Bài giảng Vật liệu - Chương 3: Cấu trúc vật liệu hữu cơ - Nguyễn Văn Dũng

LOGO 1
CHƯƠNG 3: 
CẤU TRÚC VẬT LIỆU HỮU CƠ
2Monomer
Polymer
Monomer: phân tử nhỏ tổng hợp ra polymer
Đơn vị cơ sở = Mer = Repeat unit: phần tử nhỏ
nhất của chuỗi polymer, khi lặp lại sẽ tạo ra phân
tử polymer
3Polymer tự nhiên: có nguồn gốc từ động thực vật
§ Tinh bột
§ Gỗ
§ Bông
§ Tơ
§ Da
§ Len
§ Cao su
§ ADN
Polyme tổng hợp: PE, tơ nilon, cao su buna, nhựa phenol formaldehyde, 
PVC, PS, PP, ABS, silicone,
polydimethylsiloxane (PDMS)
4
5Có 2 cách xác định khối lượng trung bình phân tử polymer:
- Tính theo phần mol: 
- Tính theo phần khối lượng: 
6Ni is the number of molecules with 
molecular weight, M
i
Ni = số phân tử i có khối lượng Mi
xi = phần mol của số phân tử i có khối lượng trong khoảng Mi
wi = phần khối lượng của số phân tử i có khối lượng trong khoảng Mi
7Ví dụ: tính khối lượng trung bình của sinh viên trong lớp
Sinh viên Khối lượng (lb)
1 104
2 116
3 140
4 143
5 180
6 182
7 191
8 220
9 225
10 380
Tính khối lượng trung bình của sinh
viên:
a) Dựa trên tỉ lệ số sinh viên trong
mỗi khoảng khối lượng?
b) Dựa trên tỉ lệ khối lượng của sinh
viên trong mỗi khoảng khối lượng?
8Giải: Đầu tiên chia SV theo khoảng khối lượng cách nhau 40 lb.
Khoảng 
k.lượng Số SV
K. lượng 
trung bình
Phần số 
lượng
Phần 
k.lượng
N i W i x i wi
81-120 2 110 0.2 0.117
121-160 2 142 0.2 0.150
161-200 3 184 0.3 0.294
201-240 2 223 0.2 0.237
241-280 0 - 0 0.000
281-320 0 - 0 0.000
321-360 0 - 0 0.000
361-400 1 380 0.1 0.202
SN i SN i W i
10 1881
188.1 217.75297
xi =
Ni
Niå 
wi =
NiWi
NiWiå
x81-120 =
2
10
= 0.2
117.0
1881
011 x 2
12081 ==-w
 Mw = wiMiå = 218 lb
lb 188=å= iMixnM
9Ví dụ:
Xác định 
khối 
lượng 
trung bình 
PVC theo 
số liệu cho 
kèm?
10
Mức độ trùng hợp (Degree of polymerization): số mer hay số mắt 
xích trong phân tử polymer
m là khối lượng của 1 mắt xích (mer)
VD: tính DP của PVC theo số liệu bảng trước
m = 62.496 g/mol
11
Chất làm đầy – Fillers:
+ Mục đích: tăng cường cơ tính (kéo và nén), chống mài mòn, tính bền
dai, tính dẽo, bền nhiệt và giảm giá thành,
+ VD: mùn cưa, bột silica (cát), vụn thủy tinh, đất sét, bột talc, đá vôi,
polymer khác,
Chất làm dẻo – Plasticizers:
+ Mục đích: chất hóa dẻo làm giảm nhiệt độ thủy tinh hóa Tg, và nhiệt
độ nóng chảy Tm của polyme. Nó làm giảm tính cứng nhưng tăng tính
bền, dai, dẽo, mềm của vật liệu.
+ Chất hóa dẻo thường là este của các hợp chất hữu cơ như DBP -
dibutyl Phtalat, DOP - dioctyl phtalat, DIOP - diizooctyl phtalat...
+ Ứng dụng: màn mỏng, áo mưa, ống, màn cửa,
12
Chất tạo màu – Colorants: thuốc nhuộm (dye) hoặc bột màu (pigment)
Chất ổn định – Stabilizers:
+ Mục đích: giúp tăng tuổi thọ của polymer khi làm việc dưới môi
trường ánh sáng, nhiệt, bức xạ
Chất chống cháy – Flame Retardants:
+ Mục đích: chất chống cháy phải có nhiệm vụ là làm chậm, ngăn cản
và dập tắt quá trình cháy
+ Tạo lớp bảo vệ trên bề mặt pha rắn: ngăn cản sự tiếp xúc của oxi với
bề mặt polymer, tạo thành một lớp cách nhiệt.
+ Dập tắt gốc tự do hoạt động trên pha khí: phụ gia có chứa halogen và
photpho có thể tác dụng với các gốc tự do này để tạo ra các chất ít hoạt
động góp phần ngăn cản sự cháy.
13
Ø Hình dạng của chuỗi polymer như hình
gấp khúc và xoắn, các nguyên tử cacbon
có thể quay quanh trục liên kết C-C.
Ø Chuỗi polymer cũng có thể cuộn lại
theo hình dạng khác nhau
14
Mạch thẳng (linear)
VD: HDPE, PVC, Nylon, Cotton
Mạch nhánh (branch)
VD: LDPE
Liên kết ngang (crosslink)
VD: cao su lưu hóa
Mạng lưới (network)
VD: nhựa epoxy, phenol formaldehyde
15
Ngẫu nhiên
Nhóm
Nhánh ghép
Xen kẽ
+ Sắp xếp ngẫu nhiên (random)
VD: cao su SBR, NBR 
+ Sắp xếp xen kẽ (alternating)
VD: nhựa PET
+ Sắp xếp theo nhóm (block)
VD: Pluronic P123, triblock polymer
HO(CH2CH2O)20(CH2CH(CH3)O)70(CH2CH2O)20H
+ Sắp xếp dạng nhánh ghép (graft)
VD: HIPS (high-impact polystyrene)
Tạo thành từ nhánh chính styrene và nhánh 
ghép butadien
16
Bao gồm các liên kết C-H, C-F, C-Cl, C-C, C=C, C≡ C, C=O, C-N,
Gồm các liên kết σ và liên kết π
17
ü Gồm liên kết Van der Waals, liên kết hydro, liên kết cộng hóa trị
ü Liên kết ngang làm tăng độ bền nhiệt, độ bền cơ, khó hòa tan, giảm
tính dẻo của vật liệu
18
Stretch
The chains can be stretched, which causes 
Kéo
Stretch
Cross-Linked Polymer
The cross-links hold the chains together. 
Relax
Kéo
Co lại
Khi có lực tác dụng, polymer bị biến dạng không thuận nghịch (mạch 
thẳng) hay thuận nghịch (mạch có liên kết ngang) à tạo tính đàn hồi
Với biến dạng thuận nghịch có 3 trường hợp: đàn hồi cao, hiện tượng hồi 
phục và hiện tượng trể (hồi phục không hoàn toàn)
19
20
Fe3C – cấu trúc tinh thể trực thoi (Orthorhombic)
21
Ø Ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử của PE multilayered single
crystals (chain-folded layers)
Ø Quá trình hình thành đơn tinh thể PE phải được thực hiện chậm và
điều khiển cẩn thận
Cấu trúc chuỗi dạng nếp 
gấp tạo thành tấm mỏng
22
Polymer hiếm khi đạt 100% cấu
trúc tinh thể
ü Rất khó cho tất cả các các vùng
của vật liệu mà các chuỗi sắp
xếp thẳng hàng
ü Độ tinh thể (Degree of
crystallinity) được biểu diễn
như là % tinh thể.
ü Một vài tính chất vật lý phụ
thuộc % tinh thể.
ü Quá trình xử lý nhiệt phát triển
vùng tinh thể và tăng % tinh
thể
Vùng tinh thể
Vùng vô định hình
23
Spherulite 
surface
ü Một vài bán tinh thể được hình 
thành ở dạng cầu
ü Giữa những lớp đơn tinh thể là 
vùng vô định hình
ü Tốc độ hình thành tinh thể hình 
cầu tương đối nhanh 
24
Ảnh hưởng của độ tinh thể và khối lượng phân tử lên tính chất của PE
Dầu, 
lỏng
Sáp mềm
Sáp giòn
Sáp dai
Nhựa cứng
Chất dẻo mềm
Khối lượng phân tử
Ph
ần
 tr
ăm
 ti
nh
 th
ể
SV tự nhận xét !!
25
N
hi
ệt
 đ
ộ Nhiệt độ nóng chảy
Nhiệt độ chuyển thủy tinh
Trạng thái nóng chảy
Trạng thái mềm cao Trạng thái tinh thể
Trạng thái thủy tinh
26
Hiện tượng nóng chảy được giải thích là do sự phá hủy của các liên kết yếu
Van der Waals giữa các mạch và cấu trúc polymer không còn trật tự. Vậy
mọi yếu tố làm giảm liên kết yếu này đều làm giảm nhiệt độ nóng chảy
(Tm).
- Mạch nhánh: giảm hiệu quả sắp xếp của mạch, độ mạch nhánh tăng,
Tm giảm.
- Khối lượng phân tử tăng: Tm tăng do phần cuối của mạch là phần tự do
dao động, nếu chiều dài mạch tăng lên, số cuối mạch giảm đi, năng lượng
tăng.
Ø Tm của polymer nằm trong một khoảng nhất định chứ không phải tại
một giá trị nhất định do bản chất polymer không đồng nhất.
27
Trạng thái thủy tinh (của polymer vô định hình và polymer bán kết tinh) 
là trạng thái mà chỉ có những nguyên tử, phân tử chuyển động quanh vị trí cân 
bằng của nó. Ở trạng thái thủy tinh vật liệu rất cứng và giòn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg):
ü Độ mềm dẻo của mạch: độ mềm dẻo giảm, Tg tăng
ü Kích thước nhóm thế: kích thước nhóm thế càng lớn, độ linh động càng 
giảm,Tg tăng
ü Độ phân cực của nhóm thế: nhóm thế càng phân cực, Tg càng tăng
ü Khối lượng phân tử: khối lượng phân tử càng lớn Tg tăng. Nhưng tăng đến 
giá trịnh nhất định, khi khối lượng phân tử tăng Tg không đổi.
28
Trạng thái kết tinh: làm mất tính chất đàn hồi cao, tăng độ cứng,
tăng modul đàn hồi và làm giảm khả năng biến dạng của polymer.
Trạng thái mềm cao (chất dẻo): là trạng thái đặc biệt chỉ có ở
polymer, có tính chất nằm giữa trạng thái rắn và lỏng, có khả năng
thay đổi và phục hồi hình dạng lớn dưới tác dụng của một lực nhỏ
(cao su)
→ Cần xác định nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ chuyển thủy tinh của
chất dẻo để xác định nhiệt độ làm việc thích hợp.
29
Polymer
Nhiệt độ chuyển 
thủy tinh [oC 
(oF)]
Nhiệt độ nóng 
chảy [oC (oF)]
So sánh và giải thích lý do khác biệt Tg & Tm của các polymer!! 
30
Th
ể 
tíc
h 
riê
ng
Bán tinh thể
Thủy tinh
Tinh thể
Nhiệt độ
SV tự nhận xét !!
31
N
hi
ệt
 đ
ộ
Chất lỏng 
nhớt
Bán tinh thể
Chất lỏng
Tinh thể
Khối lượng phân tử
Cao su
SV tự nhận xét !!
32
Ø Nhựa nhiệt dẻo (thermoplastic) là một loại nhựa chảy mềm thành
chất lỏng dưới tác dụng của nhiệt độ cao và đóng rắn lại khi làm
nguội
ü Nhựa nhiệt dẻo gồm nhiều chuỗi phân tử liên kết với nhau bằng các
liên kết Van der Waals yếu, liên kết hiđrô, tương tác giữa các nhóm
phân cực và cả sự xếp chồng của các vòng thơm.
→ Có khả năng tái chế
VD: PE, PP, PS, ABS, SB, PVC, PVAc, PET, Nylon,
33
Nhựa nhiệt rắn (thermosetting plastic) là loại nhựa khi gia nhiệt sẽ
rắn cứng, không thay đổi hình dạng do cấu trúc polymer cố định, nếu
tiếp tục gia nhiệt nó sẽ bị phá hủy hơn là nóng chảy.
Lý do: mức độ liên kết ngang (crosslink) cao nên có độ cứng hóa học
và bền nhiệt (thường trên 200 oC).
VD: nhựa phenol-formaldehyde, nhựa epoxy, cao su lưu hóa,..
Nhược điểm: khó tái chế → cách tận dụng??
34
35
36
DNA
Đường
Tinh bột - Starch
Protein
37
Chuỗi dài xellulozơ (cellulose) với liên kết H
Xellulozơ là vật liệu hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất.
Tạo thành gỗ, giấy, sợi bông
38
Độ trùng hợp: 1000 - 2000
39
Độ trùng hợp: 10,000 – 100,000
40
Nón bảo hộ Bánh răng
Thay thế khớp 
xương
Ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE)
Độ trùng hợp: 2-6 million
41
Độ trùng hợp: 4,000 – 5,000
Khá phân cực à Liên kết ngang mạnh
42
Polyethylene Terephthalate 
Độ trùng hợp: 4,000 – 8,000
Ester
43
44
Liên kết cộng hóa trị mạnh và 
liên kết H
Ứng dụng làm vật liệu bảo vệ
45
Acrylonitrin butadien styren (ABS) có công thức hóa học (C8H8·
C4H6·C3H3N)n là một loại nhựa nhiệt dẻo
Ưu điểm: nhẹ, cứng, dễ uốn, chịu va đập tốt
Ứng dụng: làm ống, dụng cụ âm nhạc, đầu gậy đánh golf, các bộ phận tự
động, vỏ bánh răng, lớp bảo vệ đầu hộp số, đồ chơi, trong mạ điện,