Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 4 - Vật liệu phi kim dùng trong cơ khí

Là vật liệu nhân tạo, có thể biến dạng mà không bị phá hủy, có thể định hình với áp lực thấp hoặc đúc. Có cấu tạo hóa học phức tạp, nhận được trên cơ sở Polime hữu cơ.

Phân loại theo nguồn gốc hình thành

• Polyme thiên nhiên là loại có nguồn gốc thực vật hay động vật như xenlulô, cao su, prôtêin, enzym.

• Polyme tổng hợp là loại được sản xuất từ các loại monome bằng các phản ứng trùng hợp, trùng ngưng như các loại polyolefin, polyvinylclorua, nhựa fenol fomandehit, polyamide...

Phân loại theo cấu trúc

Theo cấu trúc phân tử người ta phân biệt polyme mạch thẳng, polyme mạch nhánh, polyme mạch lưới và polyme mạch không gian.

Phân loại theo tính chịu nhiệt

Theo biến đổi cơ học khi tăng nhiệt độ ta có polyme nhiệt dẻo (thermoplastic polymer) và polyme nhiệt rắn (thermosetting polymer). Khi nung nóng polyme nhiệt dẻo giống như kim loại bị mềm ra rồi nóng chảy một cách đột ngột và đông rắn trở lại khi làm nguội - quá trình này là thuận nghịch và có thể lặp lại. 

Trong khi đó khi tăng nhiệt độ polyme nhiệt rắn lại luôn luôn ở trạng thái đông cứng (không bị mềm dần và nóng chảy) cho đến khi bị phá hủy do ôxy hóa hay cháy, nên khi làm nguội không thể trở lại trạng thái ban đầu - quá trình này là không thuận nghịch. Sự khác nhau cơ bản về tính chất cơ - nhiệt này xuất phát từ sự khác nhau về cấu trúc mạch và do đó dẫn đến cơ tính, tính công nghệ, quy trình chế tạo sản phẩm ứng dụng khác nhau. 

Polyme nhiệt dẻo thường có cấu trúc mạch thẳng và một phần là mạch nhánh ở mức độ thấp, nên có cấu trúc tinh thể và mức độ kết tinh khá cao (từ vài chục đến hơn 90%). Khi tăng nhiệt độ do dao động nguyên tử tăng lên nên lực yếu Van der Waals liên kết các mạch với nhau bị giảm mạnh đến mức chuyển động tương đối của các mạch cạnh nhau trở nên dễ dàng, dưới tác dụng của ứng suất dễ dàng trượt, trôi đi với nhau nên polymy mềm, dẻo. 

Khi nhiệt độ tăng đến giá trị nhất định,dao động của mạch trở nên mãnh liệt, phá vỡ toàn bộ liên kết đồng hóa trị, cấu trúc mạch bị mất đi, polyme thành thể lỏng; khi làm nguội đi nó lại có quá trình tạo mạch thẳng và kết tinh (các mạch xếp song song ở dang tấm, lớp như đã trình bày). Vì thế polyme nhiệt dẻo có nhiệt độ chảy (kết tinh). Khi chế tạo sản phẩm người ta nung chảy polyme mạch thẳng ở dạng nguyên liệu - hạt nhựa – có hoặc không có phụ gia, rồi ép nó trong khuôn (nguội), sau khi sản phẩm hình thành trong khuôn được nguội đi để đông cứng (kết tinh) trở lại mới được phép lấy ra khỏi khuôn. 

Nói chung các polyme nhiệt dẻo có đặc trưng cơ tính là tương đối mềm và dẻo, nhiệt độ sử dụng hơi thấp (chỉ cao hơn nhiệt độ thường chút ít cho tới khoảng trên 1000C), thường được dùng rất rộng rãi làm đồ dùng sinh hoạt, nhựa bọc dây điện (nhờ tính cách điện cao ở tần số thấp cũng như cao).

Polyme nhiệt rắn có cấu trúc mạch phức tạp (không gian và lưới) nên hầu như không có cấu trúc tinh thể, chỉ ở dạng vô định hình. Trong polyme nhiệt rắn hầu như không có liên kết yếu Van der Waals, mà chỉ có liên kết đồng hóa trị. Khi nung nóng một khi các liên kết đồng hóa trị này vẫn còn tồn tại thì polyme vẫn cứng, bền; chỉ khi tới nhiệt độ quá cao mạch mới bị đứt, gãy và thoái hóa, cháy mà trước đó không hề bị mềm và chảy lỏng, do vậy không có nhiệt độ kết tinh (nóng chảy). 

Khi chế tạo sản phẩm người ta đồng thời nung chảy và ép nhựa nguyên liệu cùng với chất tạo mạch lưới hay không gian, nhờ đó chất lỏng biến đổi thành chất rắn mới có cấu trúc mạch phức tạp (các mạch ngang tạo nên lưới, không gian) ở ngay trong khuôn ép, như vậy không cần phải làm nguội mà vẫn lấy được sản phẩm ra (có thể dùng cách nung chảy phối liệu ngay trong khuôn ép). Nói chung các polyme nhiệt rắn có đặc trưng cơ tính là bền, cứng hơn, nhiệt độ làm việc cao hơn song cũng giòn hơn. Ngoài được dùng làm các đồ dùng sinh hoạt nó với yêu cầu chắc bền hơn còn được dùng làm chi tiết máy.

Như thế polyme nhiệt dẻo không có sự biến đổi đáng kể giữa nguyên liệu và sản phẩm nên khi tạo hình có độ co nhỏ (1-3%), tính đàn hồi cao (co giãn tốt), định hướng cao khi cán kéo, giát mỏng. Ngoài ra sau khi hư hỏng trở thành phế liệu polyme nhiệt dẻo có thể tái sinh, đó là ưu điểm hết sức quý giá trên quan điểm bảo vệ môi trường. Ngược lại polyme nhiệt rắn có sự biến đổi hoàn toàn giữa nguyên liệu và sản phẩm nên độ co khi tạo hình lớn hơn. Tuy bền, cứng hơn song không thể tái sinh. Nói chung các polyme rất khó bị phân hủy trong thiên nhiên, do vậy cần phải thu gom tốt từ rác thải và có biện pháp tái chế (đối với loại nhiệt dẻo) hoặc làm nhiên liệu, phụ gia (đối với loại nhiệt rắn).

Phân loại theo sự phân cực

Có polyme phân cực và không phân cực. Ở các phân tử polyme không phân cực các đám mây điện tử có tác dụng cố định các nguyên tử và được phân bố giữa các phân tử ở mức độ giống nhau trong những phân tử đó điện tích của các điện tích khác dấu trùng nhau. Ở các phân tử polyme phân cực đám mây điện tử chung dịch chuyển về phía các nguyên tử có điện tích âm hơn, do đó trọng tâm của các điện tích khác dấu không trùng nhau, tạo ra lưỡng cực. Mômen lưỡng cực (với đơn vị đo là đơbai, D) được tính bằng tích của điện tích nguyên tố q (điện tích của một điện tử q = 4,8.10-10  đơn vị tĩnh điện) với khoảng cách l giữa các trọng tâm của điện tích âm và dương.

Các liên kết C - H, C - N, C - O, C - F, C - Cl có các giá trị mômen lưỡng cực lần lượt là 0,2; 0,4; 0,9; 1,83; 2,05D. Vì thế PE, PTFE có cấu trúc đối xứng, hay PP tuy không đối xứng song các liên kết C - H và C - CH3 lại giống nhau nên chúng đều là loại không phân cực; còn PVC do phân tử không đối xứng, các mômen lưỡng cực C - H (0,2D) và C - Cl (2,05D) không bù cho nhau được nên lại là loại phân cực.

Các polyme không phân cực (chủ yếu là hyđrôcacbon) có tính cách điện cao ở tần số thấp cũng như tần số cao, cơ lý tính ít bị xấu đi ở nhiệt độ thấp, có tính chịu lạnh tốt (PE không bị giòn ngay ở -700C). Tính phân cực do làm tăng lực hút giữa các phân tử gây cho polyme cứng vững và chịu nhiệt. Polyme phân cực chỉ là chất cách điện tốt ở tần số thấp.

Phân loại theo lĩnh vực ứng dụng

Theo cách này, polyme được chia thành chất dẻo, sợi, elastome, sơn và keo. Sẽ trình các vật liệu polyme theo cách phân loại này.

Vật liệu kết hợp