Bài 17 Vật liệu polime

I- CHẤT DẺO

1. Khái niệm

Nếu hơ nóng một số đồ dùng bằng nhựa như nước, vỏ bút bi,...và uốn cong đi, rồi để nguội thì chúng vẫn giữ nguyên dạng uốn cong đó. Nếu uốn cong một thanh kim loại, tự nó không thẳng lại được. Tính chất đó được gọi là tính dẻo. Vậy: 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.

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 hóa,  chất độn để tăng khối lượng của chất dẻo, chất màu, 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 1100, 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 thủy tinh hữu cơ plexiglas

d) Poli (phenol - fomanđehit) (PPF)

PPF có 3 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):

Nhựa novolac là chất rắn, dễ nóng chảy, dễ 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 1:1,2 có xúc tác là kiềm ta được nhựa rezol (mạch không phân nhánh), nhưng có một số nhóm −CH₂OH còn tự do ở vị trí số 4 hoặc 2 của nhân phenol:

Nhựa rezol là chất rắn, dễ nóng chảy, tan trong nhiều dung môi hữu cơ dùng để sản xuất sơn, keo và nhựa rezit,...

Nhựa rezit: Khi đun nóng nhựa rezol ở nhiệt độ 150^oC 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 nhiều trong dung môi hữu cơ. Để chế tạo đồ vật, người ta trộn phụ gia ngay trong khuôn rì đun nóng đến 150^oC. Khi nguội sẽ thu được đồ vật với hình dạng định sẵn. Bằng cách đó người ta chế tạo ra được các vỏ máy, các dụng cụ cách điện,...

3. Khái niệm về vật liệu compozit

Khi tổ hợp polime với chất độn thích hợp có thể thu được một vật liệu mới có tính chất của polime và của chất độn, nhưng độ bền, độ chịu nhiệt,...của vật liệu tăng lên rất nhiều so với polime thành phần. Vật liệu ấy gọi là vật liệu compozit.

Vật liệu compozit là vật liệu compozit gồm chất nền là polime và chất độn, ngoài ra còn các chất phụ gia 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 hòa 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 thủy tinh,...) hoặc chất bột (silicat, bột nhẹ (CaCO3), bột "tan" (3MgO.4SiO_2.2H₂O)),...

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

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 hóa học (chế tạo bằng phương pháp hóa học): được chia làm hai nhóm

- Tơ tổng hợp (chế tạo từ các polime tổng hợp) như các tơ poliamit (nilon, capron), tơ vinylic (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 H₂N[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, axit, kiềm hơn nilon, 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 poliacrilonnitrin:

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

1. Khái niệm

Kéo căng sợi day 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 lấy từ mủ cây cao su. Cây cao su có tên khoa học là Heveabrasiliensis, có nguồn gốc từ Nam Mĩ, được trồng ở nhiều nơi trên thế giới và nhiều tỉnh ở nước ta.

a) Cấu trúc

Cao su thiên nhiên là polime của isopren:

Nghiên cứu nhiễu xạ tia X cho biết các mắt xích isopren đều có cấu hình cis như sau:

b) Tính chất và ứng dụng

Cao su thiên nhiên có tính chất đàn hồi, không dẫn nhiệt, dẫn điện, không thấm khí và nước, không tan trong nước, etanol,...nhưng  tan trong xăng và benzen.

Do có tính 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 hóa. Cao su lưu hóa có tính đàn hồi, chịu nhiệt, lâu mòn, khó tan trong dung môi hơn cao su không lưu hóa

Bản chất của quá trình lưu hóa (đun nóng 150^oC 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.

Cao su có tính đàn hồi vì  mạch phân tử có cấu hình cis, có độ gấp 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

3. Cao su tổng hợp

Cao su tổng hợp là vật liệu polime tương tự cao su tự 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:

nCH₂=CH−CH=CH₂→(Na,t^o,p)  (−CH₂−CH=CH−CH₂−)n

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 gọi là cao su iospren: 

(Hiệu suất 70%, cấu hình cis chiếm ≈94%, gần giống cao su thiên nhiên).

Tương tự, người ta còn sản xuất policloropren.

(−CH₂−CCl=CH−CH₂−)_n và polifloropren (−CH₂−CF=CH−CH₂−)n

Cácpolime này đều có đặc tính đàn hồi nên được gọi là cao su cloropen và cao su floropren. Chúng bền với dầu mỡ hơn cao su isopren.

IV- 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 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 hóa học, có keo dán hữu cơ như hồ tinh bột, keo epoxi,...và keo dán vô cơ như thủy tinh lỏng, matit vô cơ (hỗn hợp dẻo của thủy 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 2 nhóm epoxi ở  hai đầu, thí dụ:

Hợp phần thứ hai gọi là chất đóng rắn, thường là các "triamin" như: H₂NCH₂CH₂NHCH₂CH₂NH_2.

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, thủy 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, 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 còn có rất nhiều loại nhựa vá săm là keo dán tổng hợp chất lượng cao.

b) Keo dán hồ tinh bột

Trước khi 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, chẳng hạn như keo chế từ poli (vinyl ancol).