Bài học

Cao su và vật liệu composite

Em sẽ làm được gì?

Sau bài này, em nêu được tính đàn hồi đặc trưng của cao su, phân biệt cao su thiên nhiên và tổng hợp, giải thích được cấu tạo và vai trò của vật liệu composite, và nêu được ứng dụng của nó.

Cần nhớ trước

Em cần nhớ lại cách phân biệt chất dẻo và tơ từ bài trước, và polymer thiên nhiên/tổng hợp từ Chương 1.

Vì sao một sợi dây thun kéo giãn ra rồi buông tay là nó co lại y như ban đầu, còn một túi nilon kéo căng thì bị giãn luôn hoặc rách chứ không co lại? Và vì sao vỏ ca-nô, mũ bảo hiểm vừa nhẹ vừa cứng hơn hẳn nhựa thông thường? Câu trả lời nằm ở hai loại vật liệu polymer đặc biệt: cao su và composite.

Cao su

Cao su là polymer có tính đàn hồi cao: khi bị kéo giãn hoặc nén, cao su biến dạng, nhưng khi thôi tác dụng lực thì trở lại gần như hình dạng ban đầu. Cao su được chia thành hai loại:

Cao su thiên nhiên: lấy từ mủ (latex) của cây cao su, thành phần chính là polymer của isopren. Cao su thiên nhiên đàn hồi tốt, nhưng kém chịu dầu mỡ, xăng.
Cao su tổng hợp: do con người điều chế, ví dụ cao su buna (từ butadiene), cao su neopren. Cao su tổng hợp thường chịu dầu mỡ, hóa chất tốt hơn cao su thiên nhiên tùy loại, nên phù hợp cho một số ứng dụng công nghiệp.

Ứng dụng của cao su rất quen thuộc: lốp xe, đệm, gioăng cao su chống thấm, dây thun, găng tay.

**Cao su** là polymer có tính **đàn hồi** cao: khi bị kéo giãn hoặc nén, cao su biến dạng, nhưng khi thôi tác dụng lực thì trở lại gần như hình dạng ban đầu. Cao su được chia thành hai loại: - **Cao su thiên nhiên**: lấy từ mủ (latex) của cây cao su, thành phần chính là polymer của isopren. Cao su thiên nhiên đàn hồi tốt, nhưng kém chịu dầu mỡ, xăng. - **Cao su tổng hợp**: do con người điều chế, ví dụ cao su buna (từ butadiene), cao su neopren. Cao su tổng hợp thường chịu dầu mỡ, hóa chất tốt hơn cao su thiên nhiên tùy loại, nên phù hợp cho một số ứng dụng công nghiệp. Ứng dụng của cao su rất quen thuộc: lốp xe, đệm, gioăng cao su chống thấm, dây thun, găng tay.

Cao su thiên nhiên có sẵn trong mủ cây cao su; cao su tổng hợp do con người điều chế, chịu dầu mỡ tốt hơn.

Vật liệu composite

Composite là vật liệu tổ hợp gồm hai thành phần chính: polymer nền (matrix — thường là một loại nhựa) kết hợp với vật liệu gia cường (sợi thủy tinh, sợi carbon, bột đá, sợi tự nhiên...). Nhờ sự kết hợp này, composite có độ cứng và độ bền cao hơn hẳn polymer nguyên chất, trong khi vẫn nhẹ hơn nhiều so với kim loại.

Ứng dụng của composite rất đa dạng: vỏ tàu thuyền, cánh quạt turbine gió, mũ bảo hiểm, tấm ốp, ống dẫn chịu áp lực — những nơi cần vật liệu vừa nhẹ vừa chịu lực tốt.

**Composite** là vật liệu tổ hợp gồm hai thành phần chính: **polymer nền** (matrix — thường là một loại nhựa) kết hợp với **vật liệu gia cường** (sợi thủy tinh, sợi carbon, bột đá, sợi tự nhiên...). Nhờ sự kết hợp này, composite có độ cứng và độ bền cao hơn hẳn polymer nguyên chất, trong khi vẫn nhẹ hơn nhiều so với kim loại. Ứng dụng của composite rất đa dạng: vỏ tàu thuyền, cánh quạt turbine gió, mũ bảo hiểm, tấm ốp, ống dẫn chịu áp lực — những nơi cần vật liệu vừa nhẹ vừa chịu lực tốt.

Composite = polymer nền + vật liệu gia cường, cho độ bền cao hơn nhựa thường và nhẹ hơn kim loại.

Thử bỏ một trong hai thành phần của composite xem sao: chỉ có polymer nền mà không có sợi gia cường, vật liệu nhẹ nhưng dễ nứt khi chịu lực lớn; chỉ có sợi thủy tinh hay sợi carbon mà không có polymer nền kết dính, các sợi rời rạc, chẳng tạo được hình dạng gì cả. Phải kết hợp đúng tỉ lệ thì composite mới lấy được cái hay của cả hai: độ bền của sợi gia cường, độ nhẹ và dễ tạo hình của polymer nền. Ý tưởng "ghép hai vật liệu để bù nhược điểm cho nhau" này em sẽ còn gặp lại ở nhiều loại vật liệu hiện đại khác.

Ví dụ áp dụng

Ví dụ

Ví dụ 1 — Giải thích tính đàn hồi của cao su

1
Vì sao dây cao su có thể kéo giãn dài gấp nhiều lần rồi co lại gần như hình dạng ban đầu, trong khi một thanh nhựa PE cứng thì không làm được điều đó?
2
Mạch polymer trong cao su (polymer của isopren) ở trạng thái tự nhiên cuộn xoắn lộn xộn. Khi kéo giãn, các mạch bị kéo thẳng ra tạm thời; khi buông lực, các mạch có xu hướng cuộn xoắn trở lại trạng thái ban đầu, kéo vật liệu co lại. Nhựa PE ở dạng chất dẻo có cấu trúc mạch được gia công cố định, không có cơ chế cuộn xoắn — co giãn kém hơn nhiều.
3
Tính đàn hồi của cao su đến từ khả năng mạch polymer cuộn xoắn rồi duỗi ra và co lại — đây là điểm phân biệt cơ bản giữa cao su và chất dẻo.

Ví dụ

Ví dụ 2 — So sánh mũ bảo hiểm nhựa thường và mũ bảo hiểm composite

1
Vì sao vỏ mũ bảo hiểm làm bằng composite (nhựa nền kết hợp sợi thủy tinh) được đánh giá an toàn hơn vỏ làm hoàn toàn bằng nhựa thường khi va chạm?
2
Nhựa thường (chất dẻo nguyên chất) khi chịu lực va đập mạnh dễ bị nứt vỡ giòn vì mạch polymer không được gia cường thêm. Trong composite, sợi thủy tinh đan xen trong nền nhựa giúp phân tán lực va đập ra một vùng rộng hơn, hấp thụ năng lượng va chạm tốt hơn, nên vỏ mũ khó nứt vỡ đột ngột hơn dù độ dày và khối lượng không tăng nhiều.
3
Composite kết hợp ưu điểm nhẹ của polymer với khả năng chịu lực của sợi gia cường, nên bền và an toàn hơn nhựa nguyên chất trong cùng điều kiện sử dụng — đó là lý do composite được chọn cho các sản phẩm bảo vệ như mũ bảo hiểm.

Lỗi thường gặp

Nhiều em nhầm cao su với chất dẻo. Chất dẻo giữ nguyên hình dạng sau khi được ép/đúc; cao su đàn hồi, trở lại hình dạng cũ sau khi thôi tác dụng lực. Cũng đừng nghĩ composite là "một loại nhựa mới" — composite luôn gồm hai phần: polymer nền và vật liệu gia cường, thiếu một trong hai thì không còn là composite nữa.

Nhiều em nhầm cao su với chất dẻo. Chất dẻo **giữ nguyên hình dạng** sau khi được ép/đúc; cao su **đàn hồi, trở lại hình dạng cũ** sau khi thôi tác dụng lực. Cũng đừng nghĩ composite là "một loại nhựa mới" — composite luôn gồm **hai phần**: polymer nền và vật liệu gia cường, thiếu một trong hai thì không còn là composite nữa.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Ghi nhớ

Cao su đàn hồi (thiên nhiên: từ mủ cao su, polymer isopren; tổng hợp: cao su buna, neopren). Composite = polymer nền + vật liệu gia cường (sợi thủy tinh, sợi carbon...), cho độ bền cao mà vẫn nhẹ — dùng cho vỏ tàu thuyền, cánh quạt gió, mũ bảo hiểm.

Ta đã biết polymer bền, khó phân hủy — vậy điều đó gây ra vấn đề gì cho môi trường, và em có thể làm gì để giảm tác động đó? Bài tiếp theo bàn về rác thải nhựa và nguyên tắc 3R.