304
304

Chương 8

vật liệu polyme Vật liệu polyme là loại vật liệu có tốc độ phát triển rất nhanh trong những
năm gần đây (sau đại chiến II), được sử dụng rộng ri trong sinh hoạt cũng như
trong kỹ thuật, chiếm tỷ lệ ngày một cao. Khác với các vật liệu truyền thống (kim
loại, ceramic), vật liệu polyme có sức cạnh tranh lớn nhờ các đặc tính nhẹ, rẻ, dễ
tạo hình, tạo màu sắc... Rõ ràng là vật liệu này đóng vai trò ngày một quan trọng,
như một số nhà khoa học đ cho rằng hiện loài người bắt đầu vào thời kỳ vật liệu
polyme.

Sở dĩ có tên gọi như vậy là do nó được tạo thành chủ yếu từ
polyme
(nhóm
chất hữu cơ tổng hợp), do vậy còn có tên là
hữu cơ
. Một tên khác cũng khá thông
dụng là chất dẻo (plastics) là gọi theo nhóm chiếm tỷ lệ chủ yếu trong loại này.
Polyme đầu tiên mà loài người biết là loại có nguồn gốc tự nhiên, từ thực, động vật
(gỗ, cao su, bông len, da, tơ và ngay cả protein, enzim, tinh bột, xenlulô). Trong
thế kỷ 20 loài người đ tổng hợp được polyme với giá rẻ và có các tính chất ưu việt
hơn polyme tự nhiên, đ mở ra sự phát triển nhảy vọt cho loại vật liệu này.

Có thể định nghĩa polyme như sau: "

các nguyên tử là đồng hóa trị. Mỗi nguyên tử cacbon có bốn điện tử tham gia vào
liên kết này (hình 1.1c), trong đó mỗi nguyên tử hyđrô chỉ có một điện tử liên kết.
Liên kết
đơn
tồn tại khi mỗi một trong hai nguyên tử liên kết (là C và H) đều góp
một điện tử; còn liên kết giữa hai nguyên tử cacbon là nhờ mỗi nguyên tử trong
chúng góp chung hai điện tử, tức có liên kết
đôi
. Ví dụ phân tử ethylen C
2
H
4
có thể
được trình bày dưới dạng: 305
305
H H





C = C, trong đó:

là liên kết đơn




2n+2
gồm mêtan (CH
4
),
êtan (C
2
H
6
), prôpan (C
3
H
8
), butan (C
4
H
10
), pentan (C
5
H
12
), hexan (C
6
H
14
) công thức
phân tử như sau:
H H H H H H

















H H H H H H
(CH
4
) (C
2
H
6
) (C
3
H
8
)
(tương tự với C
4
H
10
, C


H H













H

C

C

C

C

H H


OH
R

OH (rượu metyl), R

O

R (ête dimetyl), R

C (axit axêtic),
O
với R là gốc metyl CH
3
, ngoài ra trong các hợp chất khác R có thể là các gốc hữu
cơ êtyl C
2
H
5
, benzyl C
6
H
5
(với mạch vòng). 306
306
Từ các phân tử hữu cơ (hyđrôcacbon) kể trên người ta có thể tổng hợp
thành phân tử polyme.




C

C

C

C

C

C

C

C

, trong đó mỗi






me. b.

Cấu trúc phân tử của PE

(polyêtylen)
Từ các phân tử êtylen C
2
H
4
(ở dạng hơi) dưới tác dụng của xúc tác, nhiệt
độ, áp suất thích hợp, liên kết đôi bị gy, mở về hai phía và sự hợp nhất lại của
chúng sẽ tạo nên mạch và phân tử polyêtylen (PE) như ở hình 8.1.
H H H H H H H H




























H H H H H H H H
a) b) c)

Hình 8.1.
Quá trình hình thành phân tử polyêtylen: a. phân tử êtylen, b. nối đôi
gãy và mở về hai phía, c. mắt xích (me) hợp nhất thành polyêtylen. c.

Cấu trúc phân tử của các polyme thường gặp




C

C



C

C



C

C



C

C

O
a) PVC b) PP c) PS d) PMMA

F F





Hình 8.2.

Cấu trúc phân tử (me) của các polyme có

C

C


dáng dấp như PE: a. PVC (polyvinyl clorit), b. PP





(polyprôpylen), c. PS (polystyren), d.

PMMA

Hình 8.3.
Cấu trúc phân tử
(me) của:
a. bakêlit,
b. nylon 6,6,
c. PET,
d. polycacbonat

d.

Khối lượng phân tửChúng ta đ khảo sát bản chất hóa học của me và mạch polyme, bây giờ
hy xem các mạch đó dài bao nhiêu tức khối lượng phân tử của polyme lớn như 308
308
thế nào, vì đại lượng này có ảnh hưởng nhất định đến các tính chất.
Người ta nhận thấy rằng các phân tử polyme có khối lượng (chiều dài) hết
sức khác nhau: một số phân tử tương đối nhỏ (mạch ngắn), một số lớn (mạch dài),
còn đa số là trung bình. Độ dài của mạch có ảnh hưởng lớn đến các nhiệt độ chảy
và biến mềm, các nhiệt độ này tăng lên theo sự tăng của khối lượng phân tử cũng
Hình 8.4.
Sơ đồ mạch cacbon
trong mặt phẳng (a), trong không
gian (b) và hình dạng mạch trong
không gian với nhiều chỗ uốn,
lượn, gập, vòng (c,d). Cách biểu thị cấu trúc phân tử hai chiều như biểu thị ở hình 8.1c chỉ có tính
ước lệ vì thực tế góc liên kết đơn giữa hai nguyên tử cacbon không phải là 180
o

như biểu thị bằng đường thẳng mà chỉ là 109
o
(chính xác là 109
o
,5) như ở hình
8.4a với khoảng cách giữa các nguyên tử là 0,154
nm

vòng benzyl sẽ quay khó khăn hơn so với PE (hình 8.1c) tuy cả hai có cùng một
kiểu mạch.

b.

Phân loại mạchCác tính chất vật lý của polyme không những chỉ phụ thuộc vào khối lượng
và hình dạng phân tử mà cả vào sự khác nhau trong cấu trúc mạch phân tử polyme.
Kỹ thuật tổng hợp polyme ngày nay cho phép điều chỉnh cấu trúc sản phẩm theo
một số hướng. Về mặt cấu trúc mạch được chia ra bốn loại: thẳng, nhánh, lưới và
không gian như biểu thị ở hình 8.5. Hình 8.5.
Cấu trúc của polyme: a. mạch thẳng, b. mạch nhánh,
c. mạch lưới, d. mạch không gian (các nút tròn là các me). Polyme thẳng (linear polymer)
Là loại polyme trong đó các me liên kết với nhau thành một mạch duy
nhất. Những mạch này rất mềm dẻo, có thể hình dung như những sợi dài (hình
8.5a), nằm cùng chiều sát bên nhau nên có khối lượng riêng lớn hơn. Liên kết giữa
các mạch thẳng là loại Van der Waals đóng vai trò quan trọng. Các polyme thông 310
310
dụng có cấu trúc mạch thẳng là PE, PVC, PS, PMMA, chúng thường là nguyên

nguyên tử khác (như F, Cl) và những nhóm nguyên tử (như CH
3
, C
6
H
5
) liên kết với
nguyên tử cacbon mà người ta gọi chung là nhóm thế R. Sự phân bố điều hòa và
đối xứng của những nhóm này có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất.

H H H H H H H H H H







































H

R
H
R
H
R
H





















C





















H
R
H
R
H
R
H

C

C

C

C

C

C

a. R ở cùng một bên (izotactic),











b. R ở cả hai bên(syndiotactic).

H


H

CH
3
CH
2

C
=
C C
=
C

CH
2
CH
2




CH
2

H


kết với khối của monome thứ hai,
- ghép (hình d), mạch chính là một monome, còn các nhánh là thuộc
monome khác.
Hình 8.9.
Sơ đồ mạch của các
polyme đồng trùng hợp:
a. ngẫu nhiên,
b. xen kẽ,
c. khối,
d. ghép
mạch gấp cho ta quan niệm chính xác hơn về cấu trúc này.

Theo mô hình này các tinh thể polyme có hình dạng đều đặn, là tấm mỏng
với chiều dày cỡ 10
nm
và chiều dài cỡ 10
à
m
, được tạo thành từ các mạch phân tử
tự gấp đi gấp lại nhiều lần với các nếp gấp nằm ở trên bề mặt như biểu thị ở hình
8.11. Chiều dài trung bình của mạch rõ ràng là lớn hơn rất nhiều chiều dày của
tấm.

Một số các polyme kết tinh từ trạng thái nóng chảy tạo thành các tiểu cầu
(spherulit); như tên gọi của nó, các tiểu cầu có dạng hình cầu. Có thể coi tiểu cầu 313
313
là các tấm (dày ~ 10
nm
) tinh thể mạch gấp và vô định hình đan xen nhau, hướng từ
tâm ra ngoài. Phân cách giữa các tấm này là vùng vô định hình (hình 8.12) hay nói
khác đi các tấm này được liên kết với nhau bằng các mạch nối hoặc giằng qua các
vùng vô định hình này. Vậy đối với polyme, tiểu cầu được xem như là những hạt
như trong kim loại và ceramic đa tinh thể (tuy nhiên tiểu cầu cũng không có cấu
trúc tinh thể hoàn toàn vì nó gồm các tấm tinh thể và các khu vực vô định hình
gồm các mạch nối chạy qua). PE, PP, PVC, nylon hình thành cấu trúc tiểu cầu khi
chúng kết tinh từ trạng thái nóng chảy.