59

Các trạng thái vật lý của polymer

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Các trạng thái vật lý của polymer
Page 2: Các trạng thái vật lý của polymer

CÁC TRẠNG THÁI VẬT LÝ CỦA POLYMER

Page 3: Các trạng thái vật lý của polymer

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA DẦU KHÍ

BỘ MÔN LỌC HÓA DẦU

CÁC TRẠNG THÁI VẬT LÝ CỦA POLYMER

1.Kim Thanh Hà 2.Trần Thủy Giang 3. Nguyễn Quốc Cường 4. Nguyễn Minh Giang 5. Nguyễn Ngọc Cương

Nhóm sinh viên thực hiện

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS.BÙI THỊ LỆ THỦY

Page 4: Các trạng thái vật lý của polymer

NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ LÝ ĐẶC BIỆT CỦA POLYME

Những trạng thái vật lý của polyme sẽ giúp ta hiểu rõ hơn về polyme

Ý nghĩa

Page 5: Các trạng thái vật lý của polymer

Nội dung

1

2

SỰ BIẾN DẠNG CỦA POLYME

CÁC TRẠNG THÁI VẬT LÝ

Page 6: Các trạng thái vật lý của polymer

1 SỰ BIẾN DẠNG CỦA POLYME

1# CÁC KHÁI NIỆM MỞ

ĐẦU

2# MỘT SỐ BIẾN

DẠNG CỦA POLYME

Page 7: Các trạng thái vật lý của polymer

1 SỰ BIẾN DẠNG CỦA POLYME

1# CÁC KHÁI NIỆM MỞ

ĐẦU

2# MỘT SỐ BIẾN

DẠNG CỦA POLYME

Page 8: Các trạng thái vật lý của polymer

1 1# ĐỘ BIẾN DẠNG

Là khả năng của vật thể chống lại biến dạng và phục hồi hình dạng ban đầu khi tác dụng

lực bên ngoài .

Phân loại

ĐÀN HỒI Hình dạng được

phục hồi hoàn toàn.

ĐÀN HỒI DẺO * chỉ phục hồi một

phần .

*Đàn hồi dẻo hay còn gọi là đàn hồi nhớt

Page 9: Các trạng thái vật lý của polymer

1

2# SỰ BIẾN DẠNG

BIẾN DẠNG THUẬN NGHỊCH Phân tử biến dang sẽ phục hồi lại hình dạng ban đầu

khi ngừng tác dụng lực bên ngoài . #biến dạng đàn hồi

BIẾN DẠNG KHÔNG THUẬN NGHỊCH

Phân tử giữ nguyên được hình dạng biến dạng sau khi ngừng tác dung lực bên ngoài.

# chất dẻo

Page 10: Các trạng thái vật lý của polymer

3# CHẤT ĐÀN HỒI

Chất kết tinh Thay đổi hình dạng và biến dạng thuận nghịch không lớn. Độ đàn hồi của tinh thể mang bản chất năng lượng.

Và khi biến dạng thì chất có cấu trúc vô định hình. Cao su Vật thể chỉ cần một lực nhỏ bên ngoài tác dụng có khả năng biến dạng vài trăm phần trăm.

#nhựa

Mô đun đàn hồi : Đặc trưng cho độ đàn hồi

𝝈 = 𝑭

𝑨

F : là lực tác dụng lên vật thể A: Tiết diện của mẫu .

1

Page 11: Các trạng thái vật lý của polymer

4# ỨNG SUẤT

E : Gọi là mô đun đàn hồi 𝜺 : Biến dạng tương đối.

Vật liệu có bản chất năng lượng thì có mô đun đàn hồi lớn. Vật liệu có bản chất động học thì có mô đun nhỏ .

Sự khác nhau giữa hai bản chất là phụ thuộc vào nhiệt độ và hiêu ứng nhiệt khi biến dạng

1

Page 12: Các trạng thái vật lý của polymer

1 SỰ BIẾN DẠNG CỦA POLYME

1# CÁC KHÁI NIỆM MỞ

ĐẦU

2# MỘT SỐ BIẾN

DẠNG CỦA POLYME

1

Page 13: Các trạng thái vật lý của polymer

1

MỘT SỐ BIẾN DẠNG CỦA POLYME

2

3

4

Sự biến dạng dẻo và chảy nhớt

Biến dạng đàn hồi cao

Hiện tượng phục hồi

Hiện tượng trễ

Page 14: Các trạng thái vật lý của polymer

1 SỰ BIẾN DẠNG DẺO VÀ CHẢY NHỚT

Định nghĩa là trường hợp đặc biệt của sự biến dạng dư , tăng liên tục

khi tác dụng một ứng suất tiếp tuyến không thay đổi ở polymer.

Đặc điểm Tính chất của vật thể rắn và lỏng. Độ nhớt của dung dịch rất cao Khả năng polyme trương lên trong khi hòa tan Khả năng thể hiện rất mạnh tính bất đẳng hướng

Page 15: Các trạng thái vật lý của polymer

Mô hình thể hiện tính dẻo của chuỗi polymer

Page 16: Các trạng thái vật lý của polymer

1

1

MỘT SỐ BIẾN DẠNG CỦA POLYME

2

3

4

Sự biến dạng dẻo và chảy nhớt

Biến dạng đàn hồi cao

Hiện tượng phục hồi

Hiện tượng trễ

Page 17: Các trạng thái vật lý của polymer

1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI CAO

Định nghĩa là sự duỗi thẳng của các mạch dài gấp khi có lực ngoài và

trở về trạng thái khi cất lực

Điều kiện xuất hiện Phân tử chuỗi polymer cần có độ uốn dẻo đủ lớn Tốc độ thay đổi cấu dạng cần phải cao

1

Page 18: Các trạng thái vật lý của polymer

1 1

1

MỘT SỐ BIẾN DẠNG CỦA POLYME

2

3

4

Sự biến dạng dẻo và chảy nhớt

Biến dạng đàn hồi cao

Hiện tượng phục hồi

Hiện tượng trễ

Page 19: Các trạng thái vật lý của polymer

HIỆN TƯỢNG PHỤC HỒI

Định nghĩa Quá trình chuyển từ trạng thái không cân bằng sang trạng thái cân bằng theo thời gian

Hiện tượng phục hồi

Thay đổi chớp nhoáng các góc hóa trị và khoảng cách giữa các nguyên tố Với lực và mô-đun đàn hồi lớn .

Sự duỗi thẳng của các phân tử gấp khúc

Page 20: Các trạng thái vật lý của polymer

Đặc điểm

Phụ thuộc vào ứng suất lực đặt ,vào thời gian tác dụng của lực. Sự hồi phục này gọi là sự hồi phục biến dạng

Page 21: Các trạng thái vật lý của polymer

1 1

1

MỘT SỐ BIẾN DẠNG CỦA POLYME

2

3

4

Sự biến dạng dẻo và chảy nhớt

Biến dạng đàn hồi cao

Hiện tượng phục hồi

Hiện tượng trễ

Page 22: Các trạng thái vật lý của polymer

HIỆN TƯỢNG TRỄ

Định nghĩa Nguồn gốc từ hiện tượng hồi phục đàn hồi cao khi có lực

tác dụng và khi cất lực tác dụng lên mẫu.

Bản chất của hiện tượng

Sự lệch nhau về độ biến dạng thuận và nghịch là do sự biến dạng phát triển chậm hơn là sự thay đổi ứng suất.

Page 23: Các trạng thái vật lý của polymer

Hai đường biến dạng này không trùng nhau tạo nên vòng trễ.

Độ lớn vòng trễ là sự khác nhau của hai diện tích OMC và CMD :

S = 𝝈₁𝒅𝜺𝜺₂

𝟎 + 𝝈₂𝒅𝜺

𝜺₁

𝜺

σ₁ là ứng suất khi tăng σ₂ là ứng suất khi giảm

𝛆

𝛔

𝜺2

𝜺1

Page 24: Các trạng thái vật lý của polymer

Nội dung

1

2

SỰ BIẾN DẠNG CỦA POLYME

CÁC TRẠNG THÁI VẬT LÝ

Page 25: Các trạng thái vật lý của polymer

CÁC TRẠNG THÁI VẬT LÝ

1# TRẠNG THÁI TỔ HỢP VÀ TRẠNG THÁI PHA

2# TRẠNG THÁI THỦY TINH HÓA

3# TRẠNG THÁI ĐÀN HỒI CAO

4# TRẠNG THÁI CHẢY NHỚT

5# TRẠNG THÁI KẾT TINH

Page 26: Các trạng thái vật lý của polymer

CÁC TRẠNG THÁI VẬT LÝ

1# TRẠNG THÁI TỔ HỢP VÀ TRẠNG THÁI PHA

2# TRẠNG THÁI THỦY TINH HÓA

3# TRẠNG THÁI ĐÀN HỒI CAO

4# TRẠNG THÁI CHẢY NHỚT

5# TRẠNG THÁI KẾT TINH

Page 27: Các trạng thái vật lý của polymer

TRẠNG THÁI TỔ HỢP

Trạng thái khí Dao động, tiệm tiến và quay, mật độ tổ hợp nhỏ

Trạng thái rắn Mật độ tổ hợp cao, khoảng cách giữa các phân tử nhỏ, không có sự chuyển động tiệm tiến và quay.

Trạng thái lỏng Có tính chất chuyển động như thể khí và mật độ tổ hợp như thể rắn

*khác nhau về tính chất chuyển động và mật độ tổ hợp

Page 28: Các trạng thái vật lý của polymer

TRẠNG THÁI TỔ HỢP

Trạng thái khí Dao động, tiệm tiến và quay, mật độ tổ hợp nhỏ

Trạng thái rắn Mật độ tổ hợp cao, khoảng cách giữa các phân tử nhỏ, không có sự chuyển động tiệm tiến và quay.

Trạng thái lỏng Có tính chất chuyển động như thể khí và mật độ tổ hợp như thể rắn

*khác nhau về tính chất chuyển động và mật độ tổ hợp

Page 29: Các trạng thái vật lý của polymer

TRẠNG THÁI PHA

Định nghĩa Là hệ khác nhau về bề mặt phân chia, về những tính chất nhiệt động học.Pha có thể dễ tách ra khỏi nhau.

Phân loại Pha tinh thể: đặc trưng bằng bậc xa ba chiều của sự phân

bố các nguyên tử hay phân tử. Pha lỏng : không có mạng lưới tinh thể, có mật độ tổ hợp

giống như là ở pha tinh thể. #pha vô định hình

Pha khí : chuyển động hoàn toàn hỗn độn của các phân tử, nghĩa là không có bậc nào cả.

Page 30: Các trạng thái vật lý của polymer

TRẠNG THÁI PHA &TRẠNG THÁI TỔ HỢP

GIỐNG NHAU Trạng thái khí và pha khí

cùng nhau. Trạng thái rắn tương ứng

với hai pha: tinh thể và vô định hình.

Pha lỏng gồm hai trạng thái tổ hợp: rắn* và lỏng*.

KHÁC NHAU Trạng thái tổ hợp :năng

lượng tương tác và chuyển động nhiệt.

Pha : tính chất nhiệt động học, như năng lượng tự do, tỷ khối…

rắn *ở dạng thủy tinh lỏng *ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy.

Page 31: Các trạng thái vật lý của polymer

SỰ CHUYỂN PHA

Định nghĩa : Sự chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác có liên quan đến những thay đổi về hình thái sắp xếp của các

phân tử và thay đổi tính chất nhiệt động học

Phân loại

Page 32: Các trạng thái vật lý của polymer

Chuyển pha loại 1: Thay đổi nhảy vọt tính chất nhiệt động học , đặc trưng là thay đổi entanpy của hệ. những chuyển pha loại này như là : nóng chảy, kết tinh, ngưng tụ, bay hơi . Chuyển pha loại 2: Không có sự thay đổi nhảy vọt mà thay đổi từ từ các tính chất nhiệt động. không có ẩn nhiệt của sự chuyển pha.

Page 33: Các trạng thái vật lý của polymer

ĐƯỜNG CONG CƠ NHIỆT

Định nghĩa: Sự phụ thuộc độ biến dạng vào nhiệt độ được xác định trên máy Koncistometer.

Ba vùng biến dang đặc trưng cho ba trạng thái vật lý khác nhau

Page 34: Các trạng thái vật lý của polymer

Vùng I : Thủy tinh Sự biến dạng rất nhỏ với độ lớn tỷ lệ vào nhiêt độ ở giá trị ứng suất không lớn, polymer như là vật rắn chủ yếu tuân theo định luật Hook.

Vùng II :Đàn hồi cao Có sự biến dạng thuận nghịch. Ít thay đổi với nhiệt độ và có modun đàn hồi không lớn. Biến dạng có kèm theo biến dạng chảy tăng theo nhiệt độ.

Vùng III : Chảy nhớt Nhiệt độ tăng làm tăng sự biến dạng không thuận nghịch Nhiệt độ chuyển từ trạng thái đàn hồi cao sang chảy nhớt là nhiệt độ trung bình

Page 35: Các trạng thái vật lý của polymer

Phụ thuộc vào cấu trúc của polyme, khối lượng phân tử, nhiệt độ…

Trong kỹ thuật, phương pháp cơ nhiệt có thể dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của các chất phụ gia khi đóng rắn polyme.

Page 36: Các trạng thái vật lý của polymer

CÁC TRẠNG THÁI VẬT LÝ

1# TRẠNG THÁI TỔ HỢP VÀ TRẠNG THÁI PHA

2# TRẠNG THÁI THỦY TINH HÓA

3# TRẠNG THÁI ĐÀN HỒI CAO

4# TRẠNG THÁI CHẢY NHỚT

5# TRẠNG THÁI KẾT TINH

Page 37: Các trạng thái vật lý của polymer

1.Đặc tính của polyme thủy tinh hóa

2.Sự biến dạng đàn hồi bắt buộc

Page 38: Các trạng thái vật lý của polymer

Khả năng thủy tinh hóa Tỉ lệ năng lượng tương tác nội và giữa các phần tử với năng lượng

chuyển động nhiệt của các mắt xích polyme.

Đặc điểm 1.Khi làm lạnh một chất nóng chảy có thể tìm thấy tinh thể hay thủy tinh.

2.Sự chuyển chất lỏng thành thủy tinh không phải là sự chuyển pha.

3. Vật thể thủy tinh khác với thể lỏng : Độ linh động và trạng thái năng lượng.

Tính chất 1.Liên quan chặt chẽ với độ uốn dẻo 2.Khác polyme thủy tinh thường là khả năng biến dạng giảm, tinh giòn và đàn hồi tăng .

Page 39: Các trạng thái vật lý của polymer

1.Đặc tính của polyme thủy tinh hóa

2.Sự biến dạng đàn hồi bắt buộc

Page 40: Các trạng thái vật lý của polymer

Định nghĩa “Sự biến dạng lớn được phát triển trong trong

polyme thủy tinh khi có ứng suất lớn”. Chỉ xuất hiện dưới ảnh hưởng của ứng suất lớn. Có tính chất thuận nghịch.

Page 41: Các trạng thái vật lý của polymer

Ứng suất tới hạn σth là ứng suất đạt được độ lớn của năng lượng hoạt hóa hay là ứng suất mà tốc độ biến dạng bằng

tốc độ phục hồi.

Page 42: Các trạng thái vật lý của polymer

Nhiệt độ giòn Td :nhiệt độ mà polyme thủy tinh mất đi khả năng biến dạng lớn và bị phá hủy ngay khi có biến dạng nhỏ.

Các yếu tố phụ thuộc 1.Cấu trúc polyme. 2.Độ phân cực : Không phân cực :Ttt thấp. Phân cực mạnh :Ttt cao

Page 43: Các trạng thái vật lý của polymer

CÁC TRẠNG THÁI VẬT LÝ

1# TRẠNG THÁI TỔ HỢP VÀ TRẠNG THÁI PHA

2# TRẠNG THÁI THỦY TINH HÓA

3# TRẠNG THÁI ĐÀN HỒI CAO

4# TRẠNG THÁI CHẢY NHỚT

5# TRẠNG THÁI KẾT TINH

Page 44: Các trạng thái vật lý của polymer

Đặc trưng cho polyme có độ uốn dẻo cao của phân tử. Được xem là lỏng đối với các mắt xích và là thủy tinh đối với toàn

phân tử. Trạng thái đàn hồi cao là trạng thái không cân bằng.

Page 45: Các trạng thái vật lý của polymer

Điều kiện xuất hiện 1# Độ uốn dẻo phân tử polyme đủ lớn.

2# Tốc độ thay đổi hinh dạng của polyme.

Yếu tố ảnh hưởng Sự thay đổi cấu dạng : dao động hỗn độn ở dạng

liên kết hóa học và chuyển chỗ của các đồng phân quay .

Thành phần hóa học và cấu trúc phân tử. Bản chất lực tương tác, bản chất phân bố trật tự

các phân tử và nhiệt độ.

Page 46: Các trạng thái vật lý của polymer

Sự phụ thuộc độ biến dạng đàn hồi cao vào nhiệt độ khác nhau ( t1>t2>t3 )

Page 47: Các trạng thái vật lý của polymer
Page 48: Các trạng thái vật lý của polymer

*Xác định bởi sự thay đổi nội năng và entropi đối với sự biến dạng.

*năng lượng tự do

BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI CAO & BIẾN DẠNG THƯỜNG

Nếu biến dạng chậm xác định chủ yếu bằng thành phần

entropi.

Nếu biến dạng nhanh bằng

thành phần nội năng.

Page 49: Các trạng thái vật lý của polymer

CÁC TRẠNG THÁI VẬT LÝ

1# TRẠNG THÁI TỔ HỢP VÀ TRẠNG THÁI PHA

2# TRẠNG THÁI THỦY TINH HÓA

3# TRẠNG THÁI ĐÀN HỒI CAO

4# TRẠNG THÁI CHẢY NHỚT

5# TRẠNG THÁI KẾT TINH

Page 50: Các trạng thái vật lý của polymer

Định nghĩa Là sự chuyển chỗ không thuận nghịch của các phân tử đối với nhau khi có tác dụng của lực ngoài và trong chất hình

thành lực ma sát nội chống lại sự chuyển chỗ của các phân tử.

Tính chất Sự biến dạng là không thuận nghịch. Tính chảy của polyme càng cao, mức độ trùng hợp càng

thấp, nhiệt độ càng cao và lượng chất thấp phân tử càng lớn.

Page 51: Các trạng thái vật lý của polymer

Sự chuyển chỗ mạch polyme dựa trên năng lượng hoạt hóa . Nhiệt hoạt hóa tính theo sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số độ

nhớt:

lgŋ = lgA + ∆𝐇𝐜𝐧

𝟐,𝟑𝟎𝟑.𝐑𝐓 ˗

∆𝐒𝐜𝐧

𝟐,𝟑𝟎𝟑.𝐑

CƠ CHẾ

Page 52: Các trạng thái vật lý của polymer

Đặc điểm của sự chảy Là chuyển chỗ liên tục Các mắc xích của mạch hay của những phần của mạch . Chứng tỏ nhiệt hoạt hóa không phụ thuộc vào chiều dài của mạch.

Luôn kèm theo biến dạng đàn hồi cao Do duỗi thăng hay gấp khúc mạch.

Phụ thuộc vào độ nhớt Độ nhớt lại phụ thuộc nhiều vào chiều dài mạch. Xảy ra với mạch uốn dẻo Có cấu dạng khác nhau ,mạch cứng xảy ra khó khăn. Nhiệt độ chảy nhớt Phụ thuộc vào chế độ biến dạng và khối lượng phân tử.

Page 53: Các trạng thái vật lý của polymer

CÁC TRẠNG THÁI VẬT LÝ

1# TRẠNG THÁI TỔ HỢP VÀ TRẠNG THÁI PHA

2# TRẠNG THÁI THỦY TINH HÓA

3# TRẠNG THÁI ĐÀN HỒI CAO

4# TRẠNG THÁI CHẢY NHỚT

5# TRẠNG THÁI KẾT TINH

Page 54: Các trạng thái vật lý của polymer

Cơ chế quá trình kết tinh Là quá trình hình thành phôi (hay mầm) của pha kết tinh trong pha vô định hình và sự lớn dần của các phôi đó.

Quá trình kết tinh là sự chuyển pha.

Tốc độ kết tinh Là lượng chất kết tinh trong một đơn vị thời gian.

Phụ thuộc vào: 1. Tốc độ tạo thành trung tâm hay phôi kết tinh . 2.Tốc độ lớn của chúng.

Note: Sự kết tinh thường không bắt đầu ở nhiệt độ nóng chảy mà thấp hơn.

Page 55: Các trạng thái vật lý của polymer

Sự kết tinh là sự chuyển từ bậc gần tới bậc xa của các mạch và các mắc xích, nghĩa là sự chuyển pha.Khác với thủy tinh

hóa.

Page 56: Các trạng thái vật lý của polymer

YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG KẾT TINH

1 Có cấu trúc mạch điều hòa lớn có khả năng kết tinh Cấu trúc mạch không điều hòa không có khả năng kết tinh.

2

Nhóm phân cực trong phân tử, sự định hướng dễ thì sự kết tinh càng dễ dàng. Tương tác phân tử càng lớn, độ nhớt của hệ càng lớn tốc độ kết tinh lại giảm.

3 Chuyển động nhiệt của các mắt xích hay độ uốn dẻo mạch. Lực hút các phẩn tử và sự chuyển động nhiệt của phân tử.

Page 57: Các trạng thái vật lý của polymer

CÁC TRẠNG THÁI VẬT LÝ

1# TRẠNG THÁI TỔ HỢP VÀ TRẠNG THÁI PHA

2# TRẠNG THÁI THỦY TINH HÓA

3# TRẠNG THÁI ĐÀN HỒI CAO

4# TRẠNG THÁI CHẢY NHỚT

5# TRẠNG THÁI KẾT TINH

Page 58: Các trạng thái vật lý của polymer
Page 59: Các trạng thái vật lý của polymer

HẾT RỒI

Cảm ơn cô và các bạn đã lắng nghe và theo dõi.