Tài liệu VẬT LIỆU POLIMER

VẬT LIỆU POLIME
A.ĐẠI CƯƠNG VỀ POLIME.
I. POLIME.

1. Khái niệm
Polime là những hợp chất có phân tử khối rất lớn do nhiều đơn vị nhỏ (gọi là mắt
xích) liên kết với nhau.Ví dụ:

do các mắt xích –NH –[CH2]6 –CO– liên kết với nhau tạo nên Hệ số n được gọi là hệ số
polime hóa hay độ polime hóa. Các phân tử tạo nên từng mắt xích của polime được
gọi là monome
2. Phân loại

Có nhiều cách phân loại polime: theo nguồn gốc hình thành, theo cấu trúc mạch
phân tử, theo tính chịu nhiệt, theo độ phân cực, theo lĩnh vực sử dụng. Cách phân
loại theo lĩnh vực phổ biến nhất, theo cách này polime được chia thành các nhóm
như: chất dẻo, sợi, elastome, sơn, keo.
a) Theo nguồn gốc:

Thiên nhiên

Tổng hợp

-Có nguồn gốc từ thiên
nhiên.

-Do con người tổng hợp
nên.

-Ví dụ: xenlulozo, tinh bột

-Ví dụ: polietilen,
poli(vinylclorua),…

b) Theo cách tổng hợp:

Nhân tạo (bán tổng hợp)
-Lấy polime thiên nhiên và
chế hóa thành polime mới
-Ví dụ: tơ axetat, tơ visco


c) Theo cấu trúc: (xem phần II)
3. Danh pháp
- Poli + tên của monone (nếu tên monome gồm 2 từ trở lên hoặc từ hai monome tạo
nên polime thì tên của monome phải để ở trong ngoặc đơn)
- Một số polime có tên riêng (tên thông thường).
Ví Dụ:

II – CẤU TRÚC
1. Các dạng cấu trúc mạch polime
a) Mạch không phân nhánh. Ví dụ: polietilen, amilozơ…
b) Mạch phân nhánh. Ví dụ: amilopectin, glicogen…
c) Mạch mạng lưới. Ví dụ: cao su lưu hóa, nhựa bakelit…
2. Cấu tạo điều hòa và không điều hòa
a) Cấu tạo điều hòa: các mắt xích nối nhau theo một trật tự nhất định (chẳng han theo
kiểu đầu nối đuôi). Ví dụ:

b) Cấu tạo không điều hòa: các mắt xích nối với nhau không theo trật tự nhất định
(chẳng hạn theo kiểu đầu nối đầu, chỗ thì đầu nối với đuôi). Ví dụ:

III – TÍNH CHẤT VẬT LÍ
Hầu hết polime là chất rắn, không bay hơi, không có nhiệt độ nóng chảy xác định,
một số tan trong các dung môi hữu cơ. Đa số polime có tính dẻo, một số polime có tính
đàn hồi, một số có tính dai, bền, có thể kéo thành sợi
IV – TÍNH CHẤT HÓA HỌC
1. Phản ứng giữ nguyên mạch polime
a) Poli(vinyl axetat) (PVA) tác dụng với dung dịch NaOH:

b) Cao su thiên nhiên tác dụng với HCl:

Cao su hiđroclo hóa
c) Poli(vinyl clorua) (PVC) tác dụng với Cl2: (giả sử cứ 2 mắt xích thế 1 nguyên tử clo)

Tơ clorin
2. Phản ứng phân cắt mạch polime
a) Phản ứng thủy phân polieste:


b) Phản ứng thủy phân polipeptit hoặc poliamit:
Nilon – 6
c) Phản ứng thủy phân tinh bột, xenlulozơ
Tinh Bột + H_2O --^{H^+,t^0}-----> 2Glu
xenlulozo + H_2O --^{H^+,t^0}-----> 2Glu
d) Phản ứng nhiệt phân polistiren .

3. Phản ứng khâu mạch polime.
a) Sự lưu hóa cao su:
Khi hấp nóng cao su thô với lưu huỳnh thì thu được cao su lưu hóa. Ở cao su lưu
hóa, các mạch polime được nối với nhau bởi các cầu –S–S– (cầu đisunfua)

b) Nhựa rezit (nhựa bakelit):
Khi đun nóng nhựa rezol thu được nhựa rezit, trong đó các mạch polime được
khâu với nhau bởi các nhóm –CH2– (nhóm metylen)


Polime khâu mạch có cấu trúc mạng không gian do đó trở nên khó nóng chảy, khó
tan và bền hơn so với polime chưa khâu mạch.
V – ĐIỀU CHẾ
Có thể điều chế polime bằng phản ứng trùng hợp hoặc trùng ngưng
1. Phản ứng trùng hợp
a) Khái niệm:
- Trùng hợp là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monome), giống nhau hay
tương tự nhau thành phân tử rất lớn (polime)
- Điều kiện cần về cấu tạo của monome tham gia phản ứng trùng hợp phải có là:
+ Liên kết bội. Ví dụ: CH2 = CH2, CH2 = CH–C6H5
+ Hoặc vòng kém bền: Ví dụ:

b) Phân loại:
- Trùng hợp chỉ từ một loại monome tạo homopolime. Ví dụ:

- Trùng hợp mở vòng. Ví dụ:

Nilon – 6 (tơ


capron)
- Trùng hợp từ hai hay nhiều loại monome (gọi là đồng trùng hợp) tạo copolime. Ví
dụ:

Poli(butađien –
stiren) (cao su buna – S)
2. Phản ứng trùng ngưng
a) Khái niệm:
- Trùng ngưng là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monome) thành phân tử lớn
(polime) đồng thời giải phóng những phân tử nhỏ khác (như H 2O)
- Điều kiện cần để có phản ứng trùng ngưng là: các monome tham gia phản ứng
trùng ngưng phải có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng để tạo được liên kết
với nhau
b) Một số phản ứng trùng ngưng:

axit ε-aminocaproic

axit ω-aminoenantoic

Nilon – 6 (tơ capron)

Nilon – 7 (tơ enan)


Nhựa rezol

B. VẬT LIỆU POLIME.
I – CHẤT DẺO
1. Khái niệm
- Chất dẻo là những vật liệu polime có tính dẻo
- Tính dẻo là tính bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt, áp lực bên ngoài và vẫn giữ
nguyên được sự biến dạng đó khi thôi tác dụng
- Có một số chất dẻo chỉ chứa polime song đa số chất dẻo có chứa thành phần khác
ngoài polime bao gồm chất độn (như muội than, cao lanh, mùn cưa, bột amiăng, sợi

thủy tinh…làm tăng một số tính năng cần thiết của chất dẻo và hạ giá thành sản phẩm)
và chất dẻo hóa (làm tăng tính dẻo và dễ gia công hơn)
•

Chất dẻo nhiệt dẻo:
Các chất dẻo nhiệt dẻo có cấu trúc mạch thẳng hoặc mạch nhánh có độ mềm
dẻo cao, khả nawngchiuj lực nhỏ, được sử dụng dưới dạng các tấm trong suốt,
ống. màng mỏng. Nhiệt độ sử dụng của các sản phẩm bằng chất dẻo nhiệt dẻo
thấp khoảng 60 đến 70 độ C. các chất dẻo nhiệt dẻo bao gồm polyetylen(PE);
polystyrene(PS); polypropylene(PP); polyamit(PA); polycacbonat(PC);
polyvinilcloric(PVC); polyester(PTE); polymetylmetacrilat(PMMA)…..dùng làm vật
liệu phủ chống ăn mòn các vanoongs đệm chịu hóa chất, ổ trượt, bánh răng, vỏ
bọc dây cáp điện, đĩa CD…..


•

Chất dẻo nhiệt rắn:
Được chế tạo từ các chất liên kết là các polyme mạch thẳng và chất đông cứng,
chất hóa dẻo, chất độn, chất xúc tác,dung môi. Chất dẻo nhiêt rắn khi đông cứng
có độ bền cao hơn chất dẻo nhiệt dẻo, tính chịu nhiệt cao, tính cách điện tốt.
Cac chất dẻo nhiệt rắn bao gồm nhóm epoxy, phenolformaldehtd,
ureformaldehyd. Polyester, silicon, thường dung làm vật liệu đúc, keo dán, sơn,
vật liệu composite, keo dán gỗ, sơn cách nhiệt, vật liệu chống dính.

2. Một số polime dùng làm chất dẻo
a) Polietilen (PE)

PE là chất dẻo mềm, được dùng làm màng mỏng, bình chứa, túi đựng…
b) Poli(vinyl clorua) (PVC)

PVC là chất dẻo cứng, cách điện tốt, bền với axit, được dùng làm vật liệu điện, ống dẫn
nước, da giả…
c) Poli(metyl metacrylat) (thủy tinh hữu cơ PEXIGLAS)

Poli(metyl metacrylat) là chất dẻo cứng, trong suốt, không vỡ…nên được gọi là thủy
tinh hữu cơ. Dùng để chế tạo kính máy bay, ô tô, kính bảo hiểm, dùng làm răng giả…


d) Poli(phenol – fomanđehit) (PPF) (xem thêm bài đại cương về polime) PPF có ba
dạng: nhựa novolac, nhựa rezol, nhựa rezit
Nhựa novolac:
- Đun nóng hỗn hợp fomanđehit và phenol lấy dư với xúc tác axit được nhựa
novolac mạch không phân nhánh (cầu nối metylen –CH 2– có thể ở vị
trí ortho hoặc para)
- Nhựa nhiệt dẻo, dễ nóng chảy, tan trong một số dung môi hữu cơ, dùng để sản
xuất vecni, sơn…
Nhựa rezol:
- Đun nóng hỗn hợp phenol và fomanđehit theo tỉ lệ mol 1 : 1,2 có xúc tác kiềm.
Nhựa rezol không phân nhánh, một số nhân phenol có gắn nhóm –CH 2OH ở vị trí số 4
hoặc 2
- Nhựa nhiệt rắn, dễ nóng chảy, tan trong nhiều dung môi hữu cơ dùng để sản
xuất sơn, keo, nhựa rezit
Nhựa rezit (nhựa bakelit):
- Đun nóng nhựa rezol ở 150oC được nhựa rezit (hay nhựa bakelit) có cấu trúc
mạng lưới không gian
- Không nóng chảy, không tan trong nhiều dung môi hữu cơ, dùng sản xuất đồ
điện, vỏ máy…
3. Khái niệm về vật liệu compozit
Khi trộn polime với chất độn thích hợp thu được vật liệu mới có độ bền, độ chịu

nhiệt…tăng lên so với polime thành phẩm. Đó là vật liệu compozit
- Chất nền (polime): có thể dùng nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn
- Chất độn: phân tán (nhưng không tan) vào polime. Chất độn có thể là: sợi (bông,
đay, amiăng, sợi thủy tinh…) hoặc chất bột (silicat, bột nhẹ (CaCO 3), bột tan
(3MgO.4SiO2.2H2O))…
II – TƠ
1. Khái niệm
Tơ là những vật liệu polime hình sợi dài và mảnh với độ bền nhất định


2. Phân loại

3. Một số loại tơ tổng hợp thường gặp
a) Tơ poliamit (có nhiều nhóm amit –CO–NH–)

b) Tơ polieste (có nhiều nhóm este)

c) Tơ vinylic (có nhiều nhóm polivinyl)


III – CAO SU
1. Khái niệm
- Cao su là vật liệu polime 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 (polime của isopren)
a) Cấu trúc:
- Công thức cấu tạo

:

n = 1500 – 15000

- Tất cả các mắt xích isopren đều có cấu hình cis như sau:

b) Tính chất và ứng dụng:
- Cao su thiên nhiên lấy từ mủ cây cao su, đàn hồi tốt (nhờ cấu trúc cis điều hòa),
không dẫn nhiệt và điện, không thấm khí và nước, không tan trong nước, etanol…
nhưng tan trong xăng và benzen
- Cao su thiên nhiên cho phản ứng cộng H 2, Cl2, HCl,… đặc biệt là cộng lưu huỳnh tạo
cao su lưu hoá có tính đàn hồi, chịu nhiệt, lâu mòn, khó tan trong dung môi hơn cao su
không lưu hóa.
3. Cao su tổng hợp


a) Cao su buna, cao su buna –S và cao su buna –N :

- Cao su buna có tính đàn hồi và độ bền kém cao su thiên nhiên. Khi dùng buta-1,3đien ở 10oC, polime sinh ra chứa 77% đơn vị trans-1,4 và 7% đơn vị cis-1,4 (còn lại là
sản phẩm trùng hợp 1,2). Còn ở 100oC sinh ra polime chứa 56% đơn vị trans-1,4 và
25% đơn vị cis-1,4 (còn lại là sản phẩm trùng hợp 1,2)

Cao
su buna – S
- Cao su buna –S có tính đàn hồi cao

Ca
o su buna –N
- Cao su buna – N có tính chống dầu tốt
b) Cao su isopren

- Trùng hợp isopren có hệ xúc tác đặc biệt, ta được poliisopren gọi là cao su isopren,
cấu hình cis chiếm ≈ 94 %, gần giống cao su thiên nhiên

- Ngoài ra người ta còn sản xuất policloropren và polifloropren. Các polime này đều có
đặc tính đàn hồi nên được gọi là cao su cloropren và cao su floropren. Chúng bền với
dầu mỡ hơn cao su isopren

4.Eslatome.
Là nhóm sản phẩm polime có tính đàn hồi cao cả cao su có tên khoa học chung lả
electome. Electome có cấu trúc mạch lưới thưa được hình thành bởi quá trình lưu hóa.
Electome có nhiều loại như cao su thiên nhiên, cao su divynyl, cao su polyizopren,
cao su etylenpropylen, cao su silicon.
Thông dụng nhất là loại cao su polyizopren tự nhiên thường được sử dụng để chế
tạo vỏ ruột xe.


Cao su tổng hợp quan trọng nhất là styrene butadien (SBR) dùng làm vỏ ruột xe oto
vì có cơ tính cao, chịu mài mòn tốt, chịu ma sát.
Cao su silicon là loại cao su đặc biệt có tính chịu nhiệt độ, cách điện tốt dung làm
sơn chịu nhiệt, chất trám đường ống trong công nghiệp thực phẩm, gioăng kính.
IV – KEO DÁN
1. Khái niệm
Keo dán là vật liệu polime 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
2. Phân loại
a) Theo bản chất hóa hoc:
- Keo vô cơ (thủy tinh lỏng)
- Keo hữu cơ (hồ tinh bột, keo epoxi)
b) Dạng keo:
- Keo lỏng (hồ tinh bột)

- Keo nhựa dẻo (matit)
- Keo dán dạng bột hay bản mỏng
3. Một số loại keo dán tổng hợp thông dụng
a) Keo dán epoxi: gồm 2 hợp phần:
- Polime làm keo có chứa hai nhóm epoxi ở hai đầu
- Chất đóng rắn thường là các triamin như H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2
b) Keo dán ure – fomanđehit

Poli(ure –
fomanđehit)
4. Một số loại keo dán tự nhiên
a) Nhựa vá săm: là dung dịch dạng keo của cao su thiên nhiên trong dung môi hữu cơ
như toluen…
b) Keo hồ tinh bột: là dung dịch hồ tinh bột trong nước nóng, dùng làm keo dán giấy
V. SỢI.


Polime dùng làm sợi là loại có khả năng kéo thành sợi đến tỷ lệ 100:1 giữa chiều
dài và đường kính. Polime dùng làm sợi phải chịu lực cơ học tốt như: kéo căng, uốn,
mài mòn, xé, cách nhiệt, cách điện,ổn định với môi trường.
Các loại polime được dùng chế tạo sợi là poliamit, polyester, polyarcrylonitril,
polyuretal.
VI. MÀNG
Màng là vật polime phẳng, mỏng, có độ dày từ 0,125 đến 0,25 mm. Màng được sử
dụng làm túi, bao bì thực phẩm. được chế tạo từ các polime như: poletylen,
polypropylene. Đa số các màng được chế tạo bằng các đùn qua khe hẹp của
khuôn,sau đó cán qua trục để giảm chiều dày và tăng độ bền.
VII. CHẤT DẺO XỐP.
Là loại chất dẻo trong đó chứa rất nhiều các lỗ xốp. Người ta chế tạo chất dẻo xốp
bằng cách cho vào phối liệu một chất mà khi gia nhiệt nó giải phóng ra khí trong hỗn

hợp polime. Cũng có thể tạo chất dẻo xốp bằng cách phun khí trơ,CO 2, vào polime ở
trạng thái lỏng nhớt như PU, PS,PPC. Chất dẻo xốp dùng làm vật liệu nệm, tấm lót
cách nhiệt.
VIII. SƠN.
Sơn là hỗn hợp của nhiều chất bao gồm chất tạo màng (polime), bột màu và dung
môi. Vecni khác sơn ở chỗ trong hỗn hợp không có bột màu. Thông thường sơn được
phân loại theo bản chất tạo màng như: sowndaauf, sơn epoxy, sơn polyuretal, sơn
silicon.

C.GIA CÔNG POLYME.
I.Phối liệu.
Trong polymer thường có:
•

Các chất phụ gia như:
- Chất độn ( bột gỗ, bột talc, bột sét) với mục đích làm giảm giá thành.
- Các chất hóa dẻo: cho vào hỗn hợp polymer nhầm làm tăng độ mềm
dẻo, làm dễ dàng cho công nghệ tao hình.
- Chất ổn định: cho váo hỗn hợp polymer nhằm mục đích làm giảm hoặc
ức chế quá trình lão hóa của polymer ( amin, phenol, mồ hóng ).


Chất tạo màu: ZnO (màu trắng ); chì cromat ( màu vàng ); Fe2O3 ( màu
đỏ ); muội than ( màu đen ).
- Chất chống cháy: alumin, thiếc oxit, các muối photphat.
- Các chất phụ gia đặc biệt: dùng để lưu hóa, thong dụng nhất là lưu
huỳnh preoxit.
• Các chất tăng cường:
- Đây là những chất khi phối trộn với polymer sẽ có tác dụng cải thiện
một hoặc nhiều tính chất cơ lý của vật liệu polyme.

- Các chất tăng cường thường được sử dụng như: vải thủy tinh, bi thủy
tinh, bột graphit,mica dạng vảy, tấm amian hay bản than polyme cũng
làm chất tăng cường ( sợi Kevlar, sợi ABC).
-

II. Kỹ thuật gia công polymer.
1. Mục đích của kỹ thuật gia công polyme.

Trong những năm gần đây polymer (P) tổng hợp đã chiếm vai trò
chủ đạo trong công nghiệp. Với việc sản xuất được nhiều loại polymer
có tính chất hoá học, hoá lý thay đổi, có nhiều ứng dụng trong thực
tế, tổng hợp polymer đã trở thành hoạt động bậc nhất của
công nghiệp hoá học.
Cùng với sự phát triển polymer tổng hợp và nhân tạo rõ ràng là phần
phải phát triển song song một ngành biến đổi các vật liệu polymer
thành các sản phẩm sử dụng vào các việc cần thiết. Cho nên trong
lĩnh vực polymer cần phải phát triển đồng thời cả hai mặt là tìm ra
các vật liệu polymer mới và cải tiến hoặc đưa ra các phương pháp gia
công thích hợp với loại vật liệu và yêu cầu sử dụng. Khía cạnh thứ 2
này chính là các vấn đề mà môn kỹ thuật gia công polymer phải giải
quyết, đây cũng là một lĩnh vực quan trọng của công
nghiệp polymer. Trong những năm gần đây, số lượng loại polymer mới
tìm ra ít hơn so với những năm đầu tiên của sự phát triển của ngành.
Vì vậy, các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra các biện pháp sử dụng
hiệu quả các loại polymer hiện đang có.

2. Pương pháp tạo hình polymer.


Phương pháp tạo hình polymer phổ biến nhất đó là đúc, đúc bao gồm một

số phương pháp đúc sau đây:
-

-

-

Đúc ép: phôi liệu được cân đong chính xác đặt vào giữa hai nửa khuôn
được nung nóng ép ở áp lực và nhiệt độ xác định, vật liệu nóng chảy ra và
điền kín long khuôn.
Đúc trao đổi: là dạng đúc ép nhưng phối liệu dược nung chảy bên ngoài
khuôn rồi được phun vào hộp khuôn nên áp lực được phân bố đều hơn.
Đúc phun: phối phôi liệu được cân đong chính xác và được một pixton đẩy
tiếp qua khe vào khuôn. Áp lực trong suốt quá trình được duy trì cho tới
khi polyme rắn lại.
Đúc đùn: đây là phương pháp chế tạo các sản phẩm dài, có kích thước
không đổi như thanh ống, sợi.
Đúc thổi: đây là phương pháp chế tạo các bình chai polyme.
Đúc khuôn: polyme nóng chảy được đổ vào khuôn như dúc kim loại.