cao phân tử

II- POLIME cao phân tư û: Theo IUPAC , polime được định nghĩa “ một hợp chất gồm các phân tử được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của 1 loại hay nhiều loại nguyên tử hay 1 nhóm nguy

HO ÙA H

ỌC hữu cơ

giới phân tử

Biên soạn: Nguyễn Lân

I KHÁI NIỆM CHUNG ;

- Vật chất và ý thức; cái nào có trước?

- Lịch sử phát triển.

II- HỢP CHẤT CAO PHÂN TỬ ( POLIME ) :

A Khái niệm – phân loại polime.

B Cấu trúc polime.

C Tính chất đặc trưng của polime.

D Các phương pháp tổng hợp polime.

III- VẬT LIỆU POLIME : A- Chất dẻo – phân loại chất dẻo.

B- Tơ , các loại tơ.

C- Cao su

IV CÁC ỨNG DỤNG KHÁC CỦA POLIME :

Biên soạn: Nguyễn Lân Tuấn Minh

I- KHÁI NIỆM CHUNG:

 4,6 tỷ năm trước Trái đất chỉ là một quả cầu cằn cỗi

 600 triệu năm sau, những trận mưa rào kéo dài vài

chục ngàn năm bắt đầu làm nguội bề mặt Trái đất

 biển và đại dương

 Dưới một điều kiện đặc biệt , các đơn chất và hợp

chất đơn giản của C,H,O,N kết hợp với nhau theo một cấu trúc đặc biệt được gọi là polime

 200 triệu năm sau : sự sống xuất hiện.

 Cách đây 4 triệu năm loài người xuất hiện.

 Do đó ta hoàn toàn không thể nói rằng ý thức có

trước vật chất khi mà trên thực tế, loài người cùng với

ý thức của nó chỉ là một kẻ sinh sau đẻ muộn so với thế giới vật chất này

 YÙùthöùc khođng phại töï nhieđn maø coù, maø ñoù laø

keât quạ cụa söï tieâp nhaôn kích thích töø caùc cô quan cạm giaùc vaø söï toơng hôïp noù ôû trung khu thaăn kinh Vaø protein laø cô sôû vaôt chaẫt, nguyeđn lieôu cho quaù trình hoaù sinh phöùc táp naøy.

 Qua ñoù, ta coù theơ noùi raỉng hôïp chaât polime ñaõ táo neđn söï soâng tređn traùi ñaât, ñaõ táo neđn con ngöôøi, nuođi soâng con ngöôøi vaø ngaøy nay, nhöõng vaôt lieôu polime ñaõ khođng ngöøng cại

thieôn, nađng cao ñôøi soâng con ngöôøi

THỜI ĐẠI CAO PHÂN TỬ

 Trong cuộc sống con người hiện nay , từ ăn mặc đến chỗ ở, đi lại đều

không thể tách rời hợp chất cao phân tử (polime ).

 Phân tử của polime rất lớn, mỗi phân tử do vài vạn, vài chục vạn nguyên

tử hợp thành, phân tử lượng phải đến vài ngàn, vài vạn, vài triệu, thậm

chí còn cao hơn, được gọi là “người

khổng lồ“ trong thế giới phân tử.

1909 Lêbedép tổng hợp được butadien  cao su

nhân tạo đầu tiên

1913 Người Đức đã tổng hợp được PVC.

Thập niên

30-40

-Phát triển 4 loại chất dẻo quan trọng: PVC , polistyren, poliolefin, polimetylmetacrylat.

1935 Cacloxecxơ tổng hợp được nilon- 66.

1941 Vynphinto & Dickson (Anh) tổng hợp được

terylen ( sợi polieste).

1945 Xuất hiện loại nhựa chất dẻo tetraflour etylen

(teflon).

Những Xuất hiện chất dẻo poliamit.

Nhà hóa học người Ý Giulio Natta nhận giải Nobel hóa học năm 1963 nhờ vào công trình nghiên cứu về polime và

plastics

Nhà hóa học người Mỹ Paul Flory đoạt giải Nobel hóa học năm 1974 Công trình của ông giúp việc phát triển ngành thương mại

polime.

Nhà hóa học người Mỹ gốc Bỉ Leo Hendrik Bakeland công bố bằng sáng chế về tổng hợp nhựa bakelite

II- POLIME ( cao phân tư û):

 Theo IUPAC , polime được định nghĩa “ một hợp chất gồm các phân tử được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của 1 loại hay nhiều loại nguyên tử hay 1 nhóm nguyên tử liên kết với nhau với số lượng khá lớn để tạo nên 1 loạt tính chất mà chúng thay đổi không đáng kể khi lấy đi hoặc thêm vào 1 vài đơn vị

 Hợp chất cao phân tử hay polime là những hợp chất có khôí lượng phân tử rất lớn (từ

hàng ngàn đến hàng triệu đvC) do nhiều mắt xích liên kết với nhau

 Mỗi mắt xích là 1 đơn vị monome ban đầu

 Số mắt xích trong phân tử được gọi là hệ số trùng hợp

 Ví dụ : polietylen, cao su buna, PVC, PMMA là những polime…

Bình dân học vụ !

2/ Phân loại :

a/ Phân loại theo nguồn gốc hình thành :

- Polime thiên nhiên : có nguồn gốc động thực vật như xenlulo, cao su, protein, enzym

- Polime tổng hợp : được sản xuất từ những monome bằng các phản ứng trùng hợp, trùng ngưng như :

poliolefin, poliamit, nhựa phenol fomandehit

- Polime bán tổng hợp : chế biến hóa học 1 phần các polime thiên nhiên : tơ visco…

b/ Phân loại theo cấu trúc :

-Polime mạch thẳng , polime mạch nhánh , polime

c/ Phân loại theo cách tổng hợp :

- polime trùng hợp , polime trùng ngưng.

d/ Phân loại theo thành phần cấu tạo của mạch

polime: ( Phần tham khảo thêm)

- Polime đồng mạch : mạch được cấu tạo chỉ bởi các

e/ Phân loại theo tính chịu nhiệt : ( Phần tham khảo thêm )

- Polime nhiệt dẻo : là các polime mạch thẳng , là loại vật liệu có giá trị thương mại nhất hiện nay

- Polime nhiệt rắn :là những polime hay oligome

prepolime có khối lượng phân tử không cao lắm có khả năng tạo polime không gian.

f/ Phân loại theo lĩnh vực ứng dụng :( Phần tham khảo

thêm)

- Chất dẻo, sợi, cao su, sơn và keo …

HƠI BỊ RẮC RỐI ?!?

B- Cấu trúc phân tử :

Polime có các dạng cấu trúc sau:

1- Polime mạch thẳng : trong đó các monome liên kết với nhau thành 1 mạch duy nhất

Ví dụ : polietylen, polivinylclorit,

polistiren, 2 - Polime mạch nhánh : trong đó có mạch nhánh

nối vào mạch chính Khi có mạch nhánh, sự sắp xếp ít chặt chẽ hơn và do đó tỉ trọng polime giảm

Ví dụ : amilopectin, glicogen,

3 - Polime mạng lưới : các mạch cạnh nhau trong

polime nối với nhau bằng liên kết đồng hóa trị

4- Polime không gian : giữa các chuỗi polime có các cầu nối bền vững

Ví dụ : nhựa bakelite, nhựa epoxy,

ĐỒNG PHÂN KHÔNG GIAN :

Tất cả nhóm thế R cùng nằm 1 bên  izotactic

Nhóm R nằm cách

đều về 2 bên của

mạch syndiotactic

Nhóm R hoàn

toàn ngẫu nhiên

 atactic.

ĐỒNG PHÂN HÌNH HỌC :

 Trong polime đồng trùng hợp xen kẽ, các monome

khác nhau nối tiếp nhau, còn trong polime trùng hợp khối, từng loại polime phản ứng với nhau thành một khối liên kết với các khốI của monome thứ hai Polime đồng trùng hợp ghép có mạch chính thuộc một loại

monome còn các nhánh thuộc một loại monome khác.

 Cao su tổng hợp thường là các copolime Ví dụ cao su styren butadien (SBR) là copolime ngẫu nhiên, dùng làm săm lốp ôtô Cao su nitril (NBR) là copolime ngẫu nhiên của acrylonitril và butadien, là loai cao su chịu dầu, đàn hồi tốt.

• Kh i l ố ượ ng riêng: không cao l m, ây là m t l i th khi các k ắ đ ộ ợ ế ỹ

s thi t k c n nh ng chi ti t nh , ho c khi không c n ư ế ế ầ ữ ế ẹ ặ ầ độ

b n c h c cao M t s polime có gi i h n b n kéo cao h n ề ơ ọ ộ ố ớ ạ ể ơ kim lo i ạ

• Tính ch t nhi t ấ ệ : Độ ẫ d n nhi t c a polime t ệ ủ ươ ng đố i th p ấ

c i m này cho phép ng d ng polime nh ch t cách nhi t,

truy n ánh sáng, polime ph i tr ng thái vô nh hình vì các ề ả ở ạ đị

vùng tinh th óng vai trò là các trung tâm tán x (h s truy n ánh ể đ ạ ệ ố ề sáng gi m m nh khi xu t hi n vùng tinh th ) ả ạ ấ ệ ể

C- Tính chaát cuûa polime :

* Tính chất hóa học chủ yếu:

a/ Phản ứng giữ nguyên mạch polime:

…-CH 2 – C(CH 3 )= CH – CH 2 - …+HCl …-CH 2 – C(CH 3 ) - CH 2 – CH 2 - …

Cl [C 6 H 7 O 2 (OH) 3 ] n  [C 6 H 7 O 2 (ONO 2 ) 3 ] n

Xenlulozơ Xenlulozơ trinitrat

b/ Phản ứng phân cắt mạch cacbon:

-Các poliamit, polieste bị thủy phân trong môi trường axit hoặc bazo, polisaccarit bị thủy phân trong môi trường axit

-Đun nóng khan tới 300 0 C polistiren cho stiren 

Pư đepolime hoá.

c/ Phản ứng tăng mạch cacbon : lưu hoá cao

su, đun nóng nhựa rezol

HNO 3

D- Các phương pháp tổng hợp

polime :

* Nguyên liệu ban đầu cho vật liệu polime :

DẦU MỎ

Tách hydrocacbon riêng biệt monome

Tách các olefin mạch thẳngMonome

Hidrocacbon

cracking

pla

tfor

1/ Phương pháp trùng hợp :

a-Định nghĩa: Trùng hợp là quá trình cộng hợp liên tiếp nhiều phân tử nhỏ (monomer) giống nhau hoặc tương tự nhau thành phân tử lớn (polime).

Trong phản ứng trùng hợp không có bộ phận nào của phân tử monome bị tách ra  phtử khối của

polime gần như là bội số phtử khối của monome

Ví dụ

-Monome tham gia phản ứng trùng hợp phải là hợp

chất không no ( chứa nối đôi), ( và 1 số hợp chất mạch vòng không bền) như : CH 2 =CH 2 , CH 2 =CHCl , CH 2 =CH – CH=

CH 2

-Nguyên tử Cacbon mang liên kết đôi trong phân tử

monome có thể mang 1 hay nhiều nhóm thế như

CF2=CF2 ; CH2=C(CH3)2 , CH2=C(CH3)COOH ,

b- Các loại phản ứng trùng hợp :

Trùng hợp thường: là phản ứng trùng hợp chỉ 1 loại monome

tạo thành polime chỉ chứa 1 loại mắt xích

Đồng trùng hợp : là p/ư trùng hợp 1 hồn hợp monome tạo

thành polime chứa 1 số loại mắt xích khác nhau ( copolime)

-Phương pháp trùng hợp thường dùng để

tổng hợp các polime nhiệt dẻo

-Phản ứng trùng hợp dưới tác dụng của chất khởi đầu gọi là phản ứng trùng hợp gốc , có 3 giai

đoạn :

Giai đoạn khởi đầu

Giai đoạn phát triển mạch

Giai đoạn kết thúc

-Cơ chế trùng hợp cation : tương tự cơ chế cộng electrophin và cần xúc tác H+ , AlCl3 ,BF3 ,

2/ Phương pháp trùng ngưng :

monome thành polime, đồng thời loại ra những phtử nhỏ ( H2O, ) Đó là quá trình ngưng tụ nhiều phtử nhỏ thành phân tử lớn

b-Các kiểu phản ứng trùng ngưng :

 Xảy ra các PƯ thế theo kiểu amit hóa tạo ra

III- VẬT LIỆU POLIME :

A- CHẤT DẺO

1/ Định nghĩa: Chất dẻo là những vật liệu có khả năng bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt, áp suất và vẫn giữ được sự biến dạng đó khi thôi tác dụng

2/ Thành phần chất dẻo : Chất dẻo là hỗn hợp của nhiều chất:

1- Polime :có thể là polime thiên nhiên hay tổng

hợp (là thành phần cơ bản )

2-Chất hóa dẻo ;là chất thêm vào để tăng tính dẻo

3-Chất độn ;để tiết kiệm polime đồng thời để tăng thêmỗt số đặc tính cho chất dẻo

3/ Một số polime dùng làm chất dẻo:

a-Poli etilen ( PE): (- CH2 – CH 2 - ) n

Polivinyl clorua

4 Các chất phụ gia :

: bột gỗ (mùn cưa) , bột talc , đất sét , bột nhẹ …

nhiệt độ thường như PVC , nhựa epoxy… Các loại hoá dẽo thông dụng nhất là các este :phtalat , adipat ,

sebacat , polieste aliphatic và các photphat

trình phân huỷ đó Những chất chống oxy hoá thường là các amin , phenol , mecaptan và các photphit Còn những chất ổn định ánh sáng thông dụng là muội

d) Chất tạo màu: là thuốc nhuộm hay bột màu bột màu trắng TiO , ZnO ; màu vàng CdS và chì cromat ; sắt oxit đỏ , coban aluminat xanh

phaloxiamin đen muội than

e) Chất chống cháy :

Đa số các polime đều dễ bắt cháy , trừ các loại có chứa flo , clo Các chất chống cháy có thể khống chế quá trình bắt cháy và cháy lan đồng thời làm cho vật liệu khó cháy hơn (ví dụ : abumin , thiếc oxýt ) (các photphat tạo thành một lớp bề mặt axit sulfuric ) Một số các chất chống cháy là những hợp chất đa chức Trong thực tế khả năng chống cháy thường lựa chọn một hỗn hợp của hai hoặc ba loại khác nhau

5- các chất tăng cường :

Đây là những hợp chất khi phối hợp với polime có khả năng cái thiện tính chất cơ lý của vật liệu Các chất này được dùng dưới nhiều dạng : hạt , bột , sợi ngắn hoặc dài , vải dệt hoặc rối

a) Thuỷ tinh : Dưới dạng sợi , thuỷ tinh làm tăng độ bền

cơ học , khả năng chịu môi trường ăn mòn , tính cách

điện và chịu nhiệt tốt Thuỷ tinh được sử dụng ở các

dạng sau : dạng bi , sợi ngắn , mát từ sợi ngắn , vải

b) Cacbon : dạng graphit , dạng sợi Dùng chủ yếu

trong ngành kĩ thuật cao (trực thăng , máy bay , tàu

thuyền , ôtô)

c) Amian : làm tăng giới hạn chảy và độ

bền nhiệt của polime

d) Polime : poliamit thơm dưới dạng sợi có tên thương mại là Kevlar Sợi này có khối

lượng riêng nhỏ , độ bền đứt rất cao , độ bền mỏi tốt dùng trong trường hợp chịu tải trọng động Các hạt bi cỡ bé của của polietylen clo hoá đồng trùng hợp với acrylonitril butadien – styren làm tăng độ bền va đập của chất dẻo

- Chất dẻo là loại có số lượng và sản lượng cao nhất trong các loại vật liệu polime

- Chất dẻo có nhiều ưu điểm thích hợp với các yêu cầu sử dụng khác nhau như nhẹ, bền về mặt cơ học, bền đối với tác dụng của hóa chất, có tính cách

điện, cách nhiệt tốt

Thí dụ: Polimetymetacrylat rất cần độ trong suốt

quang học , tuy nhiên polime bắt buộc phải có độ vô định hình cao

- Chất dẻo flocacbon (teflon) có tính siêu bền về cơ học, có hằng số ma sát thấp và cực bền với tác dụng của hoá chất ngay cả ở nhiệt độ cao nên được dùng

6/ Tính chất và ứng dụng:

Vậät liệu bằng polime

THÙNG NHỰA CHỨA NƯỚC ĐÁ

CHAI, LỌ

MÁY HÚT BỤI

BÀN GHẾ NHỰA

B- TƠ , CÁC LOẠI TƠ :

1 / Định nghĩa:

Tơ là những polime thiên nhiên hay tổng hợp kéo

thành sợi và mảnh với độ bền nhất định ( poliamit,

xenlulơ axetat…)

Polime dùng làm tơ có mạch không phân nhánh , các

phân tử được sắp xếp song song với nhau, đó là những chất rắn, tương đối bền đối với nhiệt , đối với các dung môi

thông thường, mềm và dai, có khả năng nhuộm màu,

không độc không gây hại đối với da.

Một số polime có thể vừa để kéo tơ vừa vừa dùng làm

chất dẻo

2/ Phân loại:

Có 2 loại chính: Tơ thiên nhiên và tơ hóa học.

Tơ hóa học lại được chia thành 2 nhóm: Tơ tổng hợp và tơ nhân tạo ( tơ bán tổng hợp)

a- Tơ thiên nhiên: là tơ lấy trực tiếp từ thiên nhiên (động vật,

thực vật) mà tiêu biểu là:

- Bông có thành phần chủ yếu là xenlulozơ ( 95 -98%) có lẫn những lượng nhỏ pectin, protein).

- Len lông cừu: là polipeptit có chứa trong phân tử chừng 20 loại aminoaxit mà chủ yếu là glixin, alanin prolin , xistein,

acginin …

- Tơ tằm: là polipeptit do các aminoaxit glixin,alanin

xerin,tirozin… tạo nên Trong đó chủ yếu là glixin rồi alanin.

b- Tơ nhân tạo hay tơ bán tổng hợp:

Là tơ cũng có nguồn gốc là polime thiên nhiên nhưng được chế biến thêm bằng phương pháp hóa học làm cho cấu trúc và tính chất polime thay đổi một phần tạo nên những ưu điểm mà mà tơ thiên nhiên không có

c- Tơ tổng hợp :

Là loại tơ được sản xuất từ polime tổng hợp, bao gồm polime trùng ngưng (poliamit, polieste … ) polime

trùng hợp (các tơ vinylic)

- Tơ poliamit được chế tạo từ polime loạïi poliamit có nhóm chức amit –CO-NH- trong phân tử.

Thí dụï: nilon -6,6 [-CO-(CH2 ) 4 -CO-NH-(CH 2 ) 6 -NH-] n

tơ capron [-NH-(CH2 ) 5 -CO-] n , enan [-NH-(CH2 ) 6 -CO-] n

- Tơ polieste được chế tạo từ các loại polime loại polieste Thí dụ: tơ lapsan [-CO-p-C 6 H 4 -CO-O-CH 2 CH 2 -O-]

-Tơ vinylic được điều chế từ các polime sinh ra khi trùng hợp các dẫn xuất vinyl

Thí dụ: Tơ poli vinyl cloric là “nguyên lão” trong bộ tộc tơ tổng hợp, còn poli vinyl cacbamat lại là”hậu sinh khả úy”

Năm 1913, ở Đức đã xuất hiện loại

tơ poli vinyl cloric tổng hợp được từ than đá, muối ăn, nước và

không khí Đây là loại tơ tổng

hợp ra đời sớm nhất.

Tơ clorin là sản phẩm clo hóa một

phần của PVC (làm cho tỉ lệ clo

trong phân tử tăng từ 56% ở

PVC lên khoảng 67% ở clorin)

c- Ưu điểm và ứng dụng của tơ hóa học: Ưu điểm và ứng dụng của tơ hóa học:

Tơ hóa học rất đa dạng và có nhiều ưu điểm.

cháy, chịu mài mòn, cách nhiệt, cách điện, có tính

năng giữ ấm tốt Tác dụng tĩnh điện của loại sợi hóa

học mạnh hơn cả các loại sợi hóa học khác.

vừa ấm vừa dễ nhiễm tĩnh điện lại có lợi cho sức khỏe, có tác dụng lý liệuđối với bệnh xương khớp Trong y học phương pháp lý liệu (điện liệu) để làm giảm đau, cắt

vinyl cloric có tác dụng chữa trị một số bệnh, còn hơn cả vài loại dươc phẩm khác…

-Tơ poliamit thưòng kém bền đối với nhiệt, đối với axit và kiềm nhưng rất dai bền, có tính đàn hồi, mềm mại và óng mượt, ít thắm nước và mau khô

- Tơ clorin có nhược điểm là độ bền đối với nhiệt không cao nhưng rất bền về mặt hóa học và không cháy

-Các tơ bán tổng hợp như tơ xenlulozơ axetat vừa bền vừa đẹp hơn tơ thiên nhiên để sản xuất ra

chúng

Do những ưu điểm trên tơ hóa học được dùng rất rộng rãi, không những dùng dệt vải may mặt mà còn nhiều ứng dụng khác như làm nỉ, lưới đánh cá, chỉ khâu vết mổ…