Bài 13. Vật liệu polymer
Nội dung lý thuyết
I. CHẤT DẺO
1. Khái niệm
- Chất dẻo là các vật liệu polymer có tính dẻo.
- Tính dẻo: tính bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt, áp lực lực bên ngoài, vẫn giữ được sự biến dạng đó khi thôi tác dụng.
- Thành phần chính của chất dẻo là polymer.
2. Tổng hợp một số polymer dùng làm chất dẻo
- Một số polymer dùng làm chất dẻo thông dụng (PE, PP, PVC, PS, poly(methyl methacrylate),….) được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp từ các monomer tương ứng.
- Phương trình tổng quát:
- Điều chế PPF: formaldehyde phản ứng với phenol (xúc tác acid):
3. Ứng dụng của chất dẻo
- Một số ứng dụng của các chất dẻo thông dụng:
+ PE: Sản xuất túi nylon, bao gói, màng bọc thực phẩm, chai lọ, đồ chơi trẻ em,...
+ PP: Sản xuất bao gói, hộp đựng, ống nước, chi tiết nhựa trong công nghiệp ô tô,…
+ PVC: Sản xuất giày ủng, rèm nhựa, khung cửa, sàn nhựa, ống nước, vỏ cáp điện, vải giả da,…
+ PS: Sản xuất bao gói thực phẩm, hộp xốp, vật liệu cách nhiệt,…
+ Poly(methyl methacrylate): Sản xuất thủy tinh hữu cơ dùng làm kính máy bay, kính xây dựng, kính bảo hiểm, bể cá,…
4. Ô nhiễm môi trường do chất dẻo và rác thải nhựa
- Rác thải nhựa mất nhiều thời gian phân hủy, xử lí không đúng cách sẽ gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến môi trường sống của con người và động vật:
+ Đốt: tạo các khí độc hại, làm tăng lượng khí gây hiệu ứng nhà kính.
+ Chôn lấp: làm đất không giữ được nước, dinh dưỡng, làm chết vi sinh vật có lợi trong đất, tác động xấu đến sự sinh trưởng của cây trồng.
+ Thải ra sông, hồ, đại dương,…: ô nhiễm nguồn nước, làm mất cân bằng hệ sinh thái.
II. VẬT LIỆU COMPOSITE
1. Khái niệm
- Vật liệu composite: vật liệu được tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau; vật liệu mới có tính chất vượt trội so với các vật liệu ban đầu.
- Vật liệu composite thường có hai thành phần chính:
| Thành phần | Vai trò | Dạng vật liệu thường gặp |
| Vật liệu cốt | Đảm bảo cho composite có được đặc tính cơ học cần thiết | - Dạng sợi cốt: sợi thuỷ tinh, sợi hữu cơ, sợi carbon vải,... - Dạng cốt: hạt. |
| Vật liệu nền | Đảm bảo cho các thành phần cốt của composite liên kết với nhau, tạo tính thống nhất cho vật liệu composite. | - Nền hữu cơ (nhựa polymer). - Nền kim loại. - Nền gốm. ... |
2. Ứng dụng
- Do có nhiều tính chất vượt trội, vật liệu composite được dùng phổ biến để thay thế các vật liệu truyền thống:
+ Vật liệu composite cốt sợi: sản xuất thân, vỏ máy bay, tàu thuyền, thân xe đua, khung xe đạp, bồn chứa, ống dẫn,…
+ Vật liệu composite cốt hạt: sản xuất gỗ nhựa, bê tông nhựa, gốm chất lượng cao,…
III. TƠ
1. Khái niệm
- Tơ là những vật liệu polymer có dạng sợi mảnh và có độ bền nhất định.
- Phân tử polymer dùng làm tơ thường có mạch không phân nhánh, sắp xếp song song với nhau.
- Tính chất: tương đối bền với các dung môi thông thường, mềm, dai, không độc, có khả năng nhuộm màu.
2. Phân loại
- Dựa vào nguồn gốc và quy trình chế tạo, tơ được chia thành:
+ Tơ tự nhiên: có sẵn trong tự nhiên (bông, len, tơ tằm,…).
+ Tơ tổng hợp: chế tạo từ các polymer tổng hợp (tơ polyamide: capron, nylon-6,6,…; tơ nitron,…).
+ Tơ bán tổng hợp: chế biến từ các polymer tự nhiên bằng phương pháp hóa học (tơ visco, tơ cellulose acetate,…).
3. Một số loại tơ thường gặp
a) Tơ tự nhiên
| Loại tơ | Nguồn gốc và thành phần chính | Tính chất và ứng dụng |
| Bông | - Được lấy từ quả của cây bông. - Thành phần chính là cellulose. | - Khả năng hút, thấm nước rất cao; có thể dính bẩn và dầu mỡ nhưng có thể giặt sạch được, thân thiện với da người và không gây dị ứng. - Là nguyên liệu quan trọng trong ngành dệt may (sản xuất vải cotton). |
| Len | - Được lấy từ lông của cừu và một số loài động vật khác như dê, lạc đà,... - Thành phần chính là protein. | - Nhẹ và giữ ấm tốt. - Dùng để dệt, đan, chế tạo các loại áo len. |
| Tơ tằm | - Được lấy từ tơ của con tằm. - Thành phần chính là protein. | - Thoáng, nhẹ, hấp thụ nhiệt kém, ít bám bụi, bề mặt mịn. - Dùng để may trang phục. |
b, Tơ tổng hợp
| Loại tơ | Nguồn gốc và thành phần chính | Tính chất và ứng dụng |
| Tơ nylon-6,6 | - Tơ polyamide.
| - Dai, bền, bóng mượt, mềm mại, ít thấm nước, giặt mau khô nhưng kém bền với nhiệt, acid và kiềm. - Ứng dụng: dệt vải may mặc; vải lót săm lốp xe, bít tất, dây cáp, dây dù, dan lưới,... |
| Tơ capron | - Tơ polyamide.
| - Dai, đàn hồi, ít thấm nước, mềm mại, có dáng đẹp hơn tơ tằm, giặt mau khô nhưng kém bền với nhiệt, acid và kiềm. - Ứng dụng: dệt vải may mặc, làm võng, lưới bắt cá, chỉ khâu, sợi dây thừng,... |
| Tơ nitron (olon) | - Tơ vinylic.
| - Dai, bền với nhiệt và giữ nhiệt tốt. - Ứng dụng: dệt vải dùng để may áo ấm, bện thành len đan áo rét. |
c) Tơ bán tổng hợp
| Loại tơ | Nguồn gốc và thành phần chính | Tính chất và ứng dụng |
| Tơ Visco | - Thành phần chính là cellulose đã được xử lí hóa chất. | - Dai, bền, thấm mồ hôi, thoáng khí. - Ứng dụng: làm vải may những trang phục thoáng, mát. |
| Tơ cellulose acetate | - Là hỗn hợp gồm cellulose diacetate [C6H7O2(OH)(OCOCH3)2]n và cellulose triacetate [C6H7O2(OCOCH3)3]n. | - Cách nhiệt tốt. - Ứng dụng: làm vải may áo ấm và thường được phối trộn với len. |
IV. CAO SU
1. Khái niệm
- Cao su là vật liệu polymer có tính đàn hồi.
- Tính đàn hồi: tính biến dạng khi chịu lực tác dụng bên ngoài và trở lại dạng ban đầu khi lực đó thôi tác dụng.
- Phân loại: cao su tự nhiên và cao su tổng hợp.
2. Cao su tự nhiên
a) Đặc điểm cấu tạo
- Chứa các mắt xích isoprene.
- Các liên kết đôi trong mạch cao su đều ở dạng cis.
b) Tính chất và ứng dụng
| Tính chất | Hoá học | Ứng dụng |
| Đàn hồi, không dẫn điện, chịu mài mòn tốt, không thấm khí và nước, không tan trong nước và một số dung môi hữu cơ như ethanol,... nhưng tan trong xăng, benzene,... | Do có liên kết đôi trong phân tử nên có thể tham gia phản ứng cộng với H2, Cl2, HCl,... | Sản xuất lốp xe, băng tải, ống dẫn, gioăng, đệm, gối,... |
3. Cao su tổng hợp
- Có tính đàn hồi tương tự cao su tự nhiên.
- Điều chế bằng phản ứng trùng hợp.
a) Cao su buna
- Trùng hợp buta-1,3-diene (xúc tác sodium).
- Phương trình:
b) Cao su buna-S, buna-N
- Trùng hợp buta-1,3-diene với styrene được cao su buna-S.
- Trùng hợp buta-1,3-diene với acrylonitrile được cao su buna-N.
- Phương trình tổng quát:
c) Cao su isoprene
- Trùng hợp isoprene có mặt xúc tác.
- Phương trình:
d) Cao su chloroprene
- Trùng hợp chloroprene có mặt xúc tác.
- Phương trình:
- Đặc điểm của cao su tổng hợp: độ đàn hồi tốt, độ bền cao, khả năng chống lão hóa tốt, giá thành thấp.
- Ứng dụng của cao su tổng hợp: dùng trong lĩnh vực xây dựng, giao thông (lốp xe, đệm chống va đập, gối cầu, khe co giãn), máy móc công nghiệp (băng tải, dây truyền động,...), y tế (găng tay nitrile),...
V. KEO DÁN TỔNG HỢP
1. Khái niệm
- Keo dán: loại vật liệu có khả năng kết dính bề mặt của hai vật liệu rắn với nhau, không làm biến đổi bản chất của vật liệu được kết dính.
- Bản chất kết dính của keo dán: tạo lớp màng bám chắc vào hai mảnh vật liệu giúp chúng kết dính lại được với nhau.
2. Một số loại keo dán thông dụng
a) Nhựa vá săm
- Khái niệm: dung dịch dạng keo của cao su được hòa tan trong các dung môi hữu cơ (xăng, toluene, xylene,…).
- Ứng dụng: vá chỗ thủng của săm hoặc lốp.
b) Keo dán epoxy
- Thành phần:
+ Thành phần chính có cấu tạo là hợp chất hữu có chứa hai nhóm epoxy ở hai đầu.
+ Thành phần thứ hai là chất đóng rắn, thường là các amine.
- Cách sử dụng: trộn hai thành phần với nhau.
- Nguyên lí hoạt động: các nhóm amine sẽ phản ứng với nhóm epoxy tạo polymer mạng không gian gắn kết hai bề mặt vật cần dán lại.
- Ứng dụng: dán các vật liệu kim loại, gỗ, thủy tinh, chất dẻo, bê tông,… trong sản xuất ô tô, máy bay, xây dựng và đời sống hàng ngày.
c) Keo dán poly(urea-formaldehyde)
- Cách điều chế: từ phản ứng của urea và formaldehyde.
- Cách sử dụng: khi sử dụng cần bổ sung thêm chất đóng rắn như ammonium chloride, oxalic acid,… để tạo polymer mạng không gian.
- Ứng dụng: làm chất kết dính gỗ trong ván ép, chất dẻo,….