Chương 10
VẬT LIỆU HỮU CƠ POLYME.
10.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU HỮU CƠ
Từ xa xưa con người đã biết sử dụng vật liệu hữu cơ tự nhiên như gỗ, tre, da, sợi thực
vật v.v. để phục vụ cuộc sống sinh hoạt hàng ngày. Với sự phát triển của khoa học và công
nghệ, ngày nay vật liệu hữu cơ mới - vật liệu polyme đã được đưa vào sử dụng để sản xuất
các sản phẩm mở rộng hoạt động của con người.
Polyme còn được gọi hợp chất hữu cơ cao phân tử là những chất có khối lượng phân
tử lớn (không nhỏ hơn 10
4
phân tử), ở đó các phân tử gồm các nhóm nguyên tử như nhau gọi
là mắt xích hay là me. Mỗi mạch là một phân tử đã bị thay đổi của chất thấp chất phân tử ban
đầu – các monome. Khi điều chế polyme các phân tử monome nối lại với nhau và tạo thành
các phân tử dài hay là các cao phân tử mà trong đó các nguyên tử được nối lại bằng liên kết
đồng hóa trị.
Các cao phân tử trong chất polyme không được sắp xếp sít chặt, và thước đo mật độ
xếp chặt được gọi là thể tích tự do, nghĩa là sự chênh lệch giữa thể tích riêng thực của chất và
thể tích riêng lý thuyết khi xếp chặt nhất. Khi nung nóng thể tích tự do tăng. Tùy theo thể tích
tự do mà chất polyme có thể tồn tại ở một trong các trạng thái vật lý là dạng thủy tinh, đàn
hồi cao, và chảy nhớt. Việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác xảy ra không có tỏa
nhiệt hay thu nhiệt. Nhiệt độ chuyển biến được gọi là nhiệt độ thủy tinh hóa T
tt
và nhiệt độ
chảy t
ch
.
10.2 Phân loại.
Có nhiều cách phân loại polyme, sau đây là những cách phân loại thông dụng nhất.
Theo nguồn gốc hình thành người ta chia polyme làm hai loại làpolyme thiên nhiên và
polyme tổng hợp.
− Polyme thiên nhiên có nguồn gốc thực vật hoặc động vật như xenlulô, cao su

Mođun đàn hồi rất khác nhau ở vật liệu polyme. Chẳng hạn các polyme đàn hồi cao
có thể rất nhỏ chỉ bằng 7 MPa nhưng polyme rất cứng có thể là 4.10
3
MPa. Modun đàn hồi
của vật liệu kim loại lớn hơn nhiều và dao động trong khoảng từ 48.10
3
đến 410.10
3
MPa.
Giới hạn bền kéo của polyme vào khoảng 10 MPa, còn của các hợp kim có thể đến
4.100 MPa nên vật liệu kim loại ít khi giãn dài hơn 100%, trong khi đó các polyme đàn hồi
cao có thể giãn dài tới 1.000%.
Ngoài ra, tính chất cơ học của polyme nhạy hơn rất nhiều so với vật liệu kim loại với
sự thay đổi nhiệt độ, ngay cả ở nhiệt độ phòng.
Hình 10.2 trình bày sự biến dạng của polymetylmetacrylat (plexiglass – thủy tinh hữu
cơ) ở một số nhiệt độ trong khoảng từ 4 – 60
0
C.
153
Hình 10.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc điểm biến dạng của polymetylmetacylat.
Qua hình vẽ ta thấy tăng nhiệt độ sẽ làm giảm modun đàn hồi và giới hạn kéo nhưng
làm tăng độ dẻo và ở 4
0
C vật liệu hoàn toàn giòn, còn ở nhiệt độ 50 – 60
0
C vật liệu có thể
biến dạng đàn hồi.
Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến tính chất cơ học cũng rất quan trọng. Nhìn chung
giảm tốc độ biến dạng cũng có ảnh hưởng tương tự như tăng nhiệt độ, có nghĩa là vật liệu trở
nên mềm dẻo hơn.

Các loại nhựa nhiệt dẻo giống thủy tinh, chúng giòn ở nhiệt độ tương dđối thấp, khi
nhiệt độ tăng, chúng trở nên dẻo ở nhiệt độ gần với nhiệt độ thủy tinh hóa và có biến dạng
dẻo trước khi bị phá hủy. Ở 4
0
C chất dẻo polymetylmetacrylat PMMA hoàn toàn giòn, còn ở
nhiệt độ từ 60
0
C trở lên chúng lại trở nên rất dẻo.
Có một hiện tượng khác tham gia vào quá trình phá hủy của các polyme nhiệt dẻo đó
là sự rạn nứt giống như trong thủy tinh. Các vết nứt tế vi được hình thành ở những vùng chịu
ứng suất cao, nơi có nhưng tạp chất và các vế txước. HIệnt ượng này xảy ra theo chiều
vuông góc với lực tác dụng.Ðồng thời với việc rạn nứt, có những vùng chảy cục bộ đưa đến
việc hình thành các mạch định hướng và những lỗ rỗ nhỏ, chiều dày của các vết nứt này chỉ
khoảng 5 µm hoặc nhỏ hơn.
Khác với những vết nứt vĩ mô, vết nứt tế vi cũng vẫn có thể chịu lực. Dương nhiên
lực tác dụng phải nhỏ hơn giá trị khi vật liệu chưa rạn nứt. Nếu lực tác dụng đủ lớn, các vết
nứt lớn sẽ hình thành từ các vết nứt tế vi do cấu trrúc bị phá hủy và các lỗ rỗ phát triển. Dưới
tác dụng tiếp của lực, vật liệu sẽ bị phá hủy dọc theo các vế nứt này.
[
10.3.2 Lý tính của vật liệu hữu cơ.
 Khối lượng riêng.
Polyme có khối lượng riêng không cao lắm và đây chính là một lợi thể và là một trong
những yếu tố làm cho loại vật liệu này được ứng dụng rộng rãi khi mà các kỹ sư thiết kế cần
những chi tiết nhẹ hoặc những chi tiết không cần độ bền cơ học cao lắm.
Khối lượng riêng của polyme nhỏ là do các nguyên tử trong mạch chính (chủ yếu là
các bon và hydrô) có khối lượng nguyên tử nhỏ.
Giới hạn bền riêng (tỉ lệ giữa giới hạn bền kéo và khối lượng riêng) của một số
polyme cao hơn so với giới hạn bền riêng của một số vật liệu kim loại.
 Tính chất nhiệt.
Polyme có hệ số giãn nở nhiệt cao hơn vật liệu kim loại hoặc các vật lịêu có liên kết

Một số polyme có tính chất quang rất thú vị. Thí dụ Polymetylmetacrylat (PMMA) là
polyme nhiệt dẻo trong suốt điển hình dùng để làm kính không vỡ có hệ số truyền ánh sánh
trông thấy lên tới 50% cho chiều dày 3m.
Các polycacbonat có hệ số truyền ánh sáng nhỏ hơn đối với ánh sáng trông thấy
nhưng không nhạy cảm với những vết xước do đó được dùng để làm thấu kính cho các máy
quang học như ống nhòm, máy ảnh, hay làm mũ bảo hộ lao động, kính bảo hiểm, đèn ô tô,
v.v.
[[
10.4 CÁC LOẠI VẬT LIỆU HƯŨ CƠ – POLYME CHÍNH.
10.4.1 Gỗ.
10.4.1.1 Khái niệm chung về gỗ.
Gỗ là một loại sản phẩm hữu cơ tự nhiên có cấu trúc phức tạp. Thành phần chính của
gỗ là xenlulô và lignin. Những phân tử tinh thể xenlulô tạo nên 45 – 50% vật chất rắn của gỗ.
Xenlulô có trong gỗ là loại polyme mạch thẳng có chứa những đơn vị glucô với độ trùng hợp
5.000 tới 10.000.
Gỗ là loại nguyên liệu rất thông dụng, giá thành thấp, kết hợp với các ưu điểm về cơ
tính, tính chất điện, nó được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp như một loại vật liệu kết
cấu. Ở Mỹ sản lượng gỗ được khai thác còn lớn hơn cả thép.
Hệ thống công nghiệp chế biến gỗ hiện đại và hoàn chỉnh trên thế giới, đến nay bao
gồm những ngành chủ yếu sau:
− Ngành xẻ gỗ.
− Ngành sản xuất gỗ dán và gỗ lạng.
− Ngành sàn xuất ván ép các loại.
− Ngành sản xuất giấy.
− Ngành nhiệt phân gỗ.
− Nhành thủy phân gỗ.
− Ngành sản xuất tơ sợi nhân tạo (cellulose viscose).
− Trong thực tế còn nhiều nhgành chế biến khác nữa, dùng gỗ làm nguyên liệu.
Ở nước ta, gỗ là một loại vật liệu khá phổ biến không chỉ ở những vùng rừng núi mà ở
khắp mọi nơi như nông thôn, đồng bằng và thành thị. Ở Việt Nam ta rừng chiếm tới 47% diện

1
lieu vat cua tinh toando
lieu vat cua rieng luong Trong
Thì thép có C = 3.7.10
-4
, bê tông có C = 2.4.10
-3
còn gỗ có C = 4.3.10
-4
Như vậy hệ số chất lượng của gỗ xấp xỉ thép và tốt hơn bê tông.
Ngoài ra, gỗ là vật liệu phổ biến rộng khắp đâu đâu cũng có, lại rất dể chế tạo như
cưa, bào, liên kết, hoàn thiện.
Nhược điểm chung của gỗ là:
- Không bền, dễ mục, mọt, dễ cháy nên tuổi thọ không cao so với thép
- Không đồng nhất, không đẳng hướng. Chất lượng phụ thuộc từng địa
phương hoặc từng cây hay từng phần của cây
- Có nhiều khuyết tật như mắt gỗ, khe nứt, thớ vẹo, thân dẹt, thót ngọnlàm
giảm khả năng chịu tải và làm cho việc gia công chế tạo khó khăn
- Ngậm nước, độ ẩm phụ thuộc môi trường về mùa đông hanh khô gỗ co ngót,
nứt nẻ, về mùa hè ẩm ướt gỗ bị trương phồng dộp
157