Polime là gì? Cấu tạo, tính chất và ứng dụng của Polymer?

Như chúng ta đã biết, Polimer xuất hiện rất nhiều trong cuộc sống của chúng ta. Chúng dùng để chế tạo đa dạng các vật dụng xung quanh cuộc sống, ví dụ: nhựa PVC, tiền, ghế, chai, … Vậy polime là gì? Tính chất hóa học và tính chất vật lý của Polymer? Ứng dụng của Polymer là gì? Cách điều chế Polime như nào?

1. Khái niệm Polime là gì?

Polymer hay polime là hợp chất có phân tử khối rất lớn, được tạo thành từ nhiều mắt xích liên kết với nhau. Các chuỗi Polime được kết nối với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị – hai hoặc nhiều phân tử sẽ được kết nối với nhau, tạo thành các cặp electron. Hợp chất polymer được tạo thành từ những phân tử nhỏ hơn, gọi là monome.

Danh pháp hay cách gọi tên:

Poli + tên monome.

Nếu tên monome gồm 2 từ trở lên hoặc từ hai monome tạo nên polime thì tên polime đặt trong ngoặc đơn.

Ví dụ về một hợp chất Polimer:

Polyetylen (–CH2 – CH2–) n thì –CH2 – CH2– là liên kết; n là hệ số trùng hợp. Chỉ số n gọi là hệ số polime hóa, độ polime hóa càng lớn thì phân tử khối của polime càng cao.

2. Tính chất vật lý:

Polime chủ yếu tồn tại ở dạng chất rắn, không bay hơi, không có nhiệt độ nóng chảy xác định (khoảng nhiệt độ khá rộng). Khi nóng chảy, đa số polime tạo ra chất lỏng nhớt, để nguội sẽ rắn lại và được gọi là chất nhiệt dẻo. Một số polime khác không nóng chảy khi đun mà bị phân hủy ngay, được gọi là chất nhiệt rắn.

Hầu hết các loại polime không tan trong nước hoặc các dung môi thông thường. Một số ít hợp chất polymer tan được trong dung môi thích hợp cho dung dịch nhớt, ví dụ: polibutadien tan trong benzen.

Ngoài ra, Polimer còn có một số đặc tính vật lý như

– Tính dẻo: polietilen, polipropilen,

– Tính đàn hồi: cao su,..

– Dai, có khả năng kéo sợi: nilon -6, nilon -7,..

– Màu trong suốt, không giòn: poli (metyl metacrylat).

– Cách điện, cách nhiệt tốt: polietilen, poli (vinyl clorua).

– Tính bán dẫn: polixetilen, polithiophen.

3. Cách thức phân loại Polime:

Trên thực tế, hợp chất Polymer có rất nhiều trong đời sống, do tính chất phức tạp của hợp chất, có rất nhiều tiêu chí để phân chia như

3.1. Dựa vào nguồn gốc:

Polymer được chia làm 3 loại chủ yếu:

Thứ nhất, Polymer có nguồn gốc từ tự nhiên. Ví dụ như: xenlulozo, tinh bột, cao su tự nhiên, …

Thứ hai, Polymer tổng hợp do con người tạo ra. Ví dụ như: Polielen, Poli (vinyl clorua, polyethylene (nhựa PE)…

Thứ ba, Polyner bán tổng hợp (polymer nhân tạo). Đây là hợp chất được lấy từ tự nhiên, sau đó được con người chế tạo thành một hợp chất polymer mới. Ví dụ như: tơ visco, tơ axetat,…

Polime có nhiều trong tự nhiên, ví dụ điển hình là những chất hóa học cơ bản như: DNA và RNA. Bên cạnh đó, có các loại polime tự nhiên khác quen thuộc xung quanh ta như lụa, tóc, móng tay, móng chân, xenlulozo, và protein… Bên cạnh đó, chúng còn có nguồn gốc từ khí tự nhiên hoặc than đá, dầu thô

3.2. Dựa theo phương thức tổng hợp:

Polymer được tổng hợp theo hai phương thức sau:

Thứ nhất, phản ứng trùng hợp là quá trình liên kết nhiều phân tử nhỏ giống nhau hoặc tương tự nhau thành phân tử rất lớn. Điều kiện cần để monome cấu tạo tham gia phản ứng trùng hợp là phân tử phải có nhiều liên kết hoặc vòng kém bền có thể mở.

+ Nhiều liên kết

Ví dụ: CH2 = CH2, CH2 = CH – C6H5

+ Vòng kém bền

Ví dụ: nCH2 = CH-CH = CH2 → ( – CH2-CH = CH-CH2 – ) n

Thứ hai, phản ứng trùng ngưng là quá trình liên kết nhiều phân tử nhỏ thành phân tử rất lớn, đồng thời giải phóng các phân tử nhỏ khác (H2O …). Nói cách khác, trùng hợp là quá trình ngưng tụ nhiều phân tử nhỏ thành phân tử lớn. Để phản ứng này xảy ra, các monome tham gia phản ứng phải có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng tạo liên kết.

Ví dụ:

– n H-NH – ( CH2 ) 5 – CO-OH → ( – NH – ( CH2 ) 5 – CO – ) n + nH2O

– n p-HO-CO-C6H4-CO-OH + n H-OCH2-CH2O-H → ( – CO-C6H4-CO-OCH2-CH2O – ) n + 2 nH2O

Thứ ba, phản ứng trùng-cộng hợp là quy trình những monome phối hợp với nhau thành một monome chính nhờ phản ứng cộng (điều kiện kèm theo là tối thiểu một trong hai chất phải có liên kết đôi). Sau đó monome vừa tạo ra sẽ tích hợp với nhau tạo polymer hoàn hảo

3.3. Dựa vào cấu trúc:

Thứ nhất, các dạng cấu trúc mạch polime

Mạch không phân nhánh. Ví dụ: amilozơ, polietilen, …

Mạch phân nhánh. Ví dụ: glicogen…

Mạch mạng lưới. Ví dụ: nhựa bakelit, cao su lưu hóa, …

Thứ hai, cấu tạo điều hòa và không điều hòa

Cấu tạo điều hòa: các mắt xích nối nhau theo một trật tự nhất định. Ví dụ:

Cấu tạo không điều hòa: các mắt xích nối với nhau không theo trật tự nhất định. Ví dụ:

4. Tính chất hóa học:

Polime tham gia được với ba phản ứng sau:

Thứ nhất, phản ứng phân cắt mạch. Polime có nhóm chức trong mạch rất dễ bị thủy phân. Polime trùng hợp sẽ bị nhiệt phân ở mức nhiệt độ xác định để tạo ra các đoạn ngắn, cuối cùng sẽ tạo thành monome ba đầu. Phản ứng nhiệt phân polime thành các monome được gọi là phản ứng giải trùng hợp hay depolime hóa. Một số polime bị oxi hóa cắt mạch, ví dụ: ((-NH[CH_{2}]_{5}CO-)_{n}+ nH_{2}O rightarrow nH_{2}N[CH_{2}]_{5}COOH)

Thứ hai, phản ứng giữ nguyên mạch. Các polime có các liên kết đôi ở trong mạch hoặc các nhóm chức ngoại mạch thì có thể trực tiếp tham gia vào các phản ứng đặc trưng của liên kết đôi. Ví dụ: (C_{2n}H_{3}nCl_{n} + xCl_{2}rightarrow C_{2n}H_{3n-x}Cl_{n+x} + xHCl)

Thứ ba, phản ứng tăng mạch. Trong điều kiện thích hợp (nhiệt độ, chất xúc tác..), các mạch polime có thể kết nối với nhau để tạo nên mạch dài hơn hoặc tạo thành các mạng lưới, chẳng hạn như các phản ứng lưu hóa chuyển cao su thành cao su lưu hóa, chuyển nhựa rezol thành nhựa rezit,… Trong công nghệ, phản ứng nối các mạch polime với nhau tạo thành mạng không gian, gọi là phản ứng khâu mạch polime. Ví dụ: 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−. Khi đun nóng nhựa rezol thu được nhựa rezit, trong đó các mạch polime được khâu với nhau bởi các nhóm (-CH_{2}-)

5. Ứng dụng của polime trong đời sống, sản xuất:

Trong đời sống, polime đóng một vai trò khá quan trọng trong nhiều lĩnh vực, như dệt may, sản phẩm văn phòng phẩm, đồ nhựa, vật liệu xây dựng,… Tuy nhiên, ta có thể thấy được một vài ứng dụng phổ biết nhất như:

5.1. Chất dẻo:

Chất dẻo là một loại vật liệu dẻo, được chế tạo từ polime. Bên cạnh đó, chúng còn được cấu tạo từ một số chất khác như: Chất hóa dẻo (tăng tính dẻo, thuận lợi cho gia công sản phẩm), chất độn (tăng độ bền cơ học, tăng chịu nước, chịu nhiệt), chất phụ gia (tạo màu, tạo mùi, tăng độ bền đối với môi trường). Chất dẻo có nhiều ưu điểm như nhẹ, bền, cách điện, cách nhiệt, dễ gia công, nhiều màu sắc… Hiện nay, chất dẻo đã thay thế kim loại, sành sứ, thủy tinh trong nhiều lĩnh vực.

5.2. Tơ:

Tơ là những polime thiên nhiên hay polime tổng hợp có cấu tạo mạch thẳng, có thể dễ dàng kéo dài thành sợi.

Dựa vào nguồn gốc và quy trình chế tạo, tơ được phân loại thành tơ thiên nhiên (như tơ tằm, sợi bông, sợi đay), và tơ hóa học – chế biến từ polime thiên nhiên hoặc các chất đơn giản. Tuy nhiên, tơ hóa học được ưa chuộng hơn tơ thiên nhiên vì nó có nhiều ưu điểm như bền, đẹp, dễ giặt, phơi nhanh khô,…

5.3. Cao su:

Cao su là polime thiên nhiên hay polime tổng hợp, có tính đàn hồi. Cao su được chia thành 2 loại chủ yếu: cao su thiên nhiên và cao su tổng hợp. Cao su được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế như sản xuất các loại lốp xe, vỏ bọc dây điện, áo mưa, áo lặn…

6. Lợi ích và tác hại của Polymer đối với môi trường và sự phản ứng của nhà nước ta:

Vật liệu polymer có mặt khắp mọi lĩnh vực của cuộc sống. Theo số liệu năm 1996, mức tiêu thụ vật liệu polymer bình quân  tại các nước công nghiệp phát triển khoảng gần 100 kg/năm và tại các nước đang phát triển từ 1 đến 10 kg/năm. Sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu polymer cũng kèm theo những vấn đề liên quan đến môi  trường: Lượng phế thải từ vật liệu polymer càng ngày càng tăng. Những dạng phế thải từ nhựa nhiệt dẻo như polyetylen, polypropylen, polystyren, polyvinyl clorua, polymetylmetacrylat các chế phẩm từ cao su  ảnh hưởng nặng  nề đến môi trường do chúng tồn tại trong đất thời gian lâu và rất khó phân hủy. Nếu đem chôn lấp vừa tốn diện tích đất vừa gây ô nhiễm cho nguồn nước và đất. Nếu dùng phương pháp đốt cũng tốn kém và còn gây ô nhiễm môi trường do khói bụi, làm suy giảm tầng ozon và sinh ra các chất độc hại hữu cơ khó phân hủy (Persistent Organic Pollutant – POP). Nếu dùng phương pháp tái sinh thì cũng thu được sản phẩm có chất lượng không cao, mà giá thành lại không phải là thấp. Có nhiều cách phân loại polymer phân hủy do môi trường, tuy nhiên cách phân loại phổ biến nhất hiện nay là chia polymer phân hủy do môi trường thành các loại polymer phân hủy do vi sinh vật và do các tác động hóa lý như quang hóa hay do các phản ứng hóa học. Mặt khác do sự tíến bộ của khoa học kỹ thuật người ta có khả năng nghiên cứu biến tính, tổ hợp để chế tạo ra những sản phẩm, vật liệu mới ưu việt hơn, trong tính năng phục vụ đời sống con người và ít hoặc không gây ô nhiễm môi trường (environment- friendly technology).

Trong thời gian gần đây tại một số quốc gia Châu âu, Nhật Bản, Hàn Quốc và Mỹ việc nghiên cứu và sử dụng polymer phân hủy do môi trường phát triển rất mạnh mẽ. Tại Việt Nam, nhận thức được tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường, Chính phủ Việt Nam đã tiến hành hàng loạt biện pháp nhằm bảo vệ môi trường. Tháng 6 năm 1991, Kế hoạch quốc gia về môi trường và phát triển bền vững giai đoạn 1991 – 2000 đã được Chính phủ thông qua. Bộ Chính trị Đảng cộng sản Việt Nam đã ban hành chỉ thị 36-CT/ TƯ vào tháng 6 năm 1998 nhằm bảo vệ môi trường Luật môi trường đã được ban hành vào năm 1994. Ngoài ra, Việt Nam đã tham gia hàng loạt các Công ước quốc tế về môi trường. Liên quan đến việc sử dụng vật liệu polymer, các cơ quan hữu quan đã phát động phong trào giảm dùng túi đựng hàng bằng chất dẻo. Tuy nhiên vấn đề nghiên cứu và sử dụng polymer phân hủy do môi trường mới được đặt ra trong thời gian rất gần đây, hiện nay đã có một số cơ sở nghiên cứu ở Việt Nam như Viện Hóa học Công nghiệp. (Tổng Công ty Hóa chất Việt Nam, Bộ Công nghiệp), Trung tâm nghiên cứu polymer (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội), đã tiến hành nghiên cứu polymer phân hủy do môi trường và đã  thu được một số kết quả ban đầu.