Phần 4.1 — Đại cương về Polymer
I. Khái niệm, Phân loại, Danh pháp
1) Khái niệm
Polymer là những chất có phân tử khối rất lớn (từ vài nghìn đến vài triệu đvC), phân tử gồm nhiều mắt xích tạo nên. Mắt xích là đơn vị lặp lại của polymer (xuất phát từ monomer).
Ví dụ: Polyethylene -(-CH₂-CH₂-)ₙ-, monomer là CH₂=CH₂ (ethylene).
2) Phân loại
- Theo nguồn gốc:
- Polymer thiên nhiên: cellulose, tinh bột, cao su tự nhiên, protein, tơ tằm.
- Polymer tổng hợp: polyethylene, PVC, PE, PMMA, nylon-6,6,…
- Polymer nhân tạo (bán tổng hợp): tơ visco, cellulose acetate (xuất phát từ thiên nhiên rồi chế biến hoá học).
- Theo cách điều chế: polymer trùng hợp, polymer trùng ngưng.
- Theo cấu trúc mạch: mạch thẳng (PE), mạch phân nhánh (amylopectin), mạch mạng không gian (cao su lưu hoá, bakelite).
3) Danh pháp
Tên polymer = “poly” + tên monomer (đặt trong dấu ngoặc nếu monomer là từ ghép). Ví dụ: polyethylene, poly(vinyl chloride), poly(methyl methacrylate).
II. Cấu trúc và tính chất
1) Tính chất vật lí
- Phần lớn là chất rắn, không bay hơi, không có nhiệt độ nóng chảy xác định.
- Chất nhiệt dẻo: nóng chảy khi đun nóng và rắn lại khi để nguội (PE, PP, PVC, PMMA).
- Chất nhiệt rắn: không nóng chảy khi đun nóng mà bị phân huỷ (bakelite, polyurea-formaldehyde).
- Hầu hết không tan trong nước, một số tan trong dung môi hữu cơ thích hợp.
2) Tính chất hoá học
- Phản ứng cắt mạch: phân huỷ polymer trong điều kiện nhiệt, acid, base hoặc enzyme. Ví dụ: tinh bột thuỷ phân → glucose; PMMA nhiệt phân → methyl methacrylate.
- Phản ứng giữ nguyên mạch: phản ứng xảy ra ở các nhóm chức bên ngoài mạch chính. Ví dụ: poly(vinyl acetate) + NaOH → poly(vinyl alcohol).
- Phản ứng tăng mạch (nối mạch): các mạch polymer nối với nhau tạo mạng không gian. Ví dụ: cao su lưu hoá (với S); chế tạo nhựa bakelite.
III. Phương pháp điều chế polymer
1) Phản ứng trùng hợp
Là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monomer) giống nhau hoặc tương tự nhau để tạo thành phân tử lớn (polymer). Không tạo ra phân tử nhỏ phụ.
Điều kiện: monomer phải có liên kết bội (C=C, C=O) hoặc vòng kém bền.
Ví dụ:
- nCH₂=CH₂ → -(-CH₂-CH₂-)ₙ- (Polyethylene/PE)
- nCH₂=CHCl → -(-CH₂-CHCl-)ₙ- (Poly(vinyl chloride)/PVC)
- nCH₂=CH-C₆H₅ → -(-CH₂-CH(C₆H₅)-)ₙ- (Polystyrene/PS)
- n CH₂=C(CH₃)-COOCH₃ → -[-CH₂-C(CH₃)(COOCH₃)-]ₙ- (PMMA)
2) Phản ứng trùng ngưng
Là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monomer) thành polymer, đồng thời giải phóng các phân tử nhỏ (thường là H₂O, HCl,…).
Điều kiện: monomer phải có ít nhất 2 nhóm chức có khả năng phản ứng.
Ví dụ:
- nH₂N-(CH₂)₆-NH₂ + nHOOC-(CH₂)₄-COOH → -[-NH-(CH₂)₆-NH-CO-(CH₂)₄-CO-]ₙ- + 2nH₂O (Nylon-6,6)
- nH₂N-(CH₂)₅-COOH → -[-NH-(CH₂)₅-CO-]ₙ- + nH₂O (Capron/Nylon-6)
- Phenol + HCHO → Bakelite (poly(phenol-formaldehyde))
IV. Một số polymer quan trọng
PolymerMonomerPhương phápỨng dụng PECH₂=CH₂Trùng hợpTúi nilon, màng bọc thực phẩm PPCH₂=CH-CH₃Trùng hợpBao gói, ống nước PVCCH₂=CHClTrùng hợpỐng nước, dây điện, vải giả da PSCH₂=CH-C₆H₅Trùng hợpHộp xốp, vật liệu cách nhiệt PMMACH₂=C(CH₃)COOCH₃Trùng hợpThuỷ tinh hữu cơ (plexiglass) PETHOOC-C₆H₄-COOH + HOCH₂CH₂OHTrùng ngưngChai nước, vải polyester Nylon-6,6HMDA + Adipic acidTrùng ngưngTơ sợi, dệt may
