ĐỀ tài 10 TRÌNH bày TÍNH TRƯƠNG và TÍNH TAN của POLYMER các yếu tố ẢNH HƯỞNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CÔNG NGHỆ HÓA-THỰC PHẨM .……. ĐỀ TÀI : TRÌNH BÀY TÍNH TRƯƠNG VÀ TÍNH TAN CỦA POLYMER. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG GVHD: CAO VĂN DƯ LỚP: 08CH112 NHÓM III: 1.DƯƠNG THỊ NGỌC DUNG 2. LÊ TRIỆU DƯƠNG 3. NGUYỄN TIẾN DUY 4. NGUYỄN THANH HẢI I. TỔNG QUAN VỀ DUNG DỊCH POLYMER 1/ Khái niệm dung dịch: - Sự hòa tan: đó là trường hợp riêng về sự phân bố (phân tán) của một cấu tử này vào một cấu tử khác (hay một thành phần vào thành phần khác). Hệ thống nhiều cấu tử, mà trong đó các cấu tử ở trạng thái phân tán, được gọi là hệ phân tán. - Mức độ chia nhỏ của các cấu tử gọi là mức độ phân tán. Tùy thuộc vào mức độ phân tán, các hệ thống phân tán được chia thành các loại gel sau: gel, hệ gel, dung dich thật. - Dung dich thật là những hệ thống phân tán, mà trong đó các cấu tử phân tán cho đến tận phân tử, nguyên tử hoặc ion. - Dung dịch thật là một hệ thống phân tán phân tử, nó được đặc trưng bằng những đặc điểm sau: • Tồn tại ái lực các phân tử, những chất phân cực thì dễ phân tán vào nhau. • Quá trình tạo thành dung dịch thật là quá trình tự xảy ra, không cần ngoại lực tác dụng. • Nồng độ của dung dịch không thay đổi theo thời gian khi điều kiện bên ngoài (t, C,P ) không thay đổi. • Dung dịch thật là một hệ thống đồng thể. • Bền nhiệt đông học (các hệ keo không bền về nhiệt động). • Các thông số nhiệt động không thay đổi khi điều kiện bên ngoài không thay đổi - Các dung dịch polymer là dung dịch thật khi tan hoàn toàn trong dung môi và đáp ứng các điều kiện trên. Hoặc ở trạng thái gel khi trương trong dung môi. - Sự tác dụng tương hỗ của các polymer với các chất lỏng thấp phân tử dẫn đến sự trương và hòa tan của polymer. Trong nó, có ý nghĩa thức tế rất lớn trong quá trình gia công polymer cũng như trong quá trình sử dụng vật liệu polymer - Chẳng hạn như sợi tổng hợp và màng mỏng thu được từ dung dich. Quá trình hóa dẻo cũng dựa trên cơ sở của việc trương polymer trong các chất hóa dẻo. sơn keo cũng là những dung dịch của polymer. - Trong quá trình sử dụng sản phẩm khi sản phẩm luôn phải tiếp xúc với dung môi, dung dịch thấp phân tử, nên việc tìm hiểu về dung dịch polymer là cần thiết. 2/ Dung dịch polymer - Dung dịch polymer là hệ gồm polymer và hợp chất thấp phân tử. Hợp chất thấp phân tử đóng vai trò là dung môi, polymer là chất hòa tan. - Dung dịch polymer là một hệ bền nhiệt động học, không khác với một dung dịch của một hợp chất thấp phân tử, nhưng lực tổng hợp và solvat hóa lớn ngay trong dung dich loãng. - Khi trộn dung môi và polymer thì xảy ra quá trình xâp nhập của dung môi vào trong polymer và làm cho thể tích của polymer tăng dần, gọi là sự trương. - Nếu polymer trương không giới hạn trong dung môi thì sẽ xảy ra quá trình hòa tan của polymer trong dung môi.  Polyme trương là dung dịch của chất thấp phân tủ trong hợp chất cao phân tử - Sự trương khác với sụ trộn lẫn 2 chất thấp phân tủ là ở chổ quá trình xảy ra từ một phía do sự khác nhau lớn về độ khuếch tán của chất thấp phân tử vào cao phân tử. - Trong khi polyme hấp thụ dung môi, các phân tử chua kịp chuyễn chổ vào pha dung môi, chỉ sao khi các mạch polyme đủ linh động, các tương tác giữa các phân tử yếu đi, sự khuếch tán các phân tử polyme vào pha dung môi mới bắt đầu. 3/ Quá trình hòa tan polymer gồm 4 giai đoạn • Hệ dị thể gồm pha polymer và pha dung môi • Hệ dị thể, gồm một pha là dung dịch chất lỏng thấp phân tử trong polymer (polymer trương) và một pha chất lỏng thấp phân tử • Hệ dị thể, gồm một pha là dung dịch chất lỏng thấp phân tử trong polymer và một pha dung dịch polymer trong chất lỏng thấp phân tử • Hệ đồng thể, gồm có sự xâm nhập polymer vào chất lỏng thấp phân tử, cả hai pha là đồng nhất. II. TÍNH TRƯƠNG VÀ HÒA TAN CỦA POLYMER 1/ Trương giới hạn và trương không giới hạn: - Một polymer chỉ tan trong một số dung môi nhất định, trước quá trình hòa tan bao giờ cũng xảy ra hiện tượng trương. - Sự trương: là quá trình thâm nhập các phân tử nhỏ dung môi vào pha polymer có khối lượng phân tử lớn, vào những chỗ trống hay xốp, tương tự như sự hấp thụ của chất lỏng bay hơi trên chất hấp thụ rắn. - Sự trương không chỉ là sự thấm của các phân tử dung môi vào pha polymer lấp đầy các lỗ trống hoặc xốp trong mạng lưới mà sự trương liên quan tới sự chuyển chỗ của mạch polymer, nghĩa là có sự thay đổi cấu trúc của nó, làm tăng thể tích mẫu, không xảy ra sự phân cắt các liên kết dọc theo mạch mà chỉ phá hủy các liên kết giữa các mạch cao phân tử. - Hiện tượng trương chia làm 2 loại: • Trương giữa các cấu trúc: dung môi chui vào khoảng trống giữa các cấu trúc. • Trương bên trong cấu trúc: dung môi thấm vào bên trong các cấu trúc. • Trương có thể là trương có giới hạn hoặc không giới hạn. 1.1 / Trưng có giới hạn: - Là sự tương tác giữa polymer với chất lỏng thấp phân tử. - Nó được giới hạn bởi giai đoạn hấp thụ dung môi của mạng lưới polymer (quá trình hấp thụ chất lỏng tự xảy ra của polymer).  Các phân tử polymer ko hoàn toàn bị tách rời nhau, nên 2 pha được hình thành: • Dung dịch của chất lỏng thấp phân tử trong polymer và một pha là dung môi nguyên chất (nếu polymer hoàn toàn ko tan) • Dung dịch polymer loãng ( pha chất lỏng thấp phân tử tinh khiết). - Hai pha này có bề mặt phân chia rõ rệt và ở trạng thái cân bằng.  Trương giới hạn: thể tích của polymer ly chỉ tăng dần đến một giới hàn nào đó không phụ thuộc vào hàm lượng của dung dung môi. 1.2 / Trương không giới hạn: - Ở điều kiện nhất định polymer sẽ tan hoàn toàn. - Trương không giới hạn: Là giai đoạn đầu của quá trình tan tự xảy ra khi các mạch polymer tách xa nhau và trộn lẫn được với các phân tử của chất lỏng thấp phân tử. - Trương không giới hạn cũng tương tự như sự trộn lẫn của các chất lỏng thấp phân tử, chỉ khác nhau về thời gian, do kích thước của polymer gấp hàng ngàn lần kích thước dung môi.  Là sự trương có thể dấn tới sự hình thành dung dịch (nó bao gồm 2 hình thành ở trên). Muốn có sự trương không giới hạn thì polymer phải có ái lực với dung môi. - Khi polymer trong dung dịch có thể tạo hệ trương hoặc polymer không tan thì ta có cấu trúc gel. - Trương có giới hạn sẽ có (hoặc không) thể chuyển thành trương không giới hạn khi ta thay đổi điều kiện tùy thuộc vào bản chất. Tùy theo cấu trúc chia làm 2 loại gel:  Gel loại 1: - Là hệ polymer – dung môi trong đó mạng lưới được hình thành từ các liên kết hóa học bền giữa các phân tử. các liên kết này không bị phá hủy bởi nhiệt độ, không có hiện tượng thay đổi nhiệt độ, do đó gel không thể chảy ở bất kỳ một nhiệt độ nào, nếu tiếp tục nâng nhiệt độ thì polymer sẽ bị phá hủy, nhiệt độ đó là nhiệt độ không hồi phục. - Gel loại 1 được hình thành trong các trường hợp: • Polymer mạch thẳng không gian trương trong dung môi (trương giới hạn) • Trùng hợp hay trùng ngưng 3 chiều trong dung môi • Quá trình đóng rắn, tạo mạng ngang trong dung môi.  Gel loại 2: - Khi liên kết giữa các phân tử là các lực liên kết phân tử có bản chất khác nhau (liên kết vật lý), các liên kết này bền trong những điều kiện nhất định, khi thay đổi các điều kiện nhiệt độ dung môi liên kết này bị phá vỡ, gel sẽ được chuyển thành dung dịch thực, hiện tượng này gọi là hiện tượng chảy gel - Gel loại 2 được thành lập từ tương tác của polymer mạch thẳng hoặc nhánh với dung môi, trong đó các polymer có chứa nhóm phân cực và dung môi không là dung môi tốt của polymer hoặc dung môi tương tác tốt với nhóm phân cực này nhưng không tương - Đôi khi do việc chọn dung môi và nhiệt độ không thích hợp có thể thành gel hai pha hoặc trong quá trình hòa tan dung dịch sẽ đục do tạo thành các hạt gel nhỏ phân bố trong dung dịch Các polymer có cấu trúc mạch thẳng: - Quá trình trương có giới hạn cũng giống như quá trình trộn lẫn có giới hạn của các chất lỏng ở những điều kiện xác định (áp suất, nhiệt độ ) polymer có thể trương giới hạn nhưng nếu các điều kiện đó thay đổi (vd: nhiệt độ cao hơn,…) thì tính trương giới hạn có thể chuyển thành không giới hạn. - Sự trương giới hạn của polymer mạch thẳng xảy ra ở nhiệt độ thường là do tương tác giữa các mạch lớn hơn là tương tác của polymer với dung môi nên các mạch không thể tách xa nhau. Khi tăng nhiệt độ, các liên kết giữa các mạch có thể bị phá hủy nên sự trương hạn chế trở thành không hạn chế. Các polymer có cấu trúc mạch không gian: - Các liên kết ngang là liên kết hóa học bền, ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ phân hủy polymer, các mạch không thể tách xa nhau, các polymer này chỉ có thể trương tạo thành dạng động keo mà không thể tan. 2/ Hệ phân tán keo: - Sự tan sẽ không xảy ra nếu không có ái lực giữa polymer và dung môi, trong trường hợp này sẽ tạo ra hệ phân tán keo. Nếu là polymer vô định hình thì ta có hệ huyền phù. - Hệ keo điển hình là mủ cao su (latex tự nhiên) đó là hệ các hạt cao su phân tán trong nước. - Huyền phù tạo ra do trùng hợp huyền phù các polymer được gọi là latex tổng hợp, polymer phân tán trong môi trường nước hệ latex là hệ keo có các tính chất điển hình: • Hệ không tự động tạo thành • Tập hợp thành những hạt không bền vững nhiệt động do tồn tại bề mặt phân chia pha rất rõ giữa polymer và dung môi. - Do đó trong hệ keo thì năng lượng bề mặt rất cao và thường đi kèm theo hiện tượng đông tụ polymer nhằm giảm năng lượng bề mặt hệ và tách polymer ra. - Để hệ keo bền vũng và tránh hiện tượng keo tụ thì chúng ta cần có các chất ổn định dung dich thật và hệ phân tán keo là hai trường hợp ở hai cực: liên kết bền và liên kết cực yếu giữa polymer và dung dịch thấp phân tử, giữa hai trường hợp này là các trường hơp trung gian. 3/ Bản chất của quá trình trương: - Liên kết hấp phụ của polymer và dung môi kèm theo hiệu ứng nhiệt (thông thường tỏa nhiệt) - Sự xâm nhập khuếch tán của phân tử dung môi vào trong cấu trúc polymer làm thay đổi entropy ( tăng entropy) a.Mức độ trương - Là thông số đánh giá khả năng trương của polymer. - Độ trương là một hàm theo thời gian và tăng dần theo thời gian, vận tốc trương xảy ra nhanh ở giai đoạn đầu và chậm dần đến khi đạt giá trị cân bằng, khi đó ta có độ trương cân bằng. tùy theo cấu trúc mạng lưới mà chúng ta có tốc độ trương và độ trương cân bằng khác nhau. - Khi polymer có thể trương trong một dung môi thì nó có thể trương trong hơi dung môi đó, nhưng tốc độ trương trong dung môi lớn hơn tốc độ trương trong hơi dung mô, tuy nhiên độ trương tối đa là như nhau. - Độ trương âm khi sự trương trong dung môi làm thoát đi lượng tạp chất trong polymer. -Mức độ trương có thể được biểu thị bằng phương pháp trọng lượng hay phương pháp thể tích: - Theo phương pháp trọng lượng - Theo phương pháp thể tích: - Trong đó: • m o : khối lượng mẫu polymer ban đầu • m: khối lượng mẫu polymer sau trương • V o : thể tích mẫu polymer ban đầu V: thể tích mẫu polymer sau trương - Chỉ có thể xác định mức độ trương ở những polymer trương có giới hạn vì trong trường hợp trương không giới hạn polymer bắt đầu hòa tan và trọng lượng của mẫu bị giảm dần. - Khi so sánh độ trương của hai polymer cần phải dung giá trị độ trương cực đại. - Độ trương cực đại hay mức độ trương cân bằng ở các polymer khác nhau là khác nhau và có ý nghĩa thực tế. polymer có thể hấp thụ chất lỏng thì cũng hấp thụ được pha hơi, nhưng với tốc độ nhỏ hơn, còn mức độ trương cực đại là như nhau. - Sự phụ thuộc độ trương vào thời gian: 1. polymer trương nhanh 2. polymer trương châm 4/ Tính tan - Sau quá trình trương là quá trình tan của polymer. Quá trình hòa tan polymer được coi như là quá trình trộn lẫn nó với dung môi. - Quá trình này xảy ra theo phương trình nhiệt động học với sự giảm năng lượng tự do: ΔG = ΔH - TΔS < 0 - Ở nhiệt độ không đổi, quá trình này có thể xảy ra với sự biến đổi entropy ΔG và ΔH của hệ. - Hiệu ứng nhiệt hòa tan của polymer và dung môi III. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH TRƯƠNG VÀ HÒA TAN CỦA POLYMER Khả năng phân tán hay trương của một polymer trong dung môi phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau 1/ Bản chất của polymer và dung môi: - Yếu tố gây ra trương và tan của polymer mạch thẳng vô định hình là cấu trúc hóa học của polymer và dung môi, trước hết là tính phân cực. - Polymer và dung môi có độ phân cực, cấu tạo càng tương xứng hoặc năng lượng tương tác giữa các phân tử là đồng nhất với ΔH ΔS ΔG Hiệu ứng nhiệt Polymer – dung môi < 0 > 0 < 0 Tỏa nhiệt nitroxenlulozô - xyclohexanol < 0 < 0 < 0 Tỏa nhiệt (khi ΔH > TΔS) Anbumin lòng trứng- nước = 0 < 0 < 0 = 0 polyisobutylen - isooctan > > 0 < 0 Thu nhiệt (khi ΔH < TΔS) Cao su tự nhiên - toluen nhau thì khả năng trương hoặc hòa tan càng lớn. Nếu khác nhau nhiều về tính phân cực thì sự trương và tan không xảy ra. + Polymer phân cực mạnh sẽ trương và hòa tan trong dung môi phân cực mạnh + Polymer phân cực trung bình sẽ trương và hòa tan trong dung môi phân cực trung bình + Polymer phân cực yếu sẽ trương và hòa tan trong dung môi phân cực yếu Ví dụ: • Polyme hydrocacbon vô định hình không phân cực (polyisobutylene, polyisoprene, polybutadien ) dễ dàng tan trong dung môi hidrocacbon bão hòa hoặc hỗn hợp của chúng (benzene) các polymer này không tan hoặc chỉ trương trong dung môi phân cực như axeton • Polyme có chứa nhóm phân cực như (cenluloza, nitrat, polyacrylamit…) không tan trong dung môi không phân cực nhưng tan trong dung môi phân cực. - Tuy nhiên, cũng có ngoại lệ khi ta thay đổi điều kiện ngoài như tăng nhiệt độ,… - Một số polymer phân cực mạnh chỉ có thể trương đến một phạm vi giới hạn trong các dung môi phân cực mạnh do mạch của nó quá cứng. Ví dụ: • Polystyrene (PS) không tan trong nước và rượu nhưng tan tốt trong benzene và toluene. • Polymethylmethacrylate (PMMA) không tan trong nước và hydrocarbon mà chỉ tan tốt trong dichloethan. • Polycloren không trương và không tan trong nước mà trương giới hạn trong xăng và tan tốt trong dicloethan và bebzen… 2/ Trọng lượng phân tử của polymer - Độ hòa tan giảm khi trọng lượng phân tử tăng. Trong hỗn hợp polymer phần tử nhỏ có thể hòa tan nhưng khi trọng lượng phân tử càng lớn, tức là chiều dài mạch càng lớn [...]... lượng để hòa tan - Các polymer có độ uốn dẻo cao thì dễ trương và tan hơn polymer cứng vì nếu phân tử uốn dẻo, các phần riêng của mạch có thể chuyển động không cần chi phí năng lượng lớn Tính trương của mạch uốn dẻo được thực hiện bằng sự chuyển chỗ liên tục của các mắt xích Vì thế các polymer có mạch uốn dẻo về nguyên tắc là trương và tan - Các polymer có cấu trúc vô định hình tan tốt hơn polymer kết... hóa học của polymer - Thành phần hóa học của các mạch polymer trong cùng một loại polyme có thể rất khác nhau do quá trình chuẩn bị, do đó đưa đến khả năng hòa tan của chúng cũng khác nhau - Tính tan của những polymer có nhóm chức phụ thuộc vào bản chất nhóm chức và số lượng nhóm chức - Về mặt nhóm chức có thể dùng quy luật tan của nhóm chức ở chất thấp phân tử Ví dụ: • Triaxetatxenlulozo tan trong... giữa các mạch càng lớn, cho nên muốn tách rời các mạch dài với nhau cần tiêu tốn năng lượng lớn - Tăng M thì khả năng hòa tan sẽ giảm, thậm chí những polymer có M thấp có thể trộn lẫn với những chất lỏng mà polymer có M cao không thể trộn lẫn Lợi dụng tính chất này để tách các polymer đồng đẳng thành các polymer có độ đa phân tán thấp 3/ Độ mềm dẻo của mạch polymer - Cơ chế hòa tan polymer là tách các. .. nhau và khuếch tán vào trong dung môi - Đối với mạch mềm việc linh động chuyển dịch làm đơn giản quá trình tách các polyme với nhau Polymer càng mềm dẻo thì càng dễ hòa tan - Polymer mạch cứng tốc độ hòa tan sẽ giảm vì nếu mạch cứng không thể di chuyển theo từng phần được, để tách được các mạch cứng cần tiêu tốn năng lượng lớn do các nhóm chức phân cực làm cứng mạch và liên kết lẫn nhau Do đó đối với các. .. không tan trong hydrocacbon,chỉ trương han chế trong axeton và ete Axetat xenluzo chứa 54- 57% nhóm axetat tan không giới hạn trong axeton và ete • Nitrat xenlulo chiếm khoảng 10 - 12% nitơ tan trong axeton ,tuy nhiên xenluloza trinitrat (cellulozơ trinitrate) không tan trong axeton 5/ Cấu trúc tinh thể của polymer: - Các liên kết liên phân tử lớn, các mạch polymer sếp khối càng chặt đưa đến việc hòa tan. .. chiếm giữa của polymer lớn thì dễ hòa tan hơn - Polymer tinh thể hòa tan kém hơn polymer vô định hình vì trong cấu trúc của polymer tinh thể các mạch phân tử đã được định hướng và lực tác dụng tương hỗ giữa chúng rất lớn vì chúng cần năng lượng để phá vỡ cấu trúc tinh thể Ví dụ: ở 20OC PE chỉ trương có giới hạn trong n-hexan và chỉ tan khi nung nóng 6/ Mật độ cầu nối ngang - Sự tồn tại các liên kết... (liên kết ngang) giữa các mạch phân tử polymer ngăn cản việc tách các mạch phân tử rời xa nhau và do đó khó chuyển vào dung dịch - Polymer mạch không gian không hòa tan - Polymer có lượng liên kết ngang không lớn có thể trương tới hạn Ví dụ: nhựa phenol – formandehyt loại rezolic cấu tạo mạch thẳng tan tốt trong rượu, axeton Loại rezitol chỉ trương giới hạn, còn loại rezit mất hẳn tính trương - Chỉ cần... hòa tan Liên kết cầu tăng tính trương va tính tan sẽ giảm - Mật độ liên kết ngang thưa thớt thì polymer chỉ trương có giới hạn Nếu tiếp tục tăng mật độ liên kết ngang thì sẽ mất khả năng trương hoặc trương rất ít Ví dụ : Chỉ cần 0.16g S hoặc 0.08g oxygene/1kg NG có thể chuyển NR thành không hòa tan 7/ Nhiệt độ - Nhiệt độ có thể giúp cho polyme hòa tan tốt hơn hay tách pha tùy theo bản chất của polymer. .. của polymer và dung môi - Nhìn chung độ hòa tan tăng khi ta tăng nhiệt độ Một số loại polymer mạch thẳng trương có giới hạn, khi đốt nóng lại có khả năng trộn lẫn không giới hạn với chất lỏng thấp phân tử III ỨNG DỤNG CỦA DUNG DỊCH POLYMER - Hòa tan polymer trong ngành sơn - Hòa tan polymer làm keo dán - Tạo môi trường phân tán cho phản ứng tổng hợp polymer - Ngoài ra với sự phát triển của khoa học... ứng dụng vào một số nghành công nghệ cao như: - Làm chip Người ta có thể in chip chất dẻo lên các mặt hàng tiêu dùng như áo phông, vỏ hộp đồ uống và hộp thực phẩm để hiển thị những thông tin liên quan Vật liệu này không chỉ đảm bảo tính linh hoạt mà giá cả cũng rất thấp, đồng thời nó cũng có khả năng như chất bán dẫn silicon - Được dùng trong nhiều màn hình phẳng hiện nay, LEP là chất mà các phân tử . entropy ΔG và ΔH của hệ. - Hiệu ứng nhiệt hòa tan của polymer và dung môi III. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH TRƯƠNG VÀ HÒA TAN CỦA POLYMER Khả năng phân tán hay trương của một polymer trong. môi phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau 1/ Bản chất của polymer và dung môi: - Yếu tố gây ra trương và tan của polymer mạch thẳng vô định hình là cấu trúc hóa học của polymer và dung môi,. TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CÔNG NGHỆ HÓA-THỰC PHẨM .……. ĐỀ TÀI : TRÌNH BÀY TÍNH TRƯƠNG VÀ TÍNH TAN CỦA POLYMER. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG GVHD: CAO VĂN DƯ LỚP: 08CH112 NHÓM III: 1.DƯƠNG THỊ NGỌC