Bài 9. Vật liệu Polymer

I. Chất dẻo

1. Khái niệm

2. Một số polymer được dùng làm chất dẻo

- Một số polymer được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp từ các monomer tương ứng.

3. Ứng dụng của chất dẻo

Chất dẻo có nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất:

- Chất dẻo được sử dụng để sản xuất bao bì đóng gói, sản xuất đồ gia dụng hằng ngày (bàn ghế, tủ quần áo, văn phòng phẩm...).

- Chất dẻo được dùng để sản xuất đồ nội thất và ngoại thất (cửa sổ, đường ống, dây cáp, thảm trải sàn, vật liệu cách nhiệt,...) trong xây dựng.

- Trong lĩnh vực điện và điện tử, chất dẻo được sử dụng để sản xuất vỏ bọc dây điện, bảng điện, các thiết bị âm thanh, nghe nhìn, máy tính, điện thoại,...

- Trong ngành y tế, chất dẻo được sử dụng để sản xuất các thiết bị y tế, các loại mắt kính,...

4. Tác hại của việc lạm dụng chất dẻo

Việc lạm dụng nhựa dẫn đến lượng khổng lồ rác thải nhựa được thải ra môi trường. Nếu không xử lí đúng cách sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường.

- Khi đốt, rác thải nhựa sẽ sinh ra chất độc, gây ô nhiễm không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người,...

- Khi chôn lấp, rác thải nhựa sẽ làm cho đất bị ô nhiễm, làm giảm chất lượng đất và ngăn cản quá trình khí oxygen đi vào đất, gây tác động xấu đến sự sinh trưởng của cây trồng.

- Rác thải nhựa gây ô nhiễm nguồn nước, có thể làm chết các sinh vật trong nước.

- Quá trình phân huỷ nhiều loại rác thải nhựa có thể kéo dài hàng trăm năm (khó phân huỷ sinh học).

5. Một số biện pháp hạn chế sử dụng chất dẻo

- Hạn chế sử dụng các vật dụng làm bằng chất dẻo. Tăng cường sử dụng vật dụng bằng inox hoặc thủy tinh thay thế cho vật dụng sử dụng một lần. Nên sử dụng đồ vật từ sản phẩm thiên nhiên, thân thiện với môi trường.

- Tái chế và tái sử dụng các sản phẩm làm từ 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 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 thủy tinh, sợi hữu cơ, sợi carbon, vải,...) và dạng cốt hạt.

- Vật liệu nền có thể là nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn. Nó đóng vai trò đảm bảo cho các thành phần cốt của composite liên kết với nhau nhằm tạo tính thống nhất cho vật liệu composite. 

2. Ứng dụng của một số composite

Tính chất: Nhẹ và có độ bền cao. Ứng dụng: Làm vật liệu chế tạo các bộ phận quan trọng trong lĩnh vực hàng không, vũ trụ, ô tô, thiết bị và dụng cụ thể thao,...

Tính chất: Nhẹ, độ cứng và độ uốn, kéo tốt, độ bền cơ học cao, cách điện tốt, bền với môi trường. Ứng dụng: Làm vật liệu chế tạo các bộ phận trong thiết bị hàng không (giá để hành lí, vách ngăn, thùng chứa, ống dẫn), đóng tàu, thuyền,...

Tính chất: Nhẹ, độ bền cao, cách điện và cách nhiệt tốt, dễ tạo hình và phối màu. Ứng dụng: Làm tấm ốp trang trí nhà, làm cánh cửa, ván lát sàn,...

III. Tơ

1. Khái niệm và phân loại

a) Khái niệm

- Tơ là những vật liệu polymer hình sợi dài 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 loại tơ này có tính chất đặc trưng như mềm, dai, không độc, tương đối bền với các dung môi thông thường và có khả năng nhuộm màu.

b) Phân loại

Dựa vào nguồn gốc và quy trình chế tạo, tơ được chia thành 3 loại:

- Tơ tự nhiên là tơ có sẵn trong thiên nhiên như bông, len lông cừu, tơ tằm,...

- Tơ tổng hợp là tơ được chế tạo từ polymer tổng hợp như polyamide (nylon, capron,...).

- Tơ bán tổng hợp là tơ xuất phát từ nguồn thiên nhiên nhưng được chế biến thêm bằng phương pháp hóa học (như tơ visco, tơ cellulose acetate,...).

2. Một số loại tơ thường gặp

a) Tơ tự nhiên

b) Tơ tổng hợp

Tơ nylon-6,6: 

- Thuộc loại tơ polyamide.

- Tính chất: 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: 

- Thuộc loại polyamide.

- Tính chất: 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): 

- Thuộc loại vinylic.

- Tính chất: dai, bền với nhiệt và giữ nhiệt tốt.

- Ứng dụng: dệt vải dùng để may áo ấm, bện thành len đan áo rét.

Tơ visco

- Thành phần chính là cellulose đã được xử lí hóa chất.

- Tính 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.

- Tính chất: 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 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 thiên nhiên và cao su tổng hợp.

2. Cao su thiên nhiên

Cao su tự nhiên được lấy từ mủ cây cao su. 

- Cao su tự nhiên có tính đàn hồi, không dẫn điện, không thấm khí và nước, không tan trong nước, ethanol,... nhưng tan trong xăng, benzene.

- 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,...${\mathrm{}}_{}$

- Cao su tác dụng với lưu huỳnh thu được cao su lưu hóa. Loại cao su này có cấu trúc mạng lưới không gian nên có các tính chất lí hóa nổi trội hơn so với cao su ban đầu,...

3. Cao su tổng hợp

Cao su buna có tính đàn hồi và độ bền kém hơn cao su thiên nhiên. Cao su buna được tổng hợp từ phản ứng trùng hợp: 

Cao su isoprene (polyisoprene) được sử dụng rộng rãi vì nó có tính đàn hồi tốt, độ bền cao, khả năng chống mài mòn và chịu nhiệt tốt. Đặc tính này làm cho nó trở thành một nguyên liệu quan trọng cho việc sản xuất các sản phẩm cao su như lốp xe, đệm giảm xóc, giày dép, dụng cụ thể thao, thiết bị y tế,... Cao su isoprene được điều chế bằng cách trùng hợp isoprene:

Cao su buna-S có tính đàn hồi cao, dùng để sản xuất lốp xe, đệm lót, đế giày, vật liệu chống thấm,... Cao su buna-S được điều chế bằng phản ứng trùng hợp:

Cao su buna-N có tính chống dầu tốt, được dùng để sản xuất găng tay cao su y tế, dây truyền động, ống, gioăng cao su sử dụng trong môi trường hóa chất,... Cao su buna-N được điều chế bằng phản ứng trùng hợp:

Cao su chloroprene có tính đàn hồi cao, bền với dầu mỡ, được dùng để bọc các ống thủy lực công nghiệp, ống nhún và đệm làm kín, làm đai truyền năng lượng. Cao su chloroprene (polychloroprene) được điều chế từ phản ứng trùng hợp chloroprene.

V. Keo dán

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

a) Nhựa vá săm

- Nhựa vá săm là dung dịch dạng keo của cao su được hòa tan trong các dung môi hữu cơ như xăng, toluene, xylene,... Nhựa vá săm được 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.

Ví dụ:

- Thành phần thứ hai gọi là chất đóng rắn, thường là các amine, chẳng hạn như H2​NCH2​CH2​NHCH2​CH2​NH2​.

Khi cần dán, 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 có ưu điểm là độ kết dính rất cao, chịu nhiệt, chịu dung môi, chịu nước tốt, rất dễ sử dụng nên được dùng để dán các vật liệu kim loại, gỗ, thủy tinh, chất dẻo, bê tông,...

c) Keo dán poly(urea-formaldehyde)

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

Keo dán poly(urea-formaldehyde) bền với dầu mỡ và các dung môi thông dụng, thấm nước kém nên được dùng làm chất kết dính trong gỗ ván ép, chất dẻo,...