Gia Sư SV · Thư viện học tập

GIA SƯ SV · HÓA HỌC 12 · CHƯƠNG 4

Bài 13. Vật liệu polymer – Hóa học 12

Mục tiêu: Nhận biết và chọn đúng vật liệu chất dẻo – composite – tơ – cao su – keo dán; phân biệt nguồn gốc, tính chất, ứng dụng, phương pháp điều chế và nguyên tắc sử dụng an toàn.

1. Chất dẻo: polymer và phụ gia

Chất dẻo là vật liệu polymer có tính dẻo, có thể gia công thành hình dưới điều kiện thích hợp. Một sản phẩm nhựa ngoài polymer nền thường chứa phụ gia như chất hóa dẻo, độn, ổn định, màu… Vì thế tên polymer không tự bảo đảm mọi sản phẩm làm từ nó đều thích hợp tiếp xúc thực phẩm hay chịu nhiệt.

Phản ứng nhận diện

Ví dụ: Thủy tinh hữu cơ PMMA được tạo bằng trùng hợp methyl methacrylate $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{C}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3)\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$. Không nhầm monomer này với methyl acrylate vì khác nhóm $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ trên carbon liên kết đôi.

2. Vật liệu composite

Composite kết hợp ít nhất vật liệu nền (liên kết, bao bọc, truyền lực) và vật liệu cốt (tăng độ bền, độ cứng, khả năng chịu tải…). Ví dụ vật liệu nhựa gia cường sợi thủy tinh: nhựa là nền, sợi thủy tinh là cốt. Cấu trúc composite cần xem theo tổ hợp vật liệu cụ thể; không khẳng định mọi tính chất đều tốt hơn mọi vật liệu thành phần.

Câu hỏi vận dụng: Trong khung vật liệu epoxy gia cường sợi carbon, đâu là nền, đâu là cốt? Đáp án: nhựa epoxy – nền; sợi carbon – cốt.

3. Tơ: tự nhiên, bán tổng hợp, tổng hợp

Tơ là vật liệu polymer dạng sợi dài, tương đối mảnh, đáp ứng yêu cầu cơ học nhất định.

• Tơ tự nhiên: bông (cellulose), tơ tằm và len (protein).
• Tơ bán tổng hợp/nhân tạo: tơ visco và tơ cellulose acetate; đều bắt nguồn từ cellulose được xử lý/chuyển hóa hóa học.
• Tơ tổng hợp: polyamide như nylon-6 (capron) và nylon-6,6; polyacrylonitrile (tơ nitron/acrylic); polyester như sợi PET.

Nhận diện cấu trúc nhóm chức

Nylon-6 và nylon-6,6 là polyamide với các liên kết $-\mathrm{C}\mathrm{O}-\mathrm{N}\mathrm{H}-$. PET là polyester chứa liên kết $-\mathrm{C}\mathrm{O}-\mathrm{O}-$. Polyacrylonitrile (nitron) có mắt xích $[-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{C}\mathrm{N})-{]}_n$. Liên kết amide và ester có thể bị thủy phân trong những điều kiện thích hợp; không khẳng định chúng bền tuyệt đối trong acid/kiềm mạnh.

Ví dụ: Trong bông, nylon-6,6, tơ visco, len, nitron: hai tơ tự nhiên là bông và len, một tơ bán tổng hợp là visco, hai tơ tổng hợp là nylon-6,6 và nitron.

4. Cao su và phản ứng lưu hóa

Cao su là vật liệu polymer có tính đàn hồi. Cao su thiên nhiên có thành phần chủ yếu là cis-1,4-polyisoprene, thu từ mủ cây cao su. Cao su tổng hợp có các loại thường gặp:

Lưu hóa: nung cao su với sulfur trong điều kiện thích hợp tạo cầu nối giữa các mạch (mô hình cầu sulfur), làm cao su có tính chất cơ học phù hợp hơn cho một số ứng dụng. Đây là phản ứng tăng mạch.

Ví dụ tính nhanh: Một mẫu cao su được mô hình hóa bằng $({\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_8{)}_k{\mathrm{S}}_2$, biết tỉ lệ khối lượng polyisoprene : sulfur là 100 : 2, tính $k$. Vì khối lượng $k$ mắt xích $=68k$ và cầu ${\mathrm{S}}_2=64$, ta có $68k/64=100/2$ nên $k\approx 47,06$, làm tròn 47. Chỉ dùng đúng mô hình cầu S–S đã nêu, không coi đây là công thức chung của mọi cao su lưu hóa.

5. Keo dán

Keo dán có khả năng kết dính hai bề mặt vật liệu rắn. Phân biệt một số nhóm:

• Nhựa vá săm: dung dịch cao su trong dung môi hữu cơ thích hợp (theo ví dụ trong tài liệu phổ thông).
• Keo epoxy: hệ nhựa epoxy và thành phần đóng rắn phù hợp; phản ứng tạo mạng polymer kết dính.
• Keo urea–formaldehyde: nhựa hình thành từ phản ứng giữa urea và formaldehyde; dùng trong một số vật liệu gỗ kỹ thuật.
• Keo cyanoacrylate (keo 502 theo cách gọi thông dụng): một số ester cyanoacrylate có thể polymer hóa nhanh khi tiếp xúc ẩm trên bề mặt. Không khẳng định mọi thương hiệu hoặc mọi sản phẩm có cùng công thức.

Ví dụ: Methyl cyanoacrylate $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{C}(\mathrm{C}\mathrm{N})\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ trùng hợp tạo mạch $[-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{C}(\mathrm{C}\mathrm{N})(\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3)-{]}_n$. Chỉ số nhóm thế phải đúng; không viết nhầm methyl cyanoacrylate thành methyl methacrylate.

6. Môi trường và sử dụng an toàn

Ưu tiên dùng bền, phân loại, thu gom và tái chế phù hợp với hạ tầng địa phương. Ký hiệu tam giác hoặc số nhận diện nhựa không tự chứng minh hộp an toàn khi hâm nóng, không tự chứng minh nhựa dễ phân hủy sinh học. Không đốt chất thải nhựa ngoài trời. Khi có cháy và khói độc, cần rời khu vực và làm theo hướng dẫn cứu hộ; khăn ướt không thể thay thế thiết bị bảo vệ hô hấp chuyên dụng và không bảo vệ đầy đủ trước khí CO.

7. Ví dụ có lời giải

Ví dụ 1 – Monomer cao su Buna-S. Cặp buta-1,3-diene và styrene tạo cao su Buna-S. Giải: Buna biểu thị nhóm polybutadiene; S gợi styrene đồng trùng hợp.

Ví dụ 2 – Cách phân loại tơ PET. PET làm sợi thuộc tơ tổng hợp (polyester), dù cùng hóa chất nền có thể dùng để làm chai. Sai lầm thường gặp: Gọi PET là tơ bán tổng hợp chỉ vì sản phẩm có dạng sợi.

Ví dụ 3 – Số mắt xích cellulose triacetate. Một mắt xích có công thức ${\mathrm{C}}_{12}{\mathrm{H}}_{16}{\mathrm{O}}_8$, phân tử khối 288. Đoạn mạch có phân tử khối 345 600 (bỏ qua đầu mạch) thì $n=345600/288=1200$.

Ví dụ 4 – Hiệu suất trùng hợp nitron. Thu 1,2 tấn polyacrylonitrile từ acrylonitrile với hiệu suất 60% cần $m_0=1,2/0,60=2,0$ tấn monomer (giả định không thất thoát khác).

8. Tự kiểm tra

Thử trả lời rồi mở lời giải.

9. Tóm tắt và gợi ý học tiếp

Chất dẻo → PE, PP, PVC, PS, PMMA; composite → nền + cốt; tơ → tự nhiên / bán tổng hợp / tổng hợp; cao su → đàn hồi, lưu hóa tăng mạch; keo dán → kết dính bề mặt. Học sinh nên học bằng bảng đặc điểm – monomer – ứng dụng – loại phản ứng và làm bài vận dụng trước khi xem đáp án.

Biên soạn và hình minh họa: Gia Sư SV.