Vật liệu học - Chương 4: Cấu trúc vật liệu hữu cơ (Polyme)

VẬT LIỆU HỌCTS. Hà Văn Hồng *Tháng 02.2006Chương 4Cấu trúc vật liệu hữu cơ (Polyme)4.1.Khái niệm chung4.2.Cấu trúc và liên kết trong vật liệu polymeTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* 4.1.Khái niệm chung4.1.1.Hợp chất cao phân tử4.1.2.Các chất phụ giaTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*4.1.1.Hợp chất cao phân tử Định nghĩaTiếng Hylạp : mer : me - hợp phần Poly : nhiều  Polyme : nhiều me Monome : một me Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Ví dụ : Polyetylen (PE) H H - C – C- H Hme H H C – C- H H H H C – C- H H H H C – C- H H H H C – C- H H H H - C – C- H HPolyvinyl clorit (PVC) Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* H H - C – C- H ClPolypropylen (PP) Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* H H - C – C- H CH3Định nghĩa: Polyme là một hợp chất gồm các phân tử được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một nhóm nguyên tử (monome) liên kết với nhau với số lượng khá lớnTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Phân loại Theo nguồn gốc : -Polyme thiên nhiên -Polyme tổng hợp Theo cấu trúc : Mạch thẳng, mạch nhánh, mạng lưới, không gianTheo tính chịu nhiệt -Polyme nhiệt dẻo -Polyme nhiệt rắnTheo lĩnh vực ứng dụng Chất dẻo, sợi, cao su, sơn và keoTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Polyme tự nhiênSợi cellulose có trong bông, sợi gai, gỗ  Làm quần áoSợi cellulose có trong động vật (da động vật, tơ tằm)  Làm giày, áo quần Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Polyme nhân tạo (polyme tổng hơp)Trùng hợp : Phản ứng tạo polyme từ monome ban đầu qua nhiều lần kết hợp theo cơ chế p/u dây chuyền và không tạo thành sản phẩm phụ đơn phân tử nào n(CH2=CH2) → -(CH2-CH2)n- → Etylen Polyetylen Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* H H - C – C - H H n Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* - N -(CH2)6 - N- H H O O C - (CH2)4 - C - + nH2O n Trùng ngưng :kêt hợp 2 nhóm chức+Tách ra chất thấp phân tử. Điamin hexametylen & Axit adip→Nylon 6.6 H H N -(CH2)6 - N- + H H O OOH- C - (CH2)4 - C -OH 4.1.2.Các chất phụ giaVật liệu = Hạt nhựa + Chất phụ gia + Chất gia cườngTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Hạt nhựa Chất độn -Mục đích :Giá thành -Mùn cưa, đất sét, bột nhẹKích thước ~ 10nmChất hóa dẻo -Mục đích : Xen kẽ giữa các mạch  Khoảng cách  Lực liện kết  Tính dẻo -Các este: phtalat, adipat, sebacatTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Chất ổn định -Làm chậm quá trình phân hủy (lão hóa) -Muội thanChất tạo màu -Tạo màu sắc -Thuốc nhuộm -Bột màu vô cơ Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Chất chống cháy -Cơ chế Ức chế p/ư oxy hóa Tạo P/ư thu nhiết Tạo màng trên bề mặt -Các chất : Cl  Polyvinylclorit F  Polytetra fluoroetylenTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Các chất tăng cường -Sợi thủy tinh  Độ bền -Sợi graphit  Độ bền -Sợi polyamit thơm (Kelva)  Độ bền -Mica  Cách điện, bền hóa, bền nhiệt -Amian  Ma sát -Bột graphit  Bôi trơnTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*4.2.Cấu trúc & liên kết trong vật liệu polyme4.2.1.Phân tử hydrocacbon4.2.2.Phân tử polyme4.2.3.Cấu trúc mạch polyme4.2.4.Cấu trúc tinh thể polymeTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*4.2.1.Phân tử hydrocacbonMetan CH4 H-C : góp chung 1e => Liên kết cộng hóa trị (Liên kết đơn)Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*HH-C-HHLiên kết C: 1S +3P → Lai hóa SP3: 4 Liên kết C-H: 4 SP3 + 4 ngtử H  Liên kết Cấu hình:Tứ diện tam giác đềuTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Ethylen C2H4 C-C: góp chung 2 e  Liên kết đôi C-H: góp chung 1 e  Liên kết đơnLiên kết nguyên tử C: 1S +2P→ SP2: 3 P : không lai hóaTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* H H C = C H H Liên kết C-C: 1 SP2 + 1 SP2 → Liên kết  1 P + 1 P → Liên kêt  Liên kết C-H: 2SP2 + 2ng tử H → Lkết Cấu hình:Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Axethylen C2H2 C-C : góp chung 3e  Liên kết ba C-H: góp chung 1 e  Liên kết đơnLiên kết nguyên tử C: 1S +1P → SP: 2 2 P : không lai hóa Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*H-C≡C-H Liên kết C-C: 1SP + 1SP → Liên kết  2 P + 2P → Liên kêt  Liên kết C-H: 1SP + 1ng.tử H →Lkết Cấu hình :Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Nhân xét: -Liên kết nguyên tử : Cộng hóa trị -Liên kết bội (Liên kết 2, 3) :liên kết  : không bền Tác dụng T, chất xúc tác Bẻ liên kết : L.kết 3  L.kết 2  L.kết đơn -Liên kết bội (Liên kết 2, 3) : không no Vì nguyên tử cacbon chưa được liên kết tối đa với 4 nguyên tử khác  Hydrocacbon không no : CnH2nTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Hydrocacbon no: CnH2n+2 Họ parafin CnH2n+2 Cùng kiểu cấu trúc với Metan CH4 ng.tử C → nhóm CH2  Hiện tượng đồng đẳng Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Etan C2H6 H HH-C–C-H H HPropan C3H8 H H HH- C – C - C-H H H HMetan CH4 H H-C-H H Hiện tượng đồng phân: Thành phần giống nhau Sắp xếp ng.tử khác nhau Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* H H H HH- C – C - C- C-H H H H H H H H-C-H HH - C – C - C - H H H Hn-butani-butan4.2.2.Phân tử polyme4.2.2.1.Bản chất hóa học4.2.2.2.Các polyme thường gắp4.2.2.3.Khối lượng phân tử polyme (K.thước)4.2.2.4.Cấu trúc phân tử polyme4.2.2.5.Cấu trúc tinh thể polymeTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*4.2.2.1.Bản chất hóa họcVídụ: Polyethylen Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* H H H H- C – C - C- C- H H H H (C2H4)nNhận xét: -Liên kết nguyên tử : cộng hóa trị -Chuỗi ngtử cacbon liên kết với 2 ngtử cacbon  về 2 phía -Đơn vị cấu trúc (C2H4) : như các mắt xích nối nhau (n=103-106)  Phân tử Polyme Phân tử polyme =  Phân tử hydrocacbon => Cao phân tử Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*4.2.2.2.Các polyme thường gắp Polyethylen (PE) Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* H H - C – C- H HCác Polyme thường gặp: Polyvinyl clorit (PVC) Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* H H - C – C- H ClCác Polyme thường gặp: Polypropylen (PP) Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* H H - C – C- H CH3Các Polyme thường gặp: Polystyren (PS) Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* H H - C – C- H Các Polyme thường gặp: Polymetyn metacrylat (PMMA) Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* H CH3 - C – C- H C-CH3 OCác Polyme thường gặp: Polytetra fluoroetylen (PTFE) Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* F F - C – C- F FCác Polyme thường gặp: Phenol Formalđehyte (Bakelit) Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* OH -CH2- - CH2- CH2 Nylon 6.6 Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* H O H O - N – - C- - N- C - - C - -C- H H 6 H H 4Các Polyme thường gặp:Các Polyme thường gặp: Polyetylen Terephthalate (PET) Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* O O H H - C – - C- O – C – C – O – H H Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* CH3 O - O – - C- – O – C – CH3 Polycacbonat (PC)Các Polyme thường gặp:4.2.2.3.Khối lượng phân tử polyme Khối lượng phân tử  Kh.lượng nhỏ (mạch ngắn) : ~100g/mol Kh.lượng trung bình (mạch trung bình) : ~1.000g/mol  Kh.lượng cao (mạch dài n =103-106) : ~10.000vài triệu g/mol Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*4.2.2.3.Khối lượng phân tử polyme K.lượng phân tử ảnh hưởng đến trạng thái  Kh.lượng nhỏ (mạch ngắn) : Ơ nhiệt độ thường : trạng thái lỏng hoặc khí Kh.lượng trung bình (mạch trung bình) : Ơ nhiệt độ thường : trạng thái sáp hoặc cao su mềm  Kh.lượng cao (mạch dài n =103-106) : Ơ nhiệt độ thường : trạng thái rắn Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Sự phân bố khối lượng phân tử -Khối lượng phân tử “ trung bình số” : Xi-phần mol của các phân tử cùng kích thước i Mi-kh.lượng tr.bình của mốt ph.tử có kích thước i -Khối lượng phân tử “ trung bình trọng lượng” : wi –phần khối lượng các phân tử cùng kích thước i Mi –kh.lượng tr.bình một phân tử có kích thước iTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*500 hòn : 1 kg2 hòn : 250 kgTổng : 1000 kg400 hòn : 1 kg100 hòn : 6 kgTổng : 1000 kgĐống đá AĐống đá BĐống đá AĐống đá B125.5 : 1.99 = 634 : 2 = 2Phân bốRộngHẹpTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Ảnh hưởng của sự phân bố khối lượng phân tử đến tính chất của polyme ? - Đống đá A: phân bố: rộng Các phân tử khối lượng thấp (số lượng nhiều) : trạng thái lỏng Chất bôi trơn các phân tử lớn Vật liệu polyme mềm Dễ bị chảy khi chịu lực - Đống đá B: phân bố: hẹp  Polyme có tính chất tốtTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Ảnh hưởng của sự phân bố khối lượng phân tử đến tính chất của polyme ? : phâh bố lý tưởng : phâh bố hẹp : phâh bố trung bình : phâh bố rộngTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*4.2.2.5.Cấu trúc phân tử polymeTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Mạch thẳng : nối mạch về 2 phía của đơn vị cấu trúc 4.2.2.5.Cấu trúc phân tử polymeTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Mạch nhánh :gắn theo sườn mạch chính, có chiều dài ngắn hơn mạch chính 4.2.2.5.Cấu trúc phân tử polymeTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Mạch không gian :Mạch lưới (mạch không gian 2 chiều) : Các mạch thẳng nối với nhau qua mạch nhánh trong không gian 2 chiềuMạch khối (mạch không gian 3 chiều) : Các mạch thẳng nối với nhau qua mạch nhánh trong không gian 3 chiều 4.2.2.5.Cấu trúc phân tử polymeTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Mạch thẳng (hình a) Mạch nhánh (hình b)Mạch lưới (hình c) Mạch không gian (hình d)4.2.2.5.Cấu trúc phân tử polymePolyme đồng trùng hợp (copolymer) a-ngẫu nhiên b-xen kẽ c-khối d-ghép Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Polyme đồng trùng hợp : dạng khốiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Hình dạng mạch polymeTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*109o109o109oH.aH.bH.cLý thuyết : Liên kết C-C Tứ diện tam giác đều Góc liên kết : 120oThực tế : H.a-Góc liên kết C-C : 109o H.b-Mạch polyme trong mặt phẳng : không H.c-Mạch polyme uốn, lượn trong không gian Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*H.d-Mạch polyme uốn, lượn, gấp, vòng trong không gian, khoảng cách r < tổng chiều dài mạch l 4.2.2.5.Cấu trúc phân tử polymeCấu trúc hình học Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Polyethylene (PE)Polypropylene(PP)4.2.2.5.Cấu trúc phân tử polymeCấu trúc hình học Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Polyvinyl cloride(PVC)Polystyrene (PS)4.2.2.6.Cấu trúc tinh thể polymeCấu trúc tinh thể: Nút mạng : phân tử sắp xếp trật tự & quy luật Ghép (n=103-106 )  Mạch phân tử Mạch tinh thể  Mạng tinh thểTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Mạng tinh thể PETháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Benzen-C6H6Cấu trúc mạch gấp : Các mạch phân tử (n=103-106) gấp đi gấp lại nhiều lần với các mép gấp nằm trên bề mặt→ Tấm mỏng: b=10nm ; l=10mTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Cấu trúc tiểu cầu : Hạt hình cầu tạo bởi các tấm tinh thể mạch gấp (dày ~ 10nm) & tấm vô định hình, hướng từ tâm ra ngòaiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Cấu trúc vật liệu polyme : -Cấu trúc : Tinh thể + Vô định hình -Liên kết : Liên kết nguyên tử : cộng hóa trị Liên kết mạch phân tử : VandervanTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Cấu trúc bóTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Mức độ kết tinh: 0 – 95% Tốc độ làm nguội V  mức độ kết tinh Cấu trúc Mạch thẳng  Dễ kết tinh Mạch nhánh  Khó kết tinh Mạch lưới  Khó kết tinh hơn Mạch không gian  Cấu trúc vô dịnh hình