Chương 10: VẬT LIỆU HỮU CƠ POLYME

Chia sẻ: Nguyễn Trọng Tuấn | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

1.281
lượt xem 206
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 10: VẬT LIỆU HỮU CƠ POLYME

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 104 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 Ttt và nhiệt độ chảy tch. 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 tự nhiên, protein, enzym v.v. − Polyme tổng hợp được sản xuất từ những loại monome bằng các sản ứng trùng hợp, trùng ngưng như các loại polyolefin, polyvinylclorit, nhựa henolfoamadehyt, polyamit, v.v Theo cấu trúc người ta phân biệt plyme thẳng, polyme mạch nhánh, polyme mạng lưới và polyme không gian. Tùy theo đặc điểm liên kết giữa các phân tử thẳng (hay theo tính chịu nhiệt) người ta chia các polyme thành polyme nhiệt dẻo và polyme nhiệt rắn. Theo lĩnh vực ứng dụng, vật liệu polyme được chia ra các loại chất dẻo, nylon, sợi, cao su, sơn và keo v.v. 152
10.3 TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU HỮU CƠ. 10.3.1 Cơ tính của vật liệu hữu cơ. Tính chất cơ học của vật liệu polyme cũng được đặc trưng bởi một vài thông số vẫn dùng cho vật liệu kim loại như giới hạn đàn hồi, môdun đàn hồi, giới hạn bean kéo, độ dai va đập và độ bền mỏi v.v. Ða số tính chất cơ lý của polyme rất nhạy với tốc độ biến dạng, nhiệt độ, bản chất hóa học của môi trường như sự có mặt của ô xy, nước, dung môi hữu cơ v.v. Trong các polyme tinh thể, kích thước và hình dáng tinh thể phụ thuộc vào điều kiện kết tinh cụ thể, còn tính chất cơ học được quyết định bởi cấu trúc polyme thu được.  Giới hạn đàn hồi, môdun đàn hồi, giới hạn bền kéo. Vật liệu polyme có ba dạng đặc trưng khi biến dạng dưới tác dụng của lực như trình bày trong hình vẽ 10.1 Hình vẽ 10.1 Ðường cong biến dạng của vật liệu polyme giòn (đường A) và dẻo (đường B) và đàn hồi cao (Ðường C). Ðường A là đường cong biến dạng của polyme giòn, nó bị đứt ngay khi có biến dạng đàn hồi. Ðường B với polyme dẻo, biến dạng tương tự như của đa số vật liệu kim loại, nghĩa là đầu tiên là biến dạng đàn hồi, tiếp theo là chảy và sau đó là biến dạng deo rồi phá hủy. Ðường C là biến dạng hoàn toàn đàn hồi (hay biến dạng hồi phục ở ứng suất thấp) của polyme có độ đàn hồi cao như của cao su và chúng có tên chung là elastome. 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 48.103 đến 410.103 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%. 153
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 – 600C. 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 40C vật liệu hoàn toàn giòn, còn ở nhiệt độ 50 – 60 0C 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. [  Ðộ dai va đập. Polyme có thể bị phá hủy dẻo hoặc giòn trong điều kiện tác dụng của lực va đập phụ thuộc vào nhiệt độ, kích thước mẫu, tốc độ biến dạng và cách tác dụng lực polyme tinh thể và vô định hình giòn ở nhiệt độ thấp và cả hai có độ dai va đập tương đối thấp, chúng có sự chuyển tiếp từ dẻo sang giòn ở khoảng nhiệt độ tương đối hẹp. Tuy nhiên, độ dai va đập giảm dần ở nhiệt độ cao hơn vì polyme bắt đầu mềm. Thông thường, độ dai va đập cao ở nihệt độ phòng và nhiệt độ chuyển tiếp dẻo – giòn thấp hơn nhiệt độ phòng.  Ðộ bền mỏi. Polyme có thể bị phá hủy do mỏi khi chịu tác dụng theo chu kỳ. Tương tự như vật liệu kim loại, mỏi xảy ra trong polyme ở ứng suất tương đối thấp so với giới hạn bền kéo và hiện tượng mỏi của cả hai loại vật liệu gần giống nhau và đường biểu diễn có cùng dạng tuy nhiên độ bean và giới hạn mỏi của vật liệu polyme nhỏ hơn so với vật liệu kim loại nhiều.  Ðộ bền xé và độ cứng. Ðộ bền xé là năng lượng cần thiết đê xé rách moat mẫu có kích thước chuẩn. Ðộ bền kéo và xé rách có liên quan với nhau. Ðộ bền xé rách là một tính chất quan trọng của một số loại chất dẻo, nhất là những loại dùng ở dạng màng mỏng như bao bì. 154
Ðộ cứng của polyme nóilên khả năng chống cọ xước, xuyên thủng của chúng. Các phương pháp đo độ cứng của polyeme đều dựa trên nguyên lý tương tự như dùng cho vật liệu kim loại. Các tính chất này đôi khi có ảnh hưởng rất lớn đến việc lựa chọn polyme trong một số ứng dụng đặc biệt. [  Ðộ bền phá hủy vật liệu polyme. Ðộ bền phá hủy của vật liệu polyme tương đối thấp so với vật liệu kim loại và gốm. Nhìn chung sự phá hủy của polyme nhiệt rắn là giòn. Trong quá trình phá hủy hình thành các vết nứt ở những nơi tập trung ứng suất. Polyme nhiệt dẻo có thể bị phá hủy dẻo hoặc giòn và một số lớn của loại polyme này có khả năng chuyển từ dạng dẻo sang dạng giòn. Các yếu tố làm thuận lợi cho quá trình phá hủy giòn là nhiệt độ thấp, tốc độ biến dạng lớn, các vết nứt có sẵn và chiều dày của mẫu lớn. 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 40C chất dẻo polymetylmetacrylat PMMA hoàn toàn giòn, còn ở nhiệt độ từ 600C 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 ion do liên kết giữa các mạch trong polyme thuộc loại có cường độ yếu. Sự khác nhau lớn về hệ số giãn nở nhiệt của polyme và vật liệu kim loại là một thông số quan trọng cần xét đến trong những thiết kế có dùng đến cả hai loại vật liệu này. Thí dụ, các chi tiết chất dẻo lắp ghép trên trục kim loại khi nhiệt độ nâng cao có thể làm giảm liên kết giữa polyme và vật liệu kim loại và có thể dẫn đến những vết nứt trên bề mặt vật liệu polyme. 155
Ðộ dẫn nhiệt của polyme cũng tương đối thấp. Ðặc điểm này cho phép ứng dụng polyme như chất cách điện, nhất là dưới dạng bọt, mút. Các bọt polyuretan, polystyren, PVC, v.v có độ dẫn nhiệt rất thấp chỉ khoảng 0,035W/m0C.  Tính chất điện. Polyme có đện trở rất cao khoảng từ 1015 – 1018 Ωcm do trong polyme thông thường không có những phần tử tích điện vì thế polyme là những chất các điện tuyệt vời. Do có điện thế xuyên thủng cao (150 – 300 kV/cm) và dễ gia công nên polyme được dùng nhiều để bọc dây điện, cáp và các dụng cụ điện như công tắc hộp điện v.v Người ta cũng dùng polyetylen thật tinh khiết để boc dây cáp điện viễn thông dưới nước cho đến tần số 30 MHz hay dùng màng polypropylen định hướng với chiều dày khoảng vài micromet để thay thế giấy trong các tụ điện v.v. Những năm gần đây người ta đã hoàn thiện phương pháp sản xuất polyme dẫn điện để làm điện châm (electret). Những chất dẫn điện này là những chất cách điện đã được tích điện (charge) vĩnh cửu, thường làm từ nylon hay polypropylen bằng cách nâng tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thủy tinh hóa rồi đưa vào điện trường mạnh một chiều hoặc phóng điện trong môi trường ion hóa. Các châm điện này chủ yếu dùng để sản xuất microphon, thực tế là microphon tụ điện. Vì đã được tích điện vĩnh cửu nên không dùng nguồn ở ngoài.  Tính chất quang. 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. 156
− 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 tích với nhiều loại gỗ tốt và quí vào bậc nhất thế giới. Khu Tây bắc có nhiều rừng già và có nhiều loại gỗ qui như trai, lim, lát, mun v.v., rừng Việt Bắc có lim, nghiến, vàng tâm v.v. còn rừng Tây Nguyên có gỗ cẩm lai v.v. Một số loại gỗ thông dụng ở Việt Nam được trình bày trên bảng 10.1. Bảng 10.1 Một số loại gỗ thông dụng ở rừng Việt Nam. TT Tên gỗ Tính chất 1 Bạch đàn Gỗ mịn, năng, cứng, ít nứt, dễ vênh, dễ mục nhưng khó bị mối ăn. 2 Chò chỉ Gỗ nặng, dễ nứt, khá bền. 3 Ðinh Gỗ nặng vừa, ít co nứt, rất bền. 4 Gụ Gỗ nặng vừa, tương đối mềm. 5 Lát hoa Gỗ nặng vừa, ít co dãn, nứt nẻ. 6 Lim xanh Gỗ rất nặng, cứng, bền, chắc, nhưng hơi dòn. 7 Tếch Gỗ nặng trung bình, bền, chắc, dẻo. 8 Mỡ Gỗ tương đối nhẹ, mềm, ít co dãn nứt nẻ. 9 Mun Gỗ rất cứng, bền. 10 Thông Thớ thẳng, hơi thô, ít biến dạng. 11 Xoan đào Gỗ nặng vừa, tương đối dễ nứt, hay cong vênh. 12 Mít mật Gỗ nặng vừa, ít co nứt, rất bền, khá dòn. 10.4.1.2 Ưu nhược điểm của gỗ. Về ưu điểm gỗ là vật liệu nhẹ và dẻo, có tính cơ học khá cao. Nếu xét hệ số Trong luong rieng cua vat lieu  1  C= ⋅  Cuong do tinh toan cua vat lieu  m  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: 157
- 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 Ðể khắc phục người ta phải ngâm tẩm, xử lý gỗ đồng thời sử dụng gỗ dán, gỗ tổ hợp để có những kết cấu khỏe, nhẹ và chịu lực tốt đồng thời đẹp mắt. 10.4.1.3 Phân loại gỗ Mỗi nước có qui phạm phân loại gỗ riêng khác nhau. Theo cơ sở thực vật học, người ta phân cây gỗ thành hai loại là cây lá kim và cây lá rộng. Cây lá kim là những cây có hạt trần và những loại cây có vỏ bọc. Loại cây này cho gỗ mềmvà thường có lá xanh quanh năm như phi lao, v.v. Cây lá rộng là những cây có lá rụng theo mùa và cho gỗ cứng. Loại này rất đa dạng và phong phú như các loại cây sồi trứng, cây lim xanh, cây lim xẹt và cây đinh v.v. 10.4.1.4 Tổ chức của gỗ. Quan sát mặt cắt ngang của cây gỗ như trình bày trên hình vẽ 10.3 chúng ta thấy những lớp cấu trúc quan trọng từ ngoài vào trong được đánh thứ tự từ A đến F với các tên gọi như sau: Hình 10.3 Mặt cắt ngang thân cây. A là lớp vỏ ngoài bao gồm những mô đã chết khô, cóp tác dụng như lớp bảo vệ cây. B là lớp vỏ trong (libe) là lớp tế bào vỏ mỏng của vỏ. Lớp tế bào này ẩm, xốp và là nơi cung cấp thức ăn từ là đếntoàn bộ phận của thân cây. C là tầng phát sinh bao gồm những tế bào sống mỏng có khả năng sinh trưởng, nơi tạo nên gỗ và tế bào vỏ. Những tế bào sinh gỗ vào mùa xuân có bản rộng thành tế bào mỏng. Vào mùa hè, thu, và động thì hẹp hơn có thành dày hơn đóng vai trò chịu lực. 158
D là tầng nhựa gỗ có mầu sáng, là nơi hình thành phần ngoài của thân cây, đồng thời là nơi chứa những tế bào sống có chức năng như nhà kho thức ăn t5o ra nhựa từ rễ đến lá của cây. E là tầng gỗ lõi là vùng có tổ chức già không phát triển bên trong mầu tối và là bộ phận tạo độ bền cho cây. F là tủy lõi của cây. Ðây gồm những mô mềm ở trung tâm của cây mà xung quanh đó mầm cây phát triển. Tủy được hình thành trước tiên khi cây bắt đầu sinh trưởng, do tế bào như mô cấu thành vì thế chúng rất xốp, có nhiệm vụ dự trữ thức ăn để nuôi cây trong năm đầu. Về sau tủy không phát triển nữa. Cây có tủy điển hình ở Việt Nam là cây xoan ta. 10.4.1.5 Độ ẩm của gỗ. G1 − G2 Ðộ ẩm của gỗ xác định theo công thức: w = × 100 G2 - G1 là trọng lượng gỗ ẩm. - G2 là trọng lượng gỗ sấy khô. Nước trong gỗ có hai phần: nước tự do và nước cấu tạo. Khi sấy gỗ, đầu tiên nước tự do bay đi rồi đến nước cấu tạo. Ðộ ẩm cấu tạo lớn nhất là 32% và nhỏ nhất là 12%. Khi độ ẩm nhỏ hơn 12% gỗ bị co ngót nứt nẻ. Khi độ ẩm lớn hơn 32% gỗ bị trương nở. Từ độ ẩm 20% trở lên gỗ dễ bị mục. Khi gỗ mới hạ độ ẩm khá lớn từ 30% đến 50% nên nhất thiết phải hong khô một thời gian rồi mới gia công được Ở mỗi trạng thái nhiệt độ và độ ẩm của không khí tương ứng một độ ẩm thăng bằng của gỗ. Ở Việt Nam độ ẩm thăng bằng của gỗ vào khoảng 15% đến 20%. Tùy theo lượng nước trung bình trong gỗ mà người ta phân chia chúng ra làm bốn loại là gỗ tươi, gỗ ướt và gỗ phơi khô và gỗ sấy khô. 10.4.1.6 Khuyết tật của gỗ. Khuyết tật của gỗ phát sinh trong quá trình cây phát triển, trong quá trình khai thác, quá tình bảo quản và chế biến. Tùy thuộc vào nguyên nhân gây ra khuyết tật người ta chia các khuyết tật của cây ra làm mấuy dạng sau: − Khuyết tật do cấu tạo không bình thường như lệch tâm, vỏ trong gỗ, vân thớ hoặc do mắt cây, hai tâm, cong v.v. − Khuyết tật do tác dụng cơ học như nứt hướng tâm, vết nứt do co ngót. − Khuyết tật do nấm, mốc, côn trùng v.v. − Mắt gỗ: những cành trong thân cây tạo nên mắt gỗ. Tùy vị trí cưa xẻ mà mắt to hay nhỏ − Khe nứt: khe nứt thường do sấy hoặc do thu tròn tự nhiên. − Nứt do thu tròn: Ván thon do cây hình nón, gỗ không đồng tâm do cây mọc ở sườn đồi rất dốc, trên mái ta lu hay bìa rừng có gió mạnh, thớ bị vặn do gió vặn − Do gỗ bị cong vênh khi khô, dù thớ thẳng, ván vẫn có thớ ngang, và khe nứt theo những thớ này. − Gỗ bị thương: khi tróc vỏ nếu không quan trọng thì gỗ có thể lành trong trường hợp này ta thấy có sẹo trong thân. 159
− Gỗ xẻ thường bị cong vênh, nứt nẻ, cồng, xiên, vặn, toác, bong, sứt sẹo, thớ to, mục, mắt. Hình 10.4 Một số dạng khuyết tật của gỗ. 10.4.1.7 Các biện pháp bảo vệ gỗ. Ngày nay người ta gia công và chế biến gỗ với những công nghệ và kỹ thuật hiện đại nên có thể khắc phục được nhiều nhược điểm của gỗ, vì thế việc sử dụng gỗ có hiệu quả hơn. Ðể bảo vệ gỗ thông thường người ta phải thực hiện các biện pháp phòng chống nấm và côn trùng, phòng chống hà.  Phòng chống nấm và côn trùng. Phòng chống nấm và côn trùng nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ của gỗ có thể đạt được bằng cách bảo vệ chúng khỏi bị ẩm nhờ các biện pháp như sơn, ngâm chiết kiềm và ngâm tẩm các chất hóa học. Người ta dùng các lọai mơ64, sơn hoặc dầu trùng hợp để sơn hoặc quét gỗ khô. Ngâm chiết kiềm là biện pháp tách nhựa cây bằng cách ngâm gỗ trong nước lạnh, trong nước nóng hay thả trôi bè mảng trên sông, suối. Các hóa chất dùng để ngâm tẩm là những chất gây độc cho nấm và côn trùng. Nó bè6n vững, không hút ẩm và không bị nước rửa trôi đi, không ăn mòn gỗ và kim lọai, dễ ngấm vào gỗ và có mùi dễ chịu. Tuy nhiên, nó cũng rất độc hại cho con người và gia súc. Chất chống mục, mọt gồm có ba lọai là tan trong nước như thuốc muối và lọai không tan trong nước như thuốc dầu và lọai bột nhão.  Phòng chống hà Ðể phòng chống hà, gnười ta thường sử dụng các phương pháp sau: Dùng gỗ cứng như thiết mộc, gỗ quánh, dẻo như tếch, gỗ có nhựa như bạch đàn, v.v. Những lọai này hà khó dục hay ngăn cản hà bám vào. Ðể nguyên cả lớp vỏ cây làm lớp bảo vệ. Bọc bên ngàoi gỗ một lớp vỏ kim lọai. Bọc kết cấu gỗ bằng ống xi măng, ống sành. Dùng crêzốt, CuSO4, v.v. Ngòai ra theo truyền thống, một số địa phương còn dùng phương pháp thui cho gỗ cháy xém một lớp mỏng. Bằng cách này người ta có thể giữ gỗ không bị hà bám trong vòng 3 năm mới phải thui lại. 10.4.1.8 Vật liệu gỗ sử dụng trong đóng tầu gỗ. Hiện nay việt nam đã có qui phạm đóng tầu gỗ-yêu cầu kỹ thuật TCVN 3903- 1984. 160
Tiêu chuẩn này qui định những yêu cầu kỹ thuật đối với kết cấu thân tầu gỗ chạy sông, đầm, hồ, vịnh và ven biển (cách bờ hoặc nơi trú ẩn không quá 20 hải lý) thuộc nước CHXHCN Việt Nam và được áp dụng cho các tầu có quan hệ kích thước sau đây: L 8,5 ≤ ≤ 11 D L 3,8 ≤ ≤ 5,2 B 15m ≤ L ≤ 30m Với - L là chiều dài của tầu. - B là chiếu rộng của tầu. - D là chiều cao của tầu. Kết cấu của tầu gỗ có quan hệ kích thước và vùng hoạt động ngoài phạm vi nói trên sẽ được Ðăng kiểm xem xét và quyết định trong từng trường hợp cụ thể. Lưu ý là Không bắt buộc áp dụng tiêu chuẩn này cho tầu quân sự và thể thao. Các loại gỗ dùng để chế tạo các cơ cầu của tầu phải phù hợp với qui định của tiêu chuẩn này. Ngoài ra, gỗ còn phải thỏa mãn các qui định khác của các tiêu chuẩn việt Nam đã ban hành: − TCVN 1072 – 71 Gỗ – Phân nhóm theo tính chất cơ lý. − TCVN 1073 – 71 Gỗ tròn - kích thước cơ bản. − TCVN 1074 – 71 Gỗ tròn – khuyết tật. − TCVN 1075 – 71 Gỗ xẻ – kích thước cơ bản. − TCVN 1076 – 71 Gỗ xẻ – tên gọi và định nghĩa gỗ ở trạng thái độ ẩm 15%. Lưu ý: - Kích thước của gỗ xẻ tính toán được theo tiêu chuẩn này phải được lấy tròn đến trị số gần nhất và lớn hơn qui định trong TCVN 1075 – 71. - Theo TCVN 1072 –71 gỗ dùng để đóng tầu được chia thành 6 nhóm. - Gỗ dùng để đóng tầu phải được sấy khô, có độ ẩm từ 15 đến 22%, không bị xiên thớ, và phải phù hợp với qui định của bảng 6.2 "Ðịnh mức khuyết tật cho phép của gỗ" phần XIII "Vật liệu" của Qui phạm phân cấp và đóng tầu biển vỏ thép, 1985. - Gỗ nhóm I, nhóm II và nhóm III được dùng để chế tạo khung xương của tầu. - Không được dùng gỗ nhóm IV, nhóm V và nhóm VI để làm sườn, sống mạn và mã nối, sống đuôi, sống mũi trục lái, ống bao chân vịt và bệ máy. - Ván vỏ vùng dưới đường nước phải là gỗ nhóm II hoặc nhóm III. Ván vỏ vùng trên đường nước và ván boong có thể là gỗ nhóm IV. Ván bao của thượng tầng và của lầu có thể là gỗ nhóm V. Ván vách ngang kín nước có thể là gỗ nhóm IV. 10.4.2 CHẤT DẺO. 10.4.2.1 Ðặc điểm và phân lọai chất dẻo. Chất dẻo là một trong những sản phẩm quan trọng và có ứng dụng rộng rãi nhất của vật liệu polyme được sử dụng lớn cả về số lượng lẫn sản lượng trong thực tế. 161
Theo định nghĩa chất dẻo là một vật liệu có thể biến dạng mà không bị phá hủy và có thể định hình với áp lực thấp nhất hoặc có thể đúc. Tuy nhiên có thể hiểu một cách đơn giản rằng chất dẻo là sản phẩm thu được bằng cách trộn polyme với các chất phụ (hay còn được gọi là chất độn), chất hóa dẻo và chất tạo mầu v.v. Chất độn là chất được cho vào chủ yếu nhằm giảm giá thành sản phẩm vì chúng thường là rẻ. Các chất độ hay dùng là mùn cưa, đật sét, bột nhẹ v.v. Chất hóa dẻo là những chất cho thêm vào nhằm làm tăng tính dẻo, làm giảm độ cứng của polyme. Các chất hóa dẻo thường dùng ở trạng thái lỏng. Thí dụ chất hóa dẻo thường dùng cho polyme ở nhiệt độ thường là nhựa PVC, nhựa epoxy, các loại este pltalat v.v. Chất nhuộm mầu tạo cho chất dẻo có mầu sắc nhất định. Chúng thường là các loại thuộc nhộm hoặc bột mầu. Chất nhuộm thường hoà tan và trở thành một phần trong cấu trúc của polyme. Chất bột mầu thường ở dạng bột và không tan, chỉ nằm xen kẽ trong cấu trúc của polyme thí dụ như bột TiO 2, ZnO tạo mầu trắng, còn CdS tạo mầu vàng, v.v. Chất dẻo được sử dụng khá rộng rãi và ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân vì chúng có những tính chất quý báu mà các vật liệu khác không thể đạt tới đồng thời giá thành lại rẻ. Các tính chất chủ yếu của chất dẻo gồm: − Chất dẻo nói chung có loại có cơ tính gồm cả giới hạn bền, mô dun đàn hồi và độ dẻo đạt gần tương đương với vật liệu kim loại. − Chất dẻo có tính cách điện tuyệt vời, có tới 75% tổng vật liệu cách điện trên toàn thế giới được chế tạo từ vật liệu chất dẻo. − Một số chất dẻo có tính chất quang học quí báu được sử dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp. − Có những loại có tính chất hóa học rất tốt như không bị tác dụng trong môi trường axít, kiềm v.v. được sử dụng nhiều trong công nghiệp mạ điện, hóa học v.v. Tương tự như polyme, chất dẻo cũng gồm có hai loại là chất dẻo nhiệt dẻo và chất dẻo nhiệt rắn. 10.4.2.2 Tính chất và ứng dụng một số lọai chất dẻo. Tính chất và ứng dụng của một số chất dẻo thông dụng trên thị trường được giới thiệu trên Bảng 10.2. Bảng 10.2 Tính chất và ứng dụng một số chất dẻo trên thị trường. Loại vật liệu Tên TM Tính chất Ứng dụng Chất dẻo nhiệt dẻo Polyprolen Pro-fax Bền với sự thay đổi nhiệt độ, có Chai lọ có thể thanh tính chất điện tuyệt vời, bền trùng được, màng bao (PP) Tenite hóa chất, và rẻ. Tuy nhiên nó gói, vỏ tivi, valy, túi du Moplen. chịu tia tử ngọai kém. lịch polyamit, v.v. Acrylic Lucite Truyền ánh sánh tuyệt vời, bền Cửa kính máy bay, 162
(Polymetylmet plexiglass với thời tiết và có cơ tính trung dụng cụ đo đạc, dụng acrilat) bình. cụ thiết kế, v.v. Vinyl PVC Vật liệu có ứng dụng rộng rãi. Thảm rải sàn, đường (PVC) Pliovic Nó cứùng nên thường được sử ống, bọc dây điện, băng ghi âm,v.v. dụng chung với chất hóa dẻo. Saran Tygon Chất dẻo nhiệt rắn. Epoxy Epon Có sự phối hợp tuyệt vời giữa Vật liệu đúc, keo dán, độ bền cơ học và tính chống ăn vật liệu compozit, sơn Epi-rez mòn, có kích thước ổn định, tính bảo vệ,v.v. Araldite chất điện tốt, v.v. Silion Nhựa DC Tính chất điện tốt, bền hóa học, Chất dẻo lớp, cách chịu nhiệt, v.v. điện ở nhiệt độ cao. Có thể thấy được rằng tính chất của chất dẻo khá đa dạng. Thí dụ polystyren, polymetylmetacrylat có độ trong suốt cao, rất phù hợp với dụng cụ quang học. Các chất dẻo flocacbon chịu nhiệt tốt có hằng số ma sát thấp và rất bền trong môi trường hóa học, nên được sử dụng trong công nghiệp điện tử, thực phẩm, v.v. Hình 7.5 minh họa sản phẩm đcơ khí được chế tạo từ chất dẻo. 10. 4. 3 Cao su. Cao su hay elastome là một loại sản phẩm của polyme. Do đặc điểm cấu tạo, cao su là loại vật liệu có độ đàn hồi rất cao, độ co giãn khi kéo có thể đật tới 700 – 800%, có tính chống thấm nước, chịu ma sát, ít bị mài mòn và có khả năng giảm chấn động tốt, có độ cách điện, cách nhiệt và cách âm cao v.v. nên cao su là lọai vật liệu có ý nghĩa quan trọng đối với đời sống và kỹ thuật. Cao su theo nguồn gốc hóa học có thể chia làm hai loại là cao su tự nhiên và cao su nhân tạo. 10.4.3.1 Cao su tự nhiên Cao su tự nhiên là sản phẩm lấy từ nhựa cây cao su có tên he- ve – a thường mọc ở những vùng nhiệt đới như Việt Nam, nó là sản phẩm trùng hợp của izopren tự nhiên với công thức hóa học là (C5H8)n và công thức cấu tạo như sau CH2 = CH – C = CH2 CH3 Ðặc điểm nổi bật trong cấu tạo trên là có hai mối liên kết kép nên khi nung đến 500C cao su bị hóa mềm và trở nên dính, còn ở niệt độ thấp nó hóa giòn Cao su hòa tan trong các bua hydrô và cac bon disunfua (CS2). Cao su là chất vô định hình như khi chịu kéo lại là chất tinh thể có sự sắp xếp trật tự trong không gian. Khi bỏ lực tác dụng cao su trở lại là chất vô định hình. Nhược điểm cơ bản của cao su tự nhiên là dễ bị hóa giòn ở nhiệt độ thấp dễ bị mềm và chảy dính ở nhiệt độ cao,có độ bền cọ sát yếu, hoà tan trong xăng và dầu v.v. vì vậy cao su nguyên chất hầu như không được sử dụng trong thực tế. 163
Ðể có thể sử dụng được, cao su cần phải được tiến hành lưu hóa. Bản chất của quá trình này là các nguyên tử lưu huỳnh kết hợp với những mạch polyme izopren tạo thành những đoạn bắc cầu, làm cho các phần tử polyme của cao su tuự nhiên có cấu tạo thành mạch lưới. Ðây là một quá trình thuận nghịch xảy ra ở nihệt độ cao. Sự kết hợp giữa lưu huỳnh và polyme có thể biểu diễn bằng sơ đồ trên hình 10.5 . Trong quá trình này nguyên tử lưu huỳnh là vòng tròn đen tạo thành những đoạn bắc cầu làm cho các ohân tử cao su tự nhiên có cấu tạo lưới. [ Hình 10.5 Sơ đồ mô tả quá trình lưu hóa cao su tự nhiên. Lưu ý rằng do thực tế không dùng cao su tự nhiên cho nên danh từ cao su dùng trong kỹ thuật cũng như đời sống được hiểu là cao su đã được lưu hóa. Cao su sau khi được lưu hóa, các tính chất được cải thiện rõ rệt, tính chịu nhiệt tăng, cơ tính nâng cao, tính hòa tan được khắc phục. Tùy thuộc vào lượng lưu huỳnh cho vào cao su có thể thu được các loại cao su sau đây: − Cao su mềm (1 – 3% S) có độ đàn hồi và độ bền rất cao (∂ = 150 – 500%). − Cao su cứng – êbonít (30 – 35% S) là vật liệu cứng có tính chịu nhiệt, chịu va đập tốt (δ = 2 – 6%) Trong cao su lưu hoá, người ta còn có thể cho thêm một số loại chất độn khác nhau như bột phấn, bột than) hay chất nhuộm mầu, chất xúc tác để tăng nhanh quá trình lưu hóa. Cao su được rộng rãi trong công nghiệp điện làm vật liệu cách điện, dây dẫn các loại cáp Tính đàn hồi của cao su có liên quan đến cấu trúc dicdac của các phân tử như trình bày trên hình 10.6, còn bình thường phân tử cao su xoắn rối như một tập hợp các sợi chỉ như trình bày trên hình 10.7. 164
Hình 10.6 Mô hình cấu tạo phân tử cao su. Hình 10.7 Mô hình biến dạng phân tử cao su Khi chịu tác dụng của lực kéo F nó bị kéo căng ra, phân tử trở nên gần như mạch thẳng. Khi hết lực tác dụng nó trở lại trạng thái ban đầu 10.4.3.2 Cao su nhân tạo. Cao su nhân tạo là loại cao su được trùng hợp từ chất butadien hay divinyl do Lebeđep thực hiện thành công lần đầu tiên năm 1909. Nguyên liệu để chế tạo ra cao su nhân tạo là cồn, dầu mỏ và khí tự nhiên. Lượng cao su nhân tạo được sản xuất ngày càng tăng thay thế dần cho cao su tự nhiên. Hiện nay tên 50% sản phẩm cao su được chế tạo từ cao su nhân tạo. Các loại cao su nhân tạo điển hình là cao su Styren – butadien (SBR) và cao su silicon. 10.4.4 SƠN. 10.4.4.1 Khái nhiệm và phân loại.  Khái niệm Sơn là hợp chất hóa học bao gồm nhựa hoặc dầu chưng luyện có loại có chất mầu và có loại không có chất mầu. Sơn là vật liệu ở trạng thái dung dịch, thành phần gồm có chất tạo màng, chất mầu (khi cần), chất đóng rắn, dung môi, chất pha loãng và chất làm khô. Khi sơn lên bề mặt sản phẩm dung dịch bay hơi còn lại gốc sơn, qua một quá tình hóa lý tạo thành màng sơn có tác dụng cách ly sản phẩm với mội trường khí quyển làm thành lớp bảo vệ và làm đẹp cho sản phẩm. − Chất tạo màng là thành phần cjhủ yếu của sơn, nó được chd61 tạo từ dầu thực vvật, mỡ động vật, nhựa tự nhiên như nhựa thông cánh kiến hoặc nhựa tổng hợp như polyclovinin peclovinin v.v. − Chất tạo mầu dùng để tạo ra mầu sắc cho sơn, có thể là mầu tự nhiên hoặc các chất màu nhân tạo. − Chất độn có tác dụng nâng cao độ bè6n cơ học, tăng tính chống ăn mòn, tính chống thấm khí, chống ẩm, v.v. của màng sơn. chất độn thường dùng là bột mica, bột graphít, sợi amiăng, v.v. − Chất hóa dẻo là những chất phụ gia được người ta cho thêm vào nhằm mục đích nâng cao độ dẻo của màng sơn sau khi khô. Tác dụng của chất hóa dẻo tương tự như dung môi không bay hơi. CÁc chất hóa dẻo thường được sử dụng là đibutilflalat, diaminflalat, trierezyllfotlat, v.v. − Chất đóng rắn là vật liệu chỉ được sử dụng đối với một số lọai sơn đặc biệt có tác dụng đóng mạch không gian của chất tạo màng. 165
− Dung môi dùng để hòa tan chất tạo màng, tạo ra độ nhớt thích hợp để quét sơn lên bề mặt chi tiết bằng chổi quét, hay bằng súng phun sơn v.v. Trong quá trình quét sơn và tạo màng dung môi bay hơi chính vì thế dung môi sử dụng cho sơn đều là các chất hữu cơ bay hơi. Những dung môi thường được sử dụng là dung môi than đá spin trắng, xăng trắng.  Phân loại. Sự phát triển của công nghiệp hoá học tạo ra rất nhiều loại nhựa tổng hợp, chất làm dẻo, dung môi hữu cơ đã tạo nhiều điều kiện cho sự phát triển của ngành sơn. Hiện nay người ta đã chế tạo ra được hàng nghìn loại sơn khác nhau đáp ứng và thoả mãn những nhu cầu phát triển của công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con người. Trong đó có những loại sơn mới ít độc hại như sơn bột, sơn tan trong nước v.v. Vì sơn có nhiều loại nên có nhiều cách phân loại sơn khác nhau. Cụ thể: − Theo bản chất của chất tạo màng chúng ta có sơn dầu, sơn alkyt, sơn epoxy − Theo công dụng chúng ta có sơn cách điện, sơn chống gỉ, sơn trang trí v.v. − Theo loại bột mầu có sơn trong, sơn đục, sơn mầu sắc v.v. − Theo phương pháp sơn người ta chia sơn nhúng, sơn quét v.v. − Theo vị trí lớp sơn người ta chia ra sơn lót, sơn nền và sơn phủ. − Theo phương pháp khô có loại sơn khô nhanh, sơn khô chậm, sơn khô trong không khí, sơn khô ở nhiệt độ cao. − Theo nơi ứng dụng có sơn ngoài trời, sơn lênkim loại, sơn lên đồ gỗ, đồ da v.v − Theo hệ sơn có sơn trong dung môi hữu cơ, sơn có hàm lượng pha rắn cao, sơn khuyếch tán trong nước, sơn khuyếch tán trong môi trường không phải nước và sơn bột. 10.4.4.2 Một số loại sơn thông dụng. Sơn được dùng để phủ lên bề mặt sản phẩm với mục đích là bảo vệ cho sản phẩm tránh khỏi tác dụng xâm thực của môi trường ngoài ra còn để cách điện và trang trí tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm. Sau đây là một vài loại sơn thông dụng. Sơn Xenlulô là dung dịch este của xenlulo có màng sơn có tính dẻo nhiệt. Loại sơn có giá trị sử dụng nhất trong họ vật liệu này là sơn nitroxenlulo. Loại này có màng sơn khá bền, có độ bóng, chịu dầu và chịu ẩm tốt. Vì thế chúng được dùng để làm chất tẩm vỏ bọc sợi bông cáp ôtô, máy bay nhằm bảo vệ cao su chống tác dụng của ozôn, dầu benzin. Sơn nhựa là lọai dung dịch của các nhựa tự nhiên hoặc nhựa tổng hợp nhân tạo. Sơn nhựa được chia làm hai lọai là sơn bakelit và sơn polyviniclorit. Sơn bakelit là nguyên liệu chủ yếu để sản xuất ra techtolit và ghetinac, nó có độ bền cơ học nhưng có khuynh hướng giảm độ dẻo và gây hóa già nhiệt màng sơn. Sơn polyviniclorit là lọai sơn có độ bền đối với tác dụng của benzin, dầu và nhiều hợp chất khác. Lọai sơn này được dùng nhiều để phủ lên bề mặt chi tiết để bảo vệ cách điện và dùng làm dung môi. Sơn đen là lọai sơn có chứa bitum với hàm lượng lớn, vì thế nó có mầu đen ở trạng thái dung môi lẫn màng sơn. So với sơn dầu, sơn 9den rẻ hơn, có tính chống ẩm, cách điện tốt hơn, ít bị hóa già nhưng màng sơn lại kém đàn hồi hơn. Các màng sơn đen 166
thực tế không chịu dầu, chúng hòa tan trong các dung môi cácbua hydrô và các bua hydrô thơm. Khi nung nóng màng sơn có xu hướng hóa mềm Sơn cách điện là lọai sơn được dùng lên bề mặt các chi tiết cần cách điện, lọai sơn này bao gồm sơn tẩm, sơn dính và êmay. Sơn tẩm được dùng để tẩm cho các cuộn dây máy điện với mục đích làm đông cứng các vòng dây lại với nhau, tăng hệ số dẫn nhiệt của cuộn dây và tăng tính chống ẩm. Ngòai ra, khi tẩm cách điện, sợi hữu cơ bị hạn chế tiếp xúc với không khí, nên tính chịu nhiệt tăng lên và độ bền nhiệt cũng được cải thiện. Sơn dính được sử dụng để dính các vật liệu cách điện lại với nhau như dính các tấm mica hay dính chúng với kim lọai. Ngòai tính cách điện cao và tính hút ẩm, sơn dính còn phải đảm bảo khả năng dính kết tốt các vật liệu với nhau. Êmay cũng là sơn nhưng có thêm chất tạo màu, chất độn vô cơ như o6. Các chất cho thểm nhằm tăng độ bền cơ học, khả năng chống ẩm, tính chống hồ quang. Theo phương pháp sấy, người ta chia sơn và êmay làm hai lọai là sơn và êmay sấy nóng và sơn và êmay nguội. Sơn và êmay sấy nóng muốn làm cứng phải đạt tới nhiệt độ 80 -1800C, lọai này có cơ tính và tính cách điện đều cao. Sơn và êmay sấy nguội có thể khô ở nhiệt độ bình thường. tuy nhiên, để cải thiện tính chất của sơn, người ta cũng thường sấy chúng ở nihệt độ 40-800C. 167