VẬT LIỆU POLIME
A. LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM
I. CHẤT DẺO
1. Khái niệm
Chất dẻo là những vật liệu polime có tính dẻo.
Thành phần cơ bản của chất dẻo là polime. Ngoài ra còn có các thành phần phụ thêm : chất dẻo hoá, chất độn để tăng khối lượng của chất dẻo, chất màu, chất hoá rắn, chất ổn định,...
2. Một số polime dùng làm chất dẻo
a) Polietilen (PE)
PE là chất dẻo mềm, nóng chảy ở nhiệt độ lớn hơn 1100C, có tính trơ tương đối của ankan mạch dài, được dùng làm màng mỏng, bình chứa, túi đựng,…
b) Poli(vinyl clorua), (PVC)
PVC là chất vô định hình, cách điện tốt, bền với axit, được dùng làm vật liệu điện, ống dẫn nước, vải che mưa, da giả,..
c) Poli(metyl metacrylat)
Poli(metyl metacrylat) được điều chế từ metyl metacrylat bằng phản ứng trùng hợp :
Poli(metyl metacrylat) có đặc tính trong suốt cho ánh sáng truyền qua tốt (trên 90%) nên được dùng để chế tạo thuỷ tinh hữu cơ plexiglas.
d) Poli(phenol-fomanđehit) (PPF)
PPF có 3 dạng : nhựa novolac, nhựa rezol, nhựa rezit.
Nhựa novolac : Đem đun nóng hỗn hợp fomanđehit và phenol lấy dư, xúc tác axit được nhựa novolac (mạch không phân nhánh).
Nhựa novolac là chất rắn, dễ nóng chảy, dễ tan trong một số dung môi hữu cơ, dùng để sản xuất bột ép, sơn,...
Nhựa rezol : Đun nóng hỗn hợp phenol và fomanđehit theo tỉ lệ mol 1: 1,2 có xúc tác là kiềm ta được nhựa rezol (mạch không phân nhánh), nhưng có một số nhóm -CH2OH ở vị trí số 4 hoặc 2 của nhân phenol còn tự do.
Nhựa rezit : Khi đun nóng nhựa rezol ở nhiệt độ 1500C thu được nhựa có cấu trúc mạng lưới không gian gọi là nhựa rezit hay còn gọi là bakelit. Nhựa rezit không nóng chảy, không tan trong nhiều dung môi hữu cơ. Để chế tạo đồ vật, người ta trộn với phụ gia ngay trong khuôn rồi đun nóng đến 150oC. Khi nguội sẽ thu được đồ vật với hình dạng định sẵn.
3. Khái niệm về vật liệu compozit
Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp gồm polime làm nhựa nền và các vật liệu vô cơ và hữu cơ khác.
Thành phần của vật liệu compozit gồm chất nền là polime và chất độn, ngoài ra còn các chất phụ gia khác. Chất độn phân tán vào chất nền nhưng chúng không hoà tan vào nhau.
Các chất nền có thể là nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn. Chất độn có thể là chất sợi (bông, đay, sợi poliamit, amiăng, sợi thuỷ tinh,…) hoặc bột (silicat, bột nhẹ (CaCO3), bột “tan”(3MgO.4SiO2.2H2O)),...
Trong vật liệu compozit, polime và chất độn tương hợp tốt với nhau làm tăng tính rắn, bền, chịu nhiệt của vật liệu.
II. TƠ TỔNG HỢP VÀ TƠ NHÂN TẠO
1. Khái niệm
Tơ là những vật liệu polime hình sợi dài và mảnh với độ bền nhất định.
Trong tơ, những phân tử polime có mạch không phân nhánh sắp xếp song song với nhau. Polime đó phải rắn, tương đối bền với nhiệt, với các dung môi thông thường, mềm, dai, không độc và có khả năng nhuộm màu.
2. Phân loại
Tơ được chia thành 2 loại :
a) Tơ thiên nhiên (sẵn có trong thiên nhiên) như bông, len, tơ tằm.
b) Tơ hoá học (chế tạo bằng phương pháp hoá học) : được chia làm hai nhóm
- Tơ tổng hợp (chế tạo từ các polime tổng hợp) như các tơ poliamit (nilon, capron), tơ polivinyl thế (vinilon).
- Tơ bán tổng hợp hay tơ nhân tạo (xuất phát từ polime thiên nhiên nhưng được chế biến thêm bằng phương pháp hóa học) như tơ visco, tơ xenlulozơ axetat,...
3. Một số loại tơ tổng hợp thường gặp
a) Tơ nilon-6,6
Tơ nilon-6,6 thuộc loại tơ poliamit vì các mắt xích nối với nhau bằng các nhóm amit -CO-NH-. Nilon-6,6 được điều chế từ hexametylen điamin NH2[CH2]6NH2 và axit ađipic (axit hexanđioic):
Tơ nilon-6,6 có tính dai bền, mềm mại óng mượt, ít thấm nước, giặt mau khô nhưng kém bền với nhiệt, với axit và kiềm.
Tơ nilon-6,6 cũng như nhiều loại tơ poliamit khác được dùng để dệt vải may mặc, vải lót săm lốp xe, dệt bít tất, bện làm dây cáp, dây dù, đan lưới,...
b) Tơ lapsan
Tơ lapsan thuộc loại tơ polieste được tổng hợp từ axit terephtalic và etylen glicol. Tơ lapsan rất bền về mặt cơ học, bền đối với nhiệt hơn nilon, bền với axit, với kiềm, được dùng để dệt vải may mặc.
c) Tơ nitron (hay olon)
Tơ nitron thuộc loại tơ vinylic được tổng hợp từ vinyl xianua (hay acrilonitrin) nên được gọi là poliacrilonitrin :
Tơ nitron dai, bền với nhiệt và giữ nhiệt tốt nên thường được dùng để dệt vải may quần áo ấm hoặc bện thành sợi “len” đan áo rét.
III. CAO SU THIÊN NHIÊN VÀ CAO SU TỔNG HỢP
1. Khái niệm
Kéo căng sợi dây cao su rồi buông tay ra, sợi dây trở lại với kích thước cũ, người ta nói : cao su 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.
Cao su là vật liệu polime có tính đàn hồi.
Có hai loại cao su : Cao su thiên nhiên và cao su tổng hợp.
2. Cao su thiên nhiên
Cao su thiên nhiên là polime của isopren:
Cao su thiên nhiên có tính chất đàn hồi, không dẫn nhiệt và điện, không thấm khí và nước, không tan trong nước, etanol, axeton,... nhưng tan trong xăng và benzen.
Do có liên kết đôi trong phân tử polime, cao su thiên nhiên có thể tham gia các phản ứng cộng H2, HCl, Cl2,... và đặc biệt có tác dụng với lưu huỳnh cho cao su lưu hoá. Cao su lưu hoá có tính đàn hồi, chịu nhiệt, lâu mòn, khó tan trong dung môi hơn cao su không lưu hoá.
Bản chất của quá trình lưu hoá (đun nóng ở 1500C hỗn hợp cao su và lưu huỳnh với tỉ lệ khoảng 97:3 về khối lượng) là tạo ra cầu nối -S-S- giữa các mạch phân tử cao su làm cho chúng trở thành mạng không gian (hình 4.4). Kĩ thuật lưu hoá cao su do Sac-lơ Gut-ia (Charles Goodyear - người Mĩ, 1800 - 1860) phát minh ra.
Cao su có tính đàn hồi vì mạch phân tử có cấu hình cis, có độ gập khúc lớn. Bình thường, các mạch phân tử này xoắn lại hoặc cuộn lại vô trật tự. Khi bị kéo căng, các mạch phân tử cao su duỗi ra có trật tự hơn theo chiều kéo. Khi buông ra các mạch phân tử lại trở về hình dạng ban đầu.
Sơ đồ lưu hoá cao su
3. Cao su tổng hợp
Cao su tổng hợp là loại vật liệu polime tương tự cao su thiên nhiên, thường được điều chế từ các ankađien bằng phản ứng trùng hợp.
Có nhiều loại cao su tổng hợp, trong đó có một số loại thông dụng sau đây :
a) Cao su buna
Cao su buna chính là polibutađien tổng hợp bằng phản ứng trùng hợp
buta-1,3-đien có mặt Na :
Cao su buna có tính đàn hồi và độ bền kém cao su thiên nhiên.
Khi đồng trùng hợp buta-1,3-đien với stiren C6H5CH=CH2 có mặt Na, ta được cao su buna-S có tính đàn hồi cao ; đồng trùng hợp buta-1,3-đien với acrilonitrin CH2=CH-CN có mặt Na được cao su buna-N có tính chống dầu cao.
b) Cao su isopren
Khi trùng hợp isopren có hệ xúc tác đặc biệt, ta được poliisopren :
Tương tự, người ta còn sản xuất policloropren
từ các monome tương ứng. Các polime này đều có đặc tính riêng biệt.
VI. KEO DÁN
1. Khái niệm
Keo dán (keo dán tổng hợp hoặc keo dán tự nhiên) là loại vật liệu có khả năng kết dính hai mảnh vật liệu giống nhau hoặc khác nhau mà không làm biến đổi bản chất các vật liệu được kết dính.
Bản chất của keo dán là có thể tạo ra màng hết sức mỏng, bền vững (kết dính nội) và phải bám chắc vào hai mảnh vật liệu được dán (kết dính ngoại).
2. Phân loại
Có thể phân loại keo dán theo hai cách thông thường sau :
a) Theo bản chất hoá học, có keo dán hữu cơ như hồ tinh bột, keo epoxi... và keo dán vô cơ như thuỷ tinh lỏng, matit vô cơ (hỗn hợp dẻo của thuỷ tinh lỏng với các oxit kim loại như ZnO, MnO, Sb2O3,..).
b) Theo dạng keo, có keo lỏng (như dung dịch hồ tinh bột trong nước nóng, dung dịch cao su trong xăng,..), keo nhựa dẻo (như matit vô cơ, matit hữu cơ, bitum,..) và keo dán dạng bột hay bản mỏng (chảy ra ở nhiệt độ thích hợp và gắn kết hai mảnh vật liệu lại khi để nguội).
3. Một số loại keo dán tổng hợp thông dụng
a) Keo dán epoxi
Keo dán epoxi gồm hai hợp phần : hợp phần chính là hợp chất hữu cơ chứa hai nhóm epoxi ở hai đầu.
Thành phần thứ hai gọi là chất đóng rắn, thường là các “triamin” như : 
Khi cần dán mới trộn hai thành phần trên với nhau. Các nhóm amin sẽ phản ứng với các nhóm epoxi tạo ra polime mạng không gian bền chắc gắn kết hai vật cần dán lại.
Keo dán epoxi dùng để dán các vật liệu kim loại, gỗ, thuỷ tinh, chất dẻo trong các ngành sản xuất ôtô, máy bay, xây dựng và trong đời sống hàng ngày.
b) Keo dán ure-fomanđehit
Keo dán ure-fomanđehit được sản xuất từ poli(ure-fomanđehit). Poli(ure-fomanđehit) được điều chế từ ure và fomanđehit trong môi trường axit :
Khi dùng, phải thêm chất đóng rắn như axit oxalic HOOC-COOH, axit lactic CH3CH(OH)-COOH,... để tạo polime mạng không gian, rắn lại, bền với dầu mỡ và một số dung môi thông dụng. Keo ure-fomanđehit dùng để dán các vật liệu bằng gỗ, chất dẻo.
4. Một số loại keo dán tự nhiên
a) Nhựa vá săm
Nhựa vá săm là dung dịch dạng keo của cao su thiên nhiên trong dung môi hữu cơ như toluen, xilen,... dùng để nối hai đầu săm và vá chỗ thủng của săm. Hiện nay có nhiều loại nhựa vá săm là keo dán tổng hợp có chất lượng cao.
b) Keo hồ tinh bột
Trước kia người ta thường nấu tinh bột sắn hoặc tinh bột gạo nếp thành hồ tinh bột làm keo dán giấy. Keo hồ tinh bột hay bị thiu, mốc nên ngày nay người ta thay bằng keo dán tổng hợp.
B. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Bài 1 (trang 72 SGK Hoá học 12):
Kết luận nào sau đây không hoàn toàn đúng?
A. Cao su là những polime có tính đàn hồi.
B. Vật liệu compozit có thành phần chính là polime.
C. Nilon -6,6 thuộc loại tơ tổng hợp.
D. Tơ tằm thuộc loại tơ thiên nhiên.
Hướng dẫn giải:
Đáp án B.
Bài 2 (trang 72 SGK Hoá học 12):
Tơ tằm và nilon -6,6 đều :
A. Có cùng phân tử khối.
B. Thuộc loại tơ tổng hợp.
C. Thuộc loại tơ thiên nhiên.
D. Có chứa các loại nguyên tố giống nhau trong phân tử.
Hướng dẫn giải:
Đáp án D.
Bài 3 (trang 72 SGK Hoá học 12):
a. Có điểm gì giống nhau và khác nhau giữa các vật liệu polime : chất dẻo, tơ, cao su và keo dán.
b. Phân biệt chất dẻo và vật liệu compozit.
Hướng dẫn giải:
a. – Điểm chung : đều có cấu tạo từ các polime.
- Khác nhau : về mặt tính chất của các polime.
+ Chất dẻo : polime có tính dẻo.
+ Tơ : polime mảnh, sợi dài, có độ bền nhất định.
+ Cao su : polime có tính đàn hồi.
+ Keo dán : polime có khả nằng kết dính.
b. Phân biệt chất dẻo và vật liệu compozit.
- Chất dẻo là những vật liệu polime có tính dẻo.
- Vật liệu compozit là vật liệu hỗn hợp gồm ít nhất hai thành phần vật liệu phân tán vào nhau mà không tan vào nhau.
Bài 4 (trang 72 SGK Hoá học 12):
Viết các phương trình phản ứng hóa học của các phản ứng tổng hợp
A. PVC, poli(vinyl axetat) từ etilen.
B. Polibutađien và polime đồng trùng hợp giữa butadien và strien từ butan và etylbenzen.
Hướng dẫn giải:
A. PVC, poli(vinyl axetat) từ etilen.
- Điều chế PVC
- Điều chế poli vinyl axetat
B. Polibutađien và polime đồng trùng hợp giữa butadien và strien từ butan và etylbenzen.
- Điều chế polibutađien
-Điều chế polime đồng trùng hợp
Bài 5 (trang 73 SGK Hoá học 12):
Phân tử trung bình của poli(hexametylen adipamit) để chế tơ nilon -6,6 là 30 000, của cao su tự nhiên là 105 000. Hãy tính số mắt xích (trị số n) gần đúng trong công thức phân tử của mỗi loại polime trên.
Hướng dẫn giải:
Số mắt xích của poli(hexametylen adipamit) (NH –[CH2]6 –NH – CO- [CH2]4- CO)n là:
\[n=\frac{30000}{226}=132\] (mắt xích)
số mắt xích của cao su tự nhiên là:
\[n=\frac{105000}{68}=1544\] (mắt xích)
Bài 6 (trang 73 SGK Hoá học 12):
Cao su lưu hóa có 2% lưu huỳnh. Hãy tính xem có bao nhiêu mắt xích isopren có một cầu đi sunfua -S-S-, giả thiết rằng S đã thay thế cho H ở cầu metylen trong mạch cao su.
Hướng dẫn giải:
Mỗi cầu đi sunfua (-S-S-) có khối lượng 64 đvC; Mỗi monome isopren (C5H8) có khối lượng là 68. Mỗi cầu đi sunfua (-S-S-) thay 2H, nên tổng khối lượng đoạn mạch polime chứa một cầu đi sunfua là :
62 + 68n, trong đó thành phần S là 2%, ta có biểu thức :
\[\frac{64}{62+68n}=\frac{2}{100}\]=> \[n=\frac{6400-124}{68.2}=46\]
Có khoảng 46 mắt xích isopren chứa 1 cầu đi sunfua.
Gợi ý giải Hoá 12 Vật liệu polime, lý thuyết trọng tâm, giải bài tập sách giáo khoa bài Vật liệu polime do đội ngũ giáo viên ican trực tiếp biên soạn.