Bài 13. Vật liệu polymer – Tóm tắt Hoá học 12

1. Khái niệm và phân loại vật liệu polymer

Định nghĩa

Vật liệu polymer là vật liệu có thành phần chính là polymer. Trong thực tế, để phù hợp với từng mục đích sử dụng, người ta thường trộn thêm các chất phụ gia như chất hoá dẻo, chất lưu hoá, chất ổn định nhiệt, bột màu, chất chống oxi hoá...

Có thể phân loại vật liệu polymer theo nhiều cách khác nhau.

Theo nguồn gốc: vật liệu polymer tự nhiên (cao su thiên nhiên, cellulose, tinh bột, protein...) và vật liệu polymer tổng hợp (PE, PP, PS, PVC, nhựa phenol formaldehyde, cao su tổng hợp...).
Theo tính chất khi gia nhiệt:
- Vật liệu nhiệt dẻo: nóng chảy mềm được, có thể tạo hình lại nhiều lần. Ví dụ: polyethylene, polystyrene, PVC.
- Vật liệu nhiệt rắn: đã tạo hình sẽ không nóng chảy lại, chỉ bị phân hủy khi đun nóng mạnh. Ví dụ: nhựa phenol formaldehyde, cao su lưu hoá.
Theo cấu trúc mạch: mạch thẳng, mạch nhánh, mạch lưới không gian.
Theo công dụng (cách phân loại chính của bài): chất dẻo, vật liệu composite, tơ, cao su, keo dán.

2. Các loại vật liệu polymer

Chất dẻo và vật liệu composite

Chất dẻo là vật liệu polymer có tính dẻo (bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt, áp lực và vẫn giữ nguyên biến dạng khi thôi tác dụng). Thành phần gồm polymer và các chất phụ gia (chất hoá dẻo, chất độn, chất màu…). Một số chất dẻo: PE, PP, PS, PVC, poly(methyl methacrylate) (PMMA, thuỷ tinh hữu cơ), poly(phenol formaldehyde) (PPF).

n\mathrm{CH_2=C(CH_3)COOCH_3} \xrightarrow{t^\circ,\ xt,\ p} \left[-\mathrm{CH_2-C(CH_3)(COOCH_3)}-\right]_n

Vật liệu composite gồm vật liệu nền (thường là polymer) và vật liệu cốt (sợi thuỷ tinh, sợi carbon, bột khoáng…), có tính chất vượt trội so với các vật liệu thành phần.

Tơ

Tơ là vật liệu polymer hình sợi dài, mảnh, có độ bền nhất định.

Tơ thiên nhiên: bông, len, tơ tằm.
Tơ tổng hợp: nylon-6,6 (trùng ngưng hexamethylenediamine với adipic acid), capron (nylon-6, từ caprolactam), nitron hay olon (trùng hợp acrylonitrile):

$n\mathrm{CH_2=CH-CN} \xrightarrow{t^\circ,\ xt,\ p} \left[-\mathrm{CH_2-CH(CN)}-\right]_n$
Tơ bán tổng hợp (nhân tạo): tơ visco, tơ cellulose acetate (chế biến từ cellulose).

Tơ polyamide (nylon, capron) kém bền với nhiệt, acid, base do nhóm $\mathrm{-CO-NH-}$ dễ bị thuỷ phân.

Cao su

Cao su là vật liệu polymer có tính đàn hồi.

Cao su thiên nhiên: polyisoprene (cấu hình cis), lấy từ mủ cây cao su. Lưu hoá cao su (đun với lưu huỳnh) tạo cầu nối $\mathrm{-S-S-}$ giữa các mạch, làm cao su bền, đàn hồi hơn.
Cao su tổng hợp: cao su buna (từ buta-1,3-diene), buna-S (buta-1,3-diene + styrene), buna-N (buta-1,3-diene + acrylonitrile), cao su chloroprene.

$n\mathrm{CH_2=CH-CH=CH_2} \xrightarrow{t^\circ,\ xt,\ p} \left[-\mathrm{CH_2-CH=CH-CH_2}-\right]_n$

Keo dán

Keo dán là vật liệu có khả năng kết dính bề mặt hai vật liệu rắn mà không làm biến đổi bản chất các vật liệu đó. Ví dụ: keo epoxy, keo poly(urea-formaldehyde), keo dán từ cao su.

3. Cấu trúc phân tử và tính chất của vật liệu polymer

Định nghĩa

Polymer là những phân tử có khối lượng phân tử rất lớn, tạo nên từ nhiều mắt xích giống nhau nối với nhau qua liên kết cộng hóa trị. Số mắt xích trong phân tử polymer kí hiệu là $n$ , gọi là hệ số polymer hoá. Giá trị $n$ trong mẫu vật liệu thực tế thường rất lớn nhưng không cố định cho từng phân tử.

Liên hệ cấu trúc và tính chất.

Cấu trúc mạch polymer, sự sắp xếp mắt xích, lực liên kết giữa các mạch quyết định trực tiếp tính chất của vật liệu polymer. Mạch càng linh hoạt, giữa các mạch càng ít lực liên kết thì vật liệu càng dẻo, giãn tốt. Nếu các mạch tạo thành cấu trúc lưới bền vững, vật liệu sẽ rắn chắc, khó nóng chảy và bền vững với nhiệt độ.

Những tính chất cơ bản của vật liệu polymer:

Tính chất cơ lý: bền, cứng hoặc dẻo tùy loại; một số loại có độ đàn hồi cao như cao su; chịu lực, chống mài mòn khá tốt, khối lượng riêng thường nhỏ hơn kim loại nên sản phẩm nhẹ.
Tính chất hoá học: kém hoạt động hơn so với nhiều hợp chất hữu cơ nhỏ; nhiều loại bền với nước, acid, base loãng; riêng polyester, polyamide kém bền trong acid, base.
Tính chất vật lí: cách điện, cách nhiệt, khó thấm nước. Tuy nhiên, phần lớn vật liệu polymer dễ bắt lửa và khi cháy tỏa nhiều khói, khiến người ta phải chú ý xử lí về môi trường.

4. Điều chế vật liệu polymer

Hai hướng chính tạo polymer

1.
Phản ứng trùng hợp: từ monomer có liên kết đôi hoặc mạch vòng; quá trình trùng hợp không sinh ra sản phẩm phụ, các nguyên tử của monomer được giữ nguyên trong mắt xích polymer.
2.
Phản ứng trùng ngưng: từ hai nhóm chức hoá học phản ứng được với nhau, đồng thời loại ra phân tử nhỏ, thường là nước.

4.1 Phản ứng trùng hợp

Phản ứng trùng hợp mở liên kết đôi của monomer, nối các phân tử lại thành mạch dài.

n\mathrm{CH_2=CH_2}\xrightarrow{t^\circ,p}\left[-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CH_2}-\right]_n

Đây là polyethylene (PE), được điều chế từ ethylene.

n\mathrm{CH_2=CHCl}\longrightarrow\left[-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CHCl}-\right]_n

Đây là poly(vinyl chloride) (PVC), được điều chế từ vinyl chloride.

n\mathrm{CH_2=CH(C_6H_5)}\longrightarrow\left[-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CH(C_6H_5)}-\right]_n

Đây là polystyrene (PS), được điều chế từ styrene.

Phản ứng trùng hợp cũng diễn ra với diene. Ví dụ isoprene trùng hợp tạo polyisoprene tương tự cao su tự nhiên:

n\mathrm{CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2}\longrightarrow \left[-\mathrm{CH_2}-\mathrm{C(CH_3)}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH_2}-\right]_n

4.2 Phản ứng trùng ngưng

Phenol phản ứng với formaldehyde (xúc tác acid hoặc base, đun nóng) tạo poly(phenol formaldehyde) (PPF):

n\mathrm{C_6H_5OH}+n\mathrm{HCHO}\longrightarrow \left[-\mathrm{C_6H_3(OH)}-\mathrm{CH_2}-\right]_n+n\mathrm{H_2O}

Phản ứng trùng ngưng giữa terephthalic acid và ethylene glycol cho poly(ethylene terephthalate) (PET):

\begin{gathered} n\mathrm{HOOC-C_6H_4-COOH}+n\mathrm{HOCH_2CH_2OH}\longrightarrow\\ \left[-\mathrm{OC-C_6H_4-COO-CH_2CH_2-O}-\right]_n+2n\mathrm{H_2O} \end{gathered}

Nhựa PET là vật liệu polymer nhiệt dẻo, được dùng nhiều để sản xuất chai đựng nước giải khát và sợi tổng hợp.

5. Ứng dụng và hướng phát triển

Vật liệu polymer có ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống.

Bao bì thực phẩm, chai nhựa: PE, PP, PET.
Đồ gia dụng, ống dẫn nước, dây điện: PVC, PP, PS.
Cấu kiện trong xây dựng, đồ nội thất: nhựa phenol formaldehyde, PVC.
Sợi tổng hợp dệt may: nylon-6,6, capron, nitron (olon), polyester.
Lốp xe, phớt, cao su kĩ thuật: cao su tổng hợp, cao su lưu hoá.
Dụng cụ làm vườn, tưới tiêu, màng phủ nông nghiệp: nhiều loại polymer dẻo.

Do hầu hết vật liệu polymer khó phân hủy trong môi trường, hướng phát triển hiện nay là:

Sản xuất polymer có khả năng phân hủy sinh học.
Giảm phụ gia độc hại, chuyển sang nguồn nguyên liệu tái tạo.
Tăng cường tái chế polymer; thiết kế sản phẩm dễ phân loại, dễ thu hồi.

6. Phương pháp giải bài tập

Xử lí công thức polymer trong bài tập

1.
Xác định loại phản ứng:
- Mạch polymer chỉ chứa C, H, halogen... và monomer có liên kết đôi: thường là trùng hợp, không tạo sản phẩm phụ.
- Mạch polymer chứa nhóm chức đặc trưng như $-\mathrm{COO}-$ , $-\mathrm{CONH}-$ , $-\mathrm{OCO}-$ ... và sản phẩm có nước: thường là trùng ngưng.
2.
Viết công thức polymer từ monomer:
- Trùng hợp: mở liên kết đôi, nối các mắt xích, giữ nguyên các nguyên tử.
- Trùng ngưng: loại bỏ phân tử nước tương ứng hai nhóm chức phản ứng rồi nối mạch.
3.
Suy ra monomer từ mắt xích polymer:
- Với trùng hợp: cắt đôi mạch ở liên kết đơn giữa hai nguyên tử carbon, gắn liên kết đôi vào vị trí đó để thu được monomer.
- Với trùng ngưng: tìm hai nhóm chức ở hai đầu mắt xích, "cộng nước" vào liên kết tạo thành để suy ra hai monomer.
4.
Tính khối lượng mol của polymer: trong phản ứng trùng hợp không mất nguyên tử nên $M_{\text{polymer}}$ bằng $n$ nhân khối lượng mol một mắt xích polymer; trong trùng ngưng phải trừ khối lượng phân tử nhỏ đã loại ra.

7. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Viết công thức polymer tạo ra từ ethylene và từ propylene $\mathrm{CH_2=CH-CH_3}$ ; nêu tên polymer.

Lời giải · 2 bước

Cả hai phản ứng đều là phản ứng trùng hợp mở liên kết đôi, giữ nguyên nguyên tử của monomer.

n\mathrm{CH_2=CH_2}\longrightarrow\left[-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CH_2}-\right]_n

n\mathrm{CH_2=CH-CH_3}\longrightarrow\left[-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CH(CH_3)}-\right]_n

Bước 2

Sản phẩm lần lượt là polyethylene (PE) và polypropylene (PP).

Ví dụ 2

Hãy chỉ ra loại phản ứng tạo polymer có công thức $\left[-\mathrm{C_6H_3(OH)}-\mathrm{CH_2}-\right]_n$ ; viết phương trình hoá học.

Lời giải

Phân tích mắt xích polymer: mỗi mắt xích có công thức $\mathrm{C_7H_6O}$ . Phenol $\mathrm{C_6H_6O}$ kết hợp với formaldehyde $\mathrm{CH_2O}$ cho $\mathrm{C_7H_8O_2}$ , chênh lệch với mắt xích polymer chính là $\mathrm{H_2O}$ . Vậy đây là phản ứng trùng ngưng.

n\mathrm{C_6H_5OH}+n\mathrm{HCHO}\longrightarrow \left[-\mathrm{C_6H_3(OH)}-\mathrm{CH_2}-\right]_n+n\mathrm{H_2O}

Ví dụ 3

Cho polymer $\left[-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CHCl}-\right]_n$ . Hãy chỉ ra monomer và loại phản ứng tạo polymer.

Lời giải · 2 bước

Mắt xích polymer chỉ có các nguyên tử $\mathrm{C}$ , $\mathrm{H}$ , $\mathrm{Cl}$ , phù hợp với phản ứng trùng hợp. Cắt tại liên kết đơn $\mathrm{CH_2-CHCl}$ rồi gắn liên kết đôi vào hai nguyên tử carbon đó, ta được monomer $\mathrm{CH_2=CHCl}$ là vinyl chloride.

n\mathrm{CH_2=CHCl}\longrightarrow\left[-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CHCl}-\right]_n

Bước 2

Vậy đây là poly(vinyl chloride) (PVC), tạo nên từ phản ứng trùng hợp.

Ví dụ 4

Một phân tử polyethylene có hệ số polymer hoá $n=5{,}0\cdot 10^3$ . Biết khối lượng mol của ethylene là $\mathrm{M}=28$ gam/mol. Tính khối lượng mol của phân tử polymer.