suất thấp song phục hồi lại được – hoàn toàn bị mất đi khi bỏ tải trọng (đường C). Ví dụ như PMMA ở 50 ÷ 60oC. Nói chung nhựa có độ bền rất thấp, so với thép, nhựa kém hơn khoảng 10 lần. Còn về độ dẻo thì nhiều loại nhựa có độ dãn dài lớn hơn 100% thậm chí 1000%, trong khi đó thép thường chỉ vài chục %. * Độ hút ẩm (độ hấp thụ nước), độ co rút và độ chịu lạnh của nhựa: - Độ hút ẩm (độ hấp thụ nước): Trần Thị Bích Đào 12 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học Độ hút ẩm của nhựa càng thấp càng tốt bởi khi nhựa hập thụ nước sẽ làm giảm bớt một số tính chất cơ lý và ảnh hưởng đến sự ổn định kích thước của sản phẩm. Độ hấp thụ nước cao đối với nhựa có nhóm phân cực (như PA, Nylon…). Độ hấp thụ nước thấp đối với nhựa không có nhóm phân cực (như PE, …). Phương pháp để xác định độ hấp thụ nước của nhựa là: sấy khô mẫu nhựa rồi cân trọng lượng, sau đó ngâm mẫu nhựa vào nước 24h rồi lấy ra cân. Sự gia tăng trọng lượng chính là lượng nước hấp thụ của vật liệu mẫu nhựa đó. Với các đặc điểm riêng biệt của nhiều loại nhựa nên trước khi gia công cần phải hút ẩm để nâng cao chất lượng sản phẩm. - Độ co rút của nhựa: - Độ co rút của nhựa là khoảng % chênh lệch giữa kích thước của sản phẩm sau khi lấy ra khỏi khuôn được ổn định, định hình và kích thước của khuôn. - Độ co rút của nhựa là một vấn đề quan trọng, cần được chú ý trong quá trình thiết kế khuôn nhằm tạo ra các sản phẩm có độ chính xác cao, tránh các sản phẩm khi sản xuất ra không đạt yêu cầu. - Độ co rút của nhựa kết tinh và nhựa vô định hình rất khác nhau. Độ co rút của nhựa kết tinh lớn hơn nhiều lần so với độ co rút của nhựa vô định hình. - Phương pháp làm giảm độ co rút của nhựa là cần thêm chất dẻo gia cường sợi thủy tinh (composite) - Độ chịu lạnh của nhựa: Khi tính tóan và thiết kế các sản phẩm làm lạnh như: các tủ đá công nghiệp, các loại tủ lạnh… thì một chú ý hết sức quan trọng là sử dụng chế tạo sản phẩm nhựa thích hợp vì nhựa là loại vật liệu chịu lạnh rất kém. * Tính các điện, tính các nhiệt của nhựa: - Tính cách điện: Trần Thị Bích Đào 13 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học Nhựa là vật liệu dẫn điện kém hoặc hầu như không dẫn điện. Vì vậy người ta thường dùng sản phẩm nhựa làm vật cách điện. - Tính cách nhiệt: Độ truyền nhiệt của nhựa cũng rất kém, so với kim loại thì kém hơn 500 ÷ 600 lần. Do đó người ta ít sử dụng nhựa để chế tạo các chi tiết máy vì ở chi tiết máy cần sự tản nhiệt nhanh. bTính chất hóa học cơ bản của nhựa: Để sản xuất ra các sản phẩm bằng nhựa mang tính công nghệ và kinh tế cao. Người ta thường ít dùng riêng các loại nhựa nguyên chất mà cần pha trộn nhiều loại chất khác vào. Do đó, khi nói về tính chất hóa học của nhựa thì ta thường quan tâm đến hai tính chất cơ bản là tính ảnh hưởng của nhựa với các hóa chất và tính ảnh hưởng của thời tiết khí hậu: * Tính ảnh hưởng của nhựa đối với các loại hóa chất: Đa số các loại nhựa thường rất bền khi chịu tác động của môi trường khí quyển và các loại hóa chất như axit, kiềm, các chất hóa học khác. Vậy nên để hòan thiện các tính chất của nhựa làm chúng trở nên hữu ích hơn người ta thuờng thêm vào lúc sản xuất nhựa các chất phụ gia như: Chất độn: ngòai cải thiện một số tính chất cơ lý của nhựa thì chúng còn làm giảm giá thành sản phẩm vì các chất độn rất rẻ như bột gỗ, đất sét, … - Hóa chất chất: cải thiện độ mềm dẻo và giảm độ cứng của nhựa bằng cách thêm vào các hóa chất dẻo. Đồng thời làm tăng khoảng cách giữa các mạch để giảm lực liên kết giữa chúng. Các hóa chất dẻo thường dùng là các este: phtalat, adipat, sebacat… - Chất ổn định: dưới tác dụng của ánh sáng, đặc biệt là tia tử ngoại và oxy, vật liệu nhựa bị hỏng nhanh chóng vì chúng gây đứt liên kết đồng hóa trị tạo nên một số mạch lưới và ôxy hóa nhiệt. Các chất như muội than và 1 số chất hữu cơ khác làm giảm được các tác nhân trên. Trần Thị Bích Đào 14 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học - Chất tạo màu: Các sản phẩm nhựa có màu sắc rất phong phú là nhờ vào chất tạo màu TiO2, ZnO,CdS,… - Chất chống cháy: nhựa là loại vật liệu dễ cháy nên phải đưa các chất chống cháy vào các sản phẩm. * Tính ảnh hưởng của thời tiết, khí hậu: Dưới tác dụng của anh sáng (đặc biệt là tia cực tím), oxy, ozon, nhiệt độ, … vật liệu nhựa bị ảnh hưởng rất lớn. Người ta gọi là sự lão hóa của nhựa. - PVC, Polyeste: dễ biến màu dưới ánh sáng mặt trời. - PE: sử dụng rất bền nếu không có ánh sáng (sau hàng chục năm), nếu vật liệu nhựa PE tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời thì chỉ bền trong khoảng 1 năm. Trần Thị Bích Đào 15 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội CHƯƠNG II I. Bộ môn máy và ma sát học NHỰA NHIỆT DẺO Các khái niệm về đặc tính chung của nhựa nhiệt dẻo: 1. Các khái niệm nhựa nhiệt dẻo: Nhựa nhiệt dẻo: là loại vật liệu Polyme có khả năng lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình chảy mềm dưới tác dụng của nhiệt và trở nên cứng rắn (định hình) khi được làm nguội. Hay nói các khác ở loại vật liệu này, dưới tác dụng của lực tại một nhiệt độ nhất định, các phân tử có thể trượt lên nhau có nghĩa là phân tử có đủ năng lượng để thắng lực tương tác giữa các phân tử. Như vậy trong quá trình tác động của nhiệt thì nhựa nhiệt dẻo chi thay đổi tính chất vật lý chứ không có phản ứng hóa học xảy ra. Chính đặc tính trên mà nhựa nhiệt dẻo có khả năng tái sinh nhiều lần. Những sản phẩm phế phẩm có thể làm vật liệu để sản xuất ra các sản phẩm mới khác. 2. Đặc tính chung của nhựa nhiệt dẻo: - Nhiệt độ là yếu tố hết sức quan trọng ảnh hưởng đến một số tính chất của vật liệu. Nó gây ra các biến dạng, mềm dẻo, rạn nứt, phân hủy, lão hóa, biến màu. Khi giảm nhiệt độ thì theo cớ chế phá hủy giòn sẽ xẩy ra, tăng mức độ biến dạng, bề mặt có khía nhọn, tăng chiều dày mẫu. - Khi gia công chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo cần lưu ý đến đặc tính chỉ số chảy của nhựa. Chỉ số chảy càng lớn thể hiện tính lưu động của vật liệu càng cao và càng dễ gia công. Chỉ số chảy vật liệu càng thấp thể hiện tính lưu động của vật liệu kém và khó gia công. - Nhựa nhiệt dẻo được gia công ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thủy tinh hóa và áp lực phải duy trì đến khi làm nguội sản phẩm vẫn đảm bảo toàn hình dáng. Hiện nay thường có xu hướng dùng nhựa nhiệt dẻo vì kinh tế, có thể tái sinh. Trần Thị Bích Đào 16 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội II. Bộ môn máy và ma sát học Một số loại nhiệt dẻo thông dụng: 1. Nhựa polyetylen: Ký hiệu khoa học là PE và gồm 2 loại: - PE mềm. - PE cứng. b. Kết cấu hóa học: c.Đặc tính cơ bản: * Polyetylen cứng (High Density PE): - Ký hiệu khoa học: HDPE. - Đặc tính: HDPE được tổng hợp từ Etylen ở áp suất thấp 8 – 40 kg/cm 2 và nhiệt độ trung bình 80oC. HDPE có phần tử lượng cao trung bình: 80.000 – 3.000.000. Phân tử lượng càng lớn thì độ bền ứng suất càng lớn (kéo đứt, dãn dài, va đập ... tăng). Độ bền kéo 22 – 30 N/mm 2 (có loại tốt cường độ kéo đứt đạt tới 60N/mm2). Độ dãn dài 200 – 400%. Nhiệt độ giòn (-80oC) – (-120oC). Độ bền uốn 17 N/mm2. Độ cứng Brinel 0,4 – 0,5 N/mm2. Chỉ số chảy MI: 0,1 – 20g/10phút. Tính bám dính kèm. Độ kết tinh 85 – 95% nên sản phẩm đục mờ. Tỷ trọng thấp 0,95 – 0,96 (nhẹ hơn nước) Điểm hóa mềm thấp (120oC) nên dễ gia công. Trần Thị Bích Đào 17 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học HDPE có mức hấp thụ nước <0,01%/24giờ nên không hút ẩm; dễ cháy, cách nhiệt, cách điện tốt. HDPE cháy với ngọn lửa màu xanh, khói trắng, chảy thành dòng nóng, không mùi, không vị, không độc. Chịu hóa chất tốt, không bền vững với axit Crômic và các hợp chất có nitơ. Dưới tác dụng của Oxy trong không khí, PE dễ bị lão hóa. - Ứng dụng HDPE vào sản xuất: Sản phẩm HDPE được ứng dụng rộng rãi vào cuộc sống. + Sản xuất các loại ống dẫn nước, dẫn chất lỏng hóa chất, ống xốp cách nhiệt, ... với chỉ số chảy là 0,01 – 5,5g/10phút. + Sản xuất các loại sản phẩm gia dụng, thùng chưa các loại, giá kê hàng, phụ tùng cho công nghiệp... với chỉ số chảy 2 – 18g/10phút. + Sản xuất loại màng (Film), túi xốp, túi đựng hóa chất, thực phẩm ... với chỉ số chảy thấp 0,5 – 0,35g/10phút. + Sản xuất sợi dệt, sợi đơn làm bao dệt, bao che phủ... chỉ số chảy thường dùng: 0,8 – 1,0g/10phút. + Sản phẩm thổi các loại thùng thứa, chai, lọ ... chỉ số chảy thường dùng: 0,05 – 0,3g/10phút. + Sản xuất các sản phẩm dạng tấm cho những nhu cầu đặc biệt...với chỉ số chảy từ 0,1 – 0,2g/10phút. * Polyetylen mềm (Low Density PE) - Ký hiệu hóa học: LDPE Polyetylen mềm có nhiều đặc tính và ứng dụng giống với polyetylen cứng. Tuy nhiên Polyetylen mềm có những điểm khác với Polyetyeln cứng. - Cấu trúc hóa học: Cấu trúc mạch dài, có chưa nhiều mạch nhánh ngắn và cũng có mạch nhánh dài làm hạn chế sự phân bố đều đặn của phân tử. Cấu trúc này làm cho LDPE có tỷ trọng và độ kết tinh thấp hơn HDPE. Đặc tính: Trần Thị Bích Đào 18 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học Phân tử lượng trung bình từ 80.000 – 500.000. Độ bền kéo đứt, dãn dài, va đập theo lượng phân tử. Độ bền kéo 11 – 15 N/mm2. Độ dãn dài: 400 – 600%. Nhiệt độ giòn: (-80oC) – (-120oC). Độ bền uốn 6N/mm2. Đố cứng Brinel: 0,18 – 1,25 N/mm2. Chỉ số chảy MI: 0,1 – 60g/10phút. Tính bám dính kém. Độ kết tinh 60 – 70% nên sản phẩm trong hơn HDPE. Tỷ trọng thấp: 0,92 – 0,93 (nổi trong nước) Điểm hóa mềm thấp (90oC) dễ gia công. LDPE có mức hấp thụ nước 0,02%/24h, không hút ẩm, dễ cháy. LDPE cháy với ngọn lửa màu xanh, khói trắng chảy thành dòng nóng, không mùi, không vị, không độc. Chịu hóa chất tốt. Nhưng không bền vững với axit Cromic và các hợp chất có nitơ. Dưới tác dụng của tia cực tím và oxy trong không khí LDPE bị lão hóa. - Ứng dụng LDPE vào sản xuất; - Nhựa sản xuất ra dưới dạng hạt và bột tùy theo yêu cầu. + Sản xuất các sản phẩm gia dụng, các sản phẩm thổi như chai lọ, màng co ... với chỉ số chảy thường dùng là 0,8 – 1g/10phút. + Sản xuất các loại ống mềm. + Sản xuất các loại sợi đơn với các loại dây thường (kết hợp với HDPE) dùng để phủ và cán tráng lên các loại màng mỏng khác, lên giấy Craft. Chỉ số chảy thường dùng 4 – 25g/10phút. 2. Nhựa Polypropylen: Ký hiệu hóa học: PP. a.Kết cấu hóa học: Trần Thị Bích Đào 19 Lớp 03CT – 03M Khoa Cơ Khí Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bộ môn máy và ma sát học b.Các tính chất của PP: + Có trọng lượng phân tử: 80.000 – 200.000. + Tỷ trọng thấp: 0,9 – 0,92g/cm3.S + PP là loại nhựa có độ kết tinh 70% không màu bán trong. Nhưng trong quá trình gia công có thể tạo ra nhiều pha vô định hình làm sản phẩm rất trong (như màng BOPP). + PP có tính chất hóa học tốt, tính chất cơ học cao trong một số trường hợp có thể thay các loại vật liệu khác như ABS, HIPS, PVC và PS trong một số công dụng thích hợp. + Độ bền kéo 25 – 40N/mm2. + Độ dãn dài 300 – 800% (cao hơn PE). + Nhiệt độ giòn gãy thấp hơn PE: (-5oC) – (-15oC). + Chỉ số chảy khoảng: 260g/10phút. + Độ cứng Brinel: 0,6 – 0,65 N/mm2. + Độ bóng cao, tính bám dính kém, không mùi, không vị, không độc, dễ cháy. + Tính gia công ép phun tốt. Trần Thị Bích Đào 20 Lớp 03CT – 03M