Lý thuyết Hóa học 12 Bài 13: Vật liệu polymer

1. Khái niệm

- Chất dẻo là các vật liệu polymer có tính dẻo.

- Tính dẻo của vật liệu là tính bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt, áp lực bên ngoài và vẫn giữ được sự biến dạng đó khi thôi tác dụng.

- Thành phần chính của chất dẻo là polymer. Ngoài ra chất dẻo còn có chất độn, chất hoá dẻo, chất tạo màu,...

2. Tổng hợp một số polymer dùng làm chất dẻo

- Một số polymer dùng làm chất dẻo thông dụng như PE, PP, PVC, PS, poly(methyl methacrylate),... được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp từ các monomer tương ứng.

- Poly(phenol formaldehyde) (PPF) được điều chế từ phản ứng của formaldehyde với phenol, có mặt acid làm xúc tác.

3. Ứng dụng của chất dẻo

Chất dẻo được sử dụng rất phổ biến trên thế giới để tạo ra nhiều sản phẩm ứng dụng trong đời sống, công nghiệp, xây dựng,... Ước tính có khoảng hai phần ba lượng polymer tiêu thụ trên thế giới là từ các chất dẻo thông dụng như PE, PP, PVC, PS.

4. Ô nhiễm môi trường do chất dẻo và rác thải nhựa   

- Các loại nhựa được tạo ra từ chất dẻo khi thải ra môi trường phải mất rất nhiều thời gian để phân hủy (lên đến hàng trăm năm), do đó việc xử lý  rác thải nhựa không đúng cách sẽ gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến môi trường sống của con người và động vật.

+ Đốt nhựa tạo ra các khí độc hại và làm tăng lượng khí gây hiệu ứng nhà kính. 

+ Khi chôn lấp, rác thải nhựa sẽ làm cho đất không giữ được nước, dinh dưỡng, làm chết vi sinh vật có lợi trong đất, gây tác động xấu đến sự sinh trưởng của cây trồng.

+ Nhựa thải ra sông, hồ, đại dương… gây ô nhiễm nguồn nước, làm mất cân bằng hệ sinh thái.

- Một số biện pháp để giảm thiểu rác thải nhựa:

1. Khái niệm

- Vật liệu composite là loại vật liệu được tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có các tính chất vượt trội so với các vật liệu ban đầu.

- Vật liệu composite thường bao gồm hai thành phần chính:

+ Vật liệu cốt có vai trò đảm bảo cho composite có được các đặc tính cơ học cần thiết. Hai dạng vật liệu cốt thường gặp là dạng cốt sợi (sợi thuỷ tinh, sợi hữu cơ, sợi carbon, vải,...) và dạng cốt hạt.

+ Vật liệu nền có vai trò đảm bảo cho các thành phần cốt của composite liên kết với nhau nhằm tạo tính thống nhất cho vật liệu composite. Các dạng vật liệu nền điển hình như nền hữu cơ (nhựa polymer), nền kim loại, nền gốm,...

2. Ứng dụng

- Vật liệu composite có nhiều tính chất vượt trội nên hiện nay được dùng phổ biến để thay thế các vật liệu truyền thống trong nhiều ngành công nghiệp và đời sống.

- Vật liệu composite cốt sợi được dùng phổ biến để sản xuất thân, vỏ máy bay, tàu thuyền, thân xe đua, khung xe đạp, bồn chứa, ống dẫn,...

- Vật liệu composite cốt hạt được dùng để sản xuất gỗ nhựa, bê tông nhựa, gốm chất lượng cao,...

1. Khái niệm

- Tơ là những vật liệu polymer có dạng sợi mảnh và có độ bền nhất định.

- Các phân tử polymer dùng làm tơ thường có mạch không phân nhánh, sắp xếp song song với nhau. Các polymer này tương đối bền với các dung môi thông thường, mềm, dai, không độc và có khả năng nhuộm màu.

2. Phân loại

Dựa vào nguồn gốc và quy trình chế tạo, tơ thường được phân loại như sau:

3. Một số loại tơ thường gặp

a) Tơ tự nhiên

- Sợi bông: là một loại tơ sợi được lấy từ quả bông. Thành phần chủ yếu của sợi bông là cellulose. Sợi bông có nhiều ưu điểm như mềm mịn, thấm hút mồ hôi tốt, thông thoáng nên vải dệt từ sợi bông (vải cotton) được sử dụng phổ biến trong ngành may mặc.

- Len: là một loại tơ được làm từ lông một số loài động vật như cừu, dê, lạc đà,... có thành phần chính là protein. Sợi len giữ nhiệt tốt nên được dùng để dệt áo len, áo choàng, khăn len,...

- Tơ tằm: là loại tơ được láy từ kén của con sâu tằm. Tơ tằm có cấu trúc là các chuỗi protein do sâu tằm tiết ra. Vải dệt từ sợi tơ tằm có độ bóng cao, mềm mại, thoáng khí, hút ẩm tốt nên được dùng phổ biến để dệt vải may trang phục vào mùa hè.

b) Tơ tổng hợp

- Tơ nylon-6,6: Tơ nylon-6,6 thuộc loại tơ polyamide được tổng hợp từ hai loại hợp chất đều chứa 6 nguyên tử carbon trong phân tử:

Tơ nylon-6,6 có tính dai, mềm, ít thấm nước nên được dùng để dệt vải may mặc, vải lót lốp xe, bện dây cáp, dây dù, đan lưới,...

- Tơ capron: Tơ capron thường được tổng hợp từ phản ứng trùng hợp mở vòng ε-caprolactam:

Tơ capron dai, bền, độ đàn hồi và độ bóng cao, ít bị nhăn, có khả năng chống mài mòn.

- Tơ nitron (hay olon): Tơ nitron được tổng hợp từ phản ứng trùng hợp vinyl cyanide (hay acrylonitrile), tạo thành polyacrylonitrile:

Tơ nitron dai, bền với nhiệt và giữ nhiệt tốt nên thường được dùng để dệt vải may quần áo ấm, vải bạt, mái hiên ngoài trời, vải làm cánh buồm, sợi gia cường,...

c) Tơ bán tổng hợp

- Tơ visco: Tơ visco có cấu trúc phân tử giống như cellulose, được sản xuất từ các nguồn cellulose. Vải visco dai, bền, thấm mồ hôi và thoáng khí, thường dùng để dệt vải may quần áo mùa hè.

- Tơ cellulose acetate: Tơ cellulose acetate là một trong những loại tơ sợi bán tổng hợp được tạo ra sớm nhất. Mỗi mắt xích trong cellulose thường chứa 2 nhóm acetate ([C₆H₇O₂(OH)(OOCCH₃)₂]_n) hoặc 3 nhóm acetate ([C₆H₇O₂(OOCCH₃)₃]_n).

Tơ cellulose acetate mềm, mịn, đàn hồi, thoáng khí, thấm hút mồ hôi, khô nhanh, bền màu nên được sử dụng để dệt các loại vải như sa tanh, dệt kim,...

1. Khái niệm

- Cao su là vật liệu polymer có tính đàn hồi.

- Tính đàn hồi là tính biến dạng khi chịu lực tác dụng bên ngoài và trở lại dạng ban đầu khi lực đó thôi tác dụng.

- Có hai loại cao su: cao su tự nhiên và cao su tổng hợp.

2. Cao sụ tự nhiên

Cao su tự nhiên lấy từ mủ cây cao su. Cây cao su có tên khoa học là Hevea brasiliensis, có nguồn gốc từ Nam Mỹ, được trồng ở Việt Nam và ở nhiều nơi trên thế giới.

a) Đặc điểm cấu tạo

Cao su tự nhiên là một loại polymer có chứa các mắt xích isoprene, các liên kết đôi trong mạch cao su đều ở dạng cis:

b) Tính chất và ứng dụng

- Cao su tự nhiên có tính đàn hồi, không dẫn điện, chịu mài mòn, không thấm khí và nước, không tan trong nước và một số dung môi hữu cơ như ethanol,... nhưng tan trong xăng, benzene,... Cao su tự nhiên được dùng để sản xuất các loại lốp xe, băng tải, ống dẫn, gioăng, đệm, gối,...

- Do có liên kết đôi trong phân tử polymer nên cao su tự nhiên có thể tham gia các phản ứng cộng với H₂, HCl, Cl₂,...

- Khi cho cao su tác dụng với lưu huỳnh thu được cao su lưu hoá. Cao su sau khi lưu hoá có các cầu nối disulfide tạo mạng lưới không gian nên có các tính chất lí hoá nổi trội hơn so với cao su ban đầu,...

b) Cao su tổng hợp

Cao su tổng hợp là loại vật liệu polymer có tính chất đàn hồi tương tự cao su tự nhiên, được điều chế bằng phản ứng trùng hợp.

Có nhiều loại cao su tổng hợp, trong đó có một số loại thông dụng sau đây:

1. Khái niệm

- Keo dán là loại vật liệu có khả năng kết dính bề mặt của hai vật liệu rắn với nhau, mà không làm biến đổi bản chất các vật liệu được kết dính.

- Bản chất kết dính của keo dán là tạo ra lớp màng mỏng bám chắc vào hai mảnh vật liệu để giúp chúng kết dính lại được với nhau.

2. Một số loại keo dán thông dụng

a) Nhựa vá săm

Nhựa vá săm là dung dịch dạng keo của cao su được hoà tan trong các dung môi hữu cơ như xăng, toluene, xylene,... Nhựa vá săm dùng để vá chỗ thủng của săm hoặc lốp.

b) Keo dán epoxy

- Keo dán epoxy gồm hai thành phần: thành phần chính có cấu tạo là hợp chất hữu cơ chứa hai nhóm epoxy ở hai đầu.

Thành phần thứ hai gọi là chất đóng rắn, thường là các amine, chẳng hạn như H₂NCH₂CH₂NHCH₂CH₂NH₂.

- Để tạo keo dán cần trộn hai thành phần trên với nhau. Các nhóm amine sẽ phản ứng với các nhóm epoxy tạo ra polymer mạng không gian gắn kết hai bề mặt vật cần dán lại.

- Keo dán epoxy dùng để dán các vật liệu kim loại, gỗ, thuỷ tinh, chất dẻo, bê tông,... trong các ngành công nghiệp sản xuất ô tô, máy bay, xây dựng và trong đời sống hàng ngày.

c) Keo dán poly(urea-formaldehyde)

- Keo dán poly(urea-formaldehyde) được điều chế từ urea và formaldehyde:

- Keo dán poly(urea-formaldehyde) được dùng làm chất kết dính trong gỗ ván ép, chất dẻo,... Khi sử dụng keo dán poly(urea-formaldehyde) cần bổ sung thêm chất đóng rắn như ammonium chloride, oxalic acid … để tạo polymer mạng không gian.