Hoá học polime
Cao su, chất dẻo, tơ sợi
Liên hệ cấu trúc mạch polime và lực tương tác giữa các mạch với tính chất khác nhau của cao su, chất dẻo và tơ sợi; tìm hiểu ví dụ tổng hợp, gia công và ứng dụng.
Trực giácMột họ phân tử dài, nhiều vật liệu hữu ích
Polime là tập hợp các phân tử dài, không phải một vật thể cứng duy nhất. Mạch trượt tương đối có thể tạo chất dẻo mềm; mạch nối với nhau tại một số điểm thưa có thể co hồi như cao su; mạch định hướng và hút nhau mạnh có thể tạo sợi bền.
Phổ thôngCấu trúc, tính chất và các loại vật liệu
Định nghĩa: Elastomer (cao su)
Polime có thể biến dạng lớn và phần lớn hồi phục. Mạch mềm duỗi ra khi chịu tải rồi cuộn lại khi bỏ tải; mạng liên kết ngang thưa ngăn vật liệu chảy không hồi phục.
Định nghĩa: Nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn
Nhựa nhiệt dẻo mềm khi đun nóng và thường có thể tạo hình lại vì các mạch không bị nối thành mạng cộng hoá trị vĩnh viễn. Nhựa nhiệt rắn đóng rắn thành mạng không nóng chảy lại; đun quá mức cuối cùng gây phân huỷ hoá học.
| Loại | Cấu trúc mạch và ứng xử điển hình |
|---|---|
| Elastomer | Mạch mềm, liên kết ngang thưa; kéo giãn lớn và hồi phục |
| Nhựa nhiệt dẻo | Mạch thẳng hoặc phân nhánh; mềm và chảy khi nóng |
| Nhựa nhiệt rắn | Mạng cộng hoá trị; cứng, không nóng chảy lại |
| Tơ sợi | Mạch dài định hướng dọc trục sợi; độ bền kéo cao |
Các tên gọi mô tả những khía cạnh khác nhau: nhiệt dẻo/nhiệt rắn nói về đáp ứng nhiệt và cấu trúc mạng; elastomer nói về cơ tính; tơ sợi nói về hình dạng và định hướng. Một vật liệu có thể thuộc nhiều mô tả.
Trong phản ứng trùng hợp cộng, liên kết C=C mở ra và các đơn vị monome nối với nhau mà không tách phân tử nhỏ. Polietilen có mắt xích –CH₂–CH₂–; chiều dài mạch, độ phân nhánh và độ kết tinh ảnh hưởng mạnh đến tính chất.
Ví dụ: Ước tính độ trùng hợp đơn giản
Một mạch polietilen lý tưởng có khối lượng mol 28 000 g mol⁻¹. Ước tính số mắt xích etilen, lấy 28,0 g mol⁻¹ cho mỗi mắt xích –CH₂–CH₂– và bỏ qua nhóm cuối mạch.
Lời giải
Số mắt xích xấp xỉ 28 000 ÷ 28,0 = 1 000. Vậy độ trùng hợp khoảng 10³; mẫu thực có phân bố chiều dài mạch.
Định nghĩa: Cao su thiên nhiên và lưu hoá
Cao su thiên nhiên chủ yếu là cis-1,4-poliisopren. Lưu hoá bằng lưu huỳnh tạo liên kết ngang giữa các mạch. Quá ít liên kết gây biến dạng chậm và dính; quá nhiều hạn chế chuyển động mạch, làm cao su cứng và kém giãn.
Độ bền sợi không chỉ phụ thuộc bản chất polime: kéo định hướng làm thẳng hàng mạch, còn lực hút liên phân tử và độ kết tinh giúp truyền tải trọng. Nilon và polieste là sợi tổng hợp; xenlulozơ tái sinh được tạo bằng xử lý xenlulozơ, không phải trùng hợp monome mới.
Tài liệu tham khảo
- Textbook of Polymer Science, 3rd Edition · Fred W. Billmeyer, Jr., 1984