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

Polymer hay còn gọi là Polymer, đây là một hợp chất hóa học quen thuộc với chúng ta. Nhưng mọi người có thực sự hiểu polymer là gì và cấu trúc cũng như ứng dụng của nó trong cuộc sống không? Bài viết sau đây sẽ giải thích rõ hơn về hợp chất này để mọi người cùng tìm hiểu chi tiết.

Polymer là gì?

Polyme là hợp chất hóa học phân tử lớn được tạo thành từ các chuỗi nguyên tử. Các nguyên tử được giữ lại với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Điều này có nghĩa là hai hoặc nhiều phân tử được liên kết với nhau và chia sẻ một cặp electron. Các phân tử ban đầu tạo nên các nguyên tử trong polyme được gọi là monome.

Ví dụ, chúng ta có hợp chất Polyetylen (–CH2 – CH2–)n, trong đó:

• –CH2 – CH2– là các mắt xích trong chuỗi.
• n là hệ số trùng hợp. Hệ số này càng cao thì mức độ trùng hợp càng cao và khối lượng phân tử của hợp chất polyme càng lớn.

Ngày nay, hợp chất Polymer xuất hiện rất nhiều trong tự nhiên, nó có trong nhiều loại hóa chất như RNA, DNA. Ngoài ra, các loại polymer thiên nhiên rất gần gũi với cuộc sống của chúng ta như tóc, tơ, móng chân, móng tay, protein, cellulose,… hay có loại polymer có nguồn gốc từ dầu thô, than đá, khí thiên nhiên,…

Có những loại polyme phổ biến nào?

Hiện nay, polyme được phân loại dựa trên nhiều yếu tố khác nhau như phương pháp tổng hợp, nguồn gốc và đặc điểm cấu trúc:

Phân loại theo nguồn gốc

Dựa trên nguồn gốc, Polyme được chia thành hai loại chính: Polyme tổng hợp và Polyme thiên nhiên:

• Các polyme tự nhiên thường được tìm thấy trong xenlulozơ hoặc cao su,…
• Các loại polyme tổng hợp thường do con người tạo ra như nhựa phenol-formaldehyd, polyetylen… Ngoài ra còn có một loại polyme nhân tạo gọi là polyme bán tổng hợp được tạo ra từ các polyme thiên nhiên và con người tạo ra các loại polyme mới như tơ visco, xenluloza trinitrat…

Phân loại theo tổng hợp

Khi phân loại theo tổng hợp polyme, nó được chia thành 2 loại:

• Polyme được tạo ra bằng phản ứng trùng hợp. Công thức chung của các polyme này là (–CH2–CHCl–)n và (–CH2–CH2–)n.
• Polyme ngưng tụ được tạo ra từ phản ứng ngưng tụ: Công thức chung của loại polyme này là (–HN–[CH2]6–NH–CO–[CH2]4–CO–)n.

Phân loại theo cấu trúc

Polyme có thể được phân loại dựa trên cấu trúc của chúng như sau:

• Polyme phân nhánh như Glycogen và Amylopectin.
• Polyme bao gồm các chuỗi không phân nhánh, chẳng hạn như PE, PVC, xenlulozơ, cao su, PS, tinh bột, v.v.
• Polyme bao gồm cấu trúc dạng mạng (mạng không gian), chẳng hạn như cao su lưu hóa, rezit, v.v.

Cấu trúc Polymer có đặc điểm nổi bật gì?

Phân tử polyme hiện được tạo thành từ các chuỗi liên kết với nhau. Các chuỗi sẽ kết nối với nhau và tạo thành các chuỗi phân nhánh hoặc không phân nhánh. Các chuỗi phân tử của Polymer sẽ kết nối với nhau thông qua các nhóm nguyên tử và do đó tạo thành một mạng lưới không gian.

Ví dụ chúng ta có:

• Chuỗi không phân nhánh (chuỗi thẳng): amylose, polyetylen,…
• Chuỗi phân nhánh: glycogen, amylopectin,…
• Mạch không gian (mạch mạng): bakelite, cao su lưu hóa,…

Hầu hết các polyme tồn tại ở dạng rắn, không hòa tan trong nước hoặc dung môi và đặc biệt không bay hơi.

Tính chất vật lý và hóa học của polyme

Để hiểu rõ hơn về hợp chất Polymer, mọi người có thể tìm hiểu thêm về tính chất vật lý và hóa học của nó:

Tính chất vật lý

Tính chất vật lý nổi bật nhất của Polymer là không bay hơi, tồn tại ở trạng thái rắn và có nhiệt độ nóng chảy không xác định (phạm vi nhiệt độ để hợp chất này nóng chảy khá rộng).

Khi nóng chảy, Polymer sẽ tạo thành chất lỏng khá nhớt, khi làm nguội chúng sẽ đông đặc lại và nhiều người gọi đây là nhựa nhiệt dẻo. Ngoài ra, cũng có một số loại Polymer không nóng chảy khi đun nóng mà sẽ phân hủy ngay và được gọi là nhựa nhiệt rắn.

Hầu hết các polyme không hòa tan trong dung môi và nước. Chỉ một số ít polyme có thể hòa tan trong dung môi thích hợp và tạo ra dung dịch nhớt. Ví dụ, polybutadiene sẽ hòa tan trong benzen.

Ngoài ra, hiện nay còn có nhiều loại polyme mềm dẻo như polypropylen, polyetylen…, polyme đàn hồi như polyisoprene, polybutadiene…, polyme có thể kéo thành sợi khá dai và bền như xenlulo, nylon-6…, polyme trong suốt có khả năng cách nhiệt, cách điện, polyme bán dẫn…

Tính chất hóa học

Polyme có khả năng tham gia vào ba phản ứng như phản ứng kéo dài chuỗi cacbon, phản ứng giữ chuỗi và phản ứng cắt chuỗi. Ba phản ứng này có tác động quan trọng đến tính chất hóa học của Polyme.

Phản ứng cắt chuỗi

Polyme có nhóm chức rất dễ thủy phân trong mạch. Do đó, khi polyme tham gia phản ứng trùng hợp sẽ tạo ra hiện tượng nhiệt phân ở nhiệt độ xác định để tạo thành các đoạn ngắn và monome 3 đầu.

Phản ứng phân hủy Polymer và tạo ra monome được gọi là phản ứng depolymer hóa. Một số Polymer này sẽ bị oxy hóa và chuỗi của chúng sẽ bị phá vỡ.

Phản ứng để giữ cho mạch nguyên vẹn

Các polyme có nhóm chức năng nằm ngoài chuỗi hoặc có liên kết đôi trong chuỗi sẽ tham gia vào các phản ứng đặc trưng của nhóm hoặc liên kết đó.

Phản ứng tăng mạch máu

Ở nhiệt độ lý tưởng hoặc chất xúc tác thích hợp, các chuỗi polyme có khả năng liên kết với nhau và tạo thành mạng lưới hoặc chuỗi dài hơn. Ví dụ, phản ứng lưu hóa có thể biến nhựa rezol thành nhựa rezit và biến cao su thành cao su lưu hóa… Phản ứng liên kết các chuỗi polyme sẽ tạo ra mạng lưới không gian và nhiều người gọi đây là phản ứng dùng để liên kết chéo các chuỗi polyme.

Polyme được điều chế bằng phản ứng nào?

Người ta thường sử dụng phản ứng ngưng tụ hoặc trùng hợp để điều chế Polymer như sau:

Chuẩn bị bằng phản ứng trùng hợp

Đây là phản ứng trong đó các phân tử monome giống hệt nhau hoặc tương tự nhau được liên kết với nhau để tạo thành một phân tử lớn gọi là Polymer. Cấu trúc của monome trong phân tử cần phải có liên kết bội (ví dụ CH2 = CH–C6H5, CH2 = CH2,…) hoặc một vòng yếu để mở ra để tham gia phản ứng trùng hợp. Sau đây là hình minh họa về phản ứng trùng hợp được sử dụng để điều chế Polymer:

Chuẩn bị bằng phản ứng ngưng tụ

Đây là phản ứng trong đó các phân tử monome nhỏ được liên kết với nhau để tạo thành các phân tử lớn gọi là polyme. Đồng thời, nó giải phóng các phân tử khác như H2O… Nói một cách đơn giản hơn, ngưng tụ là quá trình ngưng tụ các phân tử nhỏ để tạo thành các phân tử rất lớn.

Điều kiện để phản ứng ngưng tụ xảy ra là các phân tử monome phải có ít nhất 2 nhóm chức có khả năng phản ứng và tạo liên kết để tham gia phản ứng. Sau đây là hình ảnh minh họa phản ứng ngưng tụ để điều chế Polymer:

Polyme có ứng dụng gì trong sản xuất và đời sống?

Trong lĩnh vực sản xuất và đời sống, Polymer là hợp chất thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp và lĩnh vực khác nhau. Người ta có thể thấy hợp chất này tồn tại trong ngành dệt may, văn phòng phẩm, bao bì, đồ chơi, xây dựng, máy bay, nhựa, v.v. Trong đó, Polymer có 4 ứng dụng nổi bật nhất trong sản xuất và đời sống: làm cao su, tơ tằm, nhựa và keo dán.

Nhựa

Nhựa được làm từ hợp chất polyme và là vật liệu mềm dẻo. Ngoài polyme, nhựa còn chứa một số hợp chất khác như chất độn để tăng độ bền, chất hóa dẻo để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chế biến sản phẩm, chất tạo hương vị, chất phụ gia để tạo ra nhiều màu sắc, v.v.

Nhựa thường có những ưu điểm nổi trội như cách điện, độ bền, nhẹ, nhiều màu sắc, dễ gia công, cách nhiệt… nên đã dần thay thế các vật liệu dễ vỡ như thủy tinh, sứ, kim loại,… trong nhiều lĩnh vực.

Polyme được sử dụng làm nhựa

Lụa

Lụa chủ yếu được làm từ polyme tự nhiên hoặc polyme tổng hợp có thể kéo thành sợi chắc và có cấu trúc thẳng. Dựa trên nguồn gốc và quy trình sản xuất, lụa cũng được chia thành lụa tự nhiên (lụa có trong tự nhiên như bông, lụa, đay, v.v.) và lụa hóa học được làm từ polyme tự nhiên hoặc các chất đơn giản.

Các loại polyme dùng trong sản xuất tơ lụa

Ngày nay, lụa hóa học sẽ được sử dụng phổ biến hơn lụa tự nhiên vì nó mang lại nhiều lợi ích hơn cho người sử dụng như tính thẩm mỹ, độ bền, nhanh khô và dễ giặt.

Cao su

Cao su chủ yếu được làm từ polyme tổng hợp đàn hồi hoặc polyme tự nhiên. Nhiều người đã phân loại cao su thành hai loại: cao su tổng hợp và cao su tự nhiên dựa trên các hợp chất tạo nên nó. Cao su Buna thường được sử dụng trong sản xuất và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vỏ bọc dây điện, lốp xe, quần áo lặn, áo mưa, v.v.

Polyme được sử dụng trong cao su

Những đặc tính nổi bật nhất của cao su là không thấm nước, đàn hồi, chống mài mòn, cách điện và kín khí.

Keo dán

Keo dán được làm từ hợp chất Polymer vì nó có khả năng liên kết hai mảnh vật liệu tương tự nhau mà không làm biến dạng vật liệu liên kết. Keo dán có thể tạo ra một lớp màng rất mỏng và bền, nó có thể bám dính rất chắc vào hai mảnh vật liệu. Do đó, nó có thể liên kết rất mạnh ở bên trong và bên ngoài.

Polymer dùng làm chất kết dính

Dựa trên tính chất hóa học, keo được phân loại thành keo hữu cơ như keo epoxy, keo tinh bột,… hoặc keo vô cơ như bột trét vô cơ, thủy tinh lỏng,… Hoặc người ta có thể phân loại keo theo loại keo như keo lỏng, keo bột hay keo nhựa,…

Bài viết trên đã chia sẻ khá nhiều thông tin về hợp chất Polymer đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực hiện nay. Khi mọi người hiểu rõ hơn về hợp chất này, bạn có thể lý giải được tại sao các vật thể làm từ hợp chất Polymer lại bền và dẻo dai đến vậy.

Xem các bài viết liên quan: