Đang tải... (xem toàn văn)
Polyme đồng trùng hợp khối và ghépCác hợp chất cao phân tử thiên nhiên đã được người ta biết đến từ lâu.Từ thời cổ đại con người đã biết sử dụng các loại vật liệu thiên nhiên như các loại sợi, da, cao su. Nhưng khái niệm hợp chất cao phân tử mới xuất hiện cách đây không lâu và hóa học cao phân tử mới được tách ra thành một môn khoa học độc lập từ những năm thứ 20 của thế kỉ này. Thoạt tiên người ta có thể ngạc nhiên về một điều là: tại sao các hợp chất cao phân tử có một tầm quan trọng rất lớn mà lại phát triển chậm như vậy? Đầu thập kỷ 1930 hầu hết các nhà khoa học đều bị thuyết phục về cấu trúc đại phân tử của polyme. Trong vòng 20 năm sau, những công trình về polyme tăng nhanh chóng, Sự ra đời tạp chí Polymer Science đăng những công trình nghiên cứu khoa học của polyme và những khai niệm cơ bản của ngành khoa học polyme.Những lý thuyết và thực nghiệm của Paul Flory nổi bật trong giai đoạn này, và ông đã nhận giải Nolben Hóa học 1974 vì những đóng góp lâu dài và quan trọng của ông trong lĩnh vực khoa học polyme. Năm 1953 Staudinger đã nhận giải Nobel vì những công trình nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực này. Chất dẻo, hay còn gọi là nhựa hoặc polime, là các hợp chất cao phân tử, được dùng làm vật liệu để sản xuất nhiều loại vật dụng trong đời sống hằng ngày cho đến những sản phẩm công nghiệp, gắn với đời sống hiện đại của con người. Chúng là những vật liệu có khả năng bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt, áp suất và vẫn giữ được sự biến dạng đó khi thôi tác dụng.Trong tiểu luận này em sẽ nghiên cứu các quá trình tổng hợp polyme nói chung và tìm hiểu tính chất, ứng dụng, tìm hiểu về polyme đồng trùng hợp khối, ghép và các phương pháp tổng hợp của chúng.
MỞ ĐẦU Các hợp chất cao phân tử thiên nhiên người ta biết đến từ lâu.Từ thời cổ đại người biết sử dụng loại vật liệu thiên nhiên loại sợi, da, cao su Nhưng khái niệm hợp chất cao phân tử xuất cách khơng lâu hóa học cao phân tử tách thành môn khoa học độc lập từ năm thứ 20 kỉ Thoạt tiên người ta ngạc nhiên điều là: hợp chất cao phân tử có tầm quan trọng lớn mà lại phát triển chậm vậy? Đầu thập kỷ 1930 hầu hết nhà khoa học bị thuyết phục cấu trúc đại phân tử polyme Trong vòng 20 năm sau, cơng trình polyme tăng nhanh chóng, Sự đời tạp chí Polymer Science đăng cơng trình nghiên cứu khoa học polyme khai niệm ngành khoa học polyme.Những lý thuyết thực nghiệm Paul Flory bật giai đoạn này, ơng nhận giải Nolben Hóa học 1974 đóng góp lâu dài quan trọng ông lĩnh vực khoa học polyme Năm 1953 Staudinger nhận giải Nobel cơng trình nghiên cứu tiên phong lĩnh vực Chất dẻo, hay gọi nhựa polime, hợp chất cao phân tử, dùng làm vật liệu để sản xuất nhiều loại vật dụng đời sống ngày sản phẩm công nghiệp, gắn với đời sống đại người Chúng vật liệu có khả bị biến dạng chịu tác dụng nhiệt, áp suất giữ biến dạng thơi tác dụng Trong tiểu luận em nghiên cứu trình tổng hợp polyme nói chung tìm hiểu tính chất, ứng dụng, tìm hiểu polyme đồng trùng hợp khối, ghép phương pháp tổng hợp chúng CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ HỢP CHẤT POLYME 1.1 Khái niệm hợp chất polyme Từ thời xưa người ta biết sử dụng vật liệu polyme tự nhiên bông, sợi gai, tơ tằm, len làm quần áo, da động vật để làm giày, áo quần… Người Ai cập biết dùng da để làm giấy viết thư báo họ tìm phương pháp điều chế hợp chất cao phân tử giấy Công trình mở đầu cho trình gia công, chế tạo hợp chất polyme thiên nhiên vào nghiên cứu polyme nhân tạo Nhưng điều khơng có mâu thuẫn, hóa học hữu cổ điển phát triển mạnh đạt đến trình độ cao hóa học hợp chất cao phân tử trở thành mơn khoa học riêng biệt Sự phát triển ngành công nghiệp polyme bị hạn chế hạn chế hiểu biết chất polyme Các nhà khoa học nhận biết số tinh chất bất bình thường polyme nhìn chung họ coi tính chất polyme tập hợp phân tử nhỏ Đến năm 1833, Gay Lussac tổng hợp polyeste polylactic đun nóng với axit lactic, Braconnot điều chế trinitroxenlulozơ phương pháp chuyển hóa đồng dạng J.Berzilius người đưa khái niệm polyme Từ polyme chuyển sang thời kỳ tổng hợp phương pháp hóa học túy, sâu vào nghiên cứu cấu trúc polyme, polyme tự nhiên Hermann Staudinger (1920) đưa số giả thuyết khái niệm quan trọng ngành khoa học polyme: Polyme tạo phân tử lớn chuỗi đơn vị hóa học đơn giản liên kết với liên kết cộng hóa trị Đưa khái niệm đại phân tử để mô tả polyme Các thực nghiệm nghiên cứu phương pháp tổng hợp, tính chất, cấu trúc polyoxymetylen va polystyren cho vững quan điểm đại phân tử Các giả thuyết Staudinger chứng minh xa nghiên cứu tinh thể học polyme tự nhiên Herman Mark, Kurt Meyer cơng trình Wallace Carothers chế tạo polyamit polysyren Sau thiết lập ngun tắc hình thành polyme, hóa học polyme phát triển nhanh, chuyển từ biến tính polyme sang tổng hợp polyme từ sản phẩm chế biến dầu mỏ than đá khí thiên nhiên Điển hình giai đoạn phát triển đại nghiên cứu tổng hợp polyme điều hào lập thể Ziegler (1954) Natta (1955) có cấu trúc gần với cấu trúc điều hòa lập thể polyme tự nhiên Đồng thời với tìm polyme mới, phương pháp tổng hợp cải tiến nhiều phương pháp ngưng tụ cân bằng, cao su lưu hóa, trùng hợp quang hóa, trùng hợp gốc, trung hợp anion, trùng hợp ghép, trùng ngưng pha, đồng trùng hợp kép… Thành công polyme trùng hợp polyme trạng thái rắn có tính bền nhiệt cao, có tính dẫn điện, sở để hình thành cơng nghiệp sản xuất polyme bền nhiệt cao, cách điện tổng hợp vật liệu polyme sinh học (có hoạt tính sinh học có tác dụng giải thích q trình sống, trình lên men, trình trao đổi chất tế bào thể sống) Trong công nghiệp sản xuất vật liệu polyme có bước tiến lớn việc cải tiến phương pháp gia công phương pháp đúc, gia công học, tráng-phủ… làm cho thời gian đưa vào sản xuất cơng trình nghiên cứu ngày nhanh Với khả ứng dụng hầu hết ngành phục vụ đời sống như: công nghệ cao su, chất dẻo, tơ sợi, thực phẩm, xây dựng, khí, điện - điện tử, hàng khơng, dược liệu, màu sắc lĩnh vực quốc phòng như: tên lửa, tàu du hành vũ trụ, máy bay siêu âm … 1.2 Danh pháp 1.2.1 Mạch đại phân tử Polyme hợp chất hóa học có trọng lượng phân tử lớn (> 5000 đvc), kích thước phân tử lớn nhiều lần so với hợp chất phân tử thấp (monome) tạo Các phân tử tương tự có khối lượng thấp gọi oligome Được hình thành tự nhiên từ ngày đầu hình thành trái đất Chẳng hạn xenlulozơ – thành phần chủ yếu tế bào thực vật protit – thành phần chủ yếu tế bào sống hợp chất cao phân tử quan trọng đời sống loài người Các hợp chất polyme có nguồn gốc từ thiên nhiên gọi polyme tự nhiên Ví dụ như: polysaccarit có gạo, ngơ Ngồi ra, có polyme nhân tạo chế biến từ hợp chất polyme có sẵn tự nhiên hay tổng hợp phương pháp hóa học từ hợp chất đơn phân tử Thành phần polyme hữu cơ: C, H, O, N Tùy hình dạng phân tử, người ta chia làm dạng mạch khác nhau: Mạch thẳng: Nhóm nguyên tử kết hợp tạo dải dài gấp khúc cuộn Mạch nhánh: phân tử chứa mạch mà số vị trí mạch xuất tập hợp nguyên tử tạo nhánh ngang Mạch lưới khơng gian: phân tử bao gồm mạch chính, nối với nhóm nguyên tử tạo nên liên kết ngang, có nghĩa khối lưới không gian chiều Như chất, thành phần hóa học polyme khơng thay đổi tồn dạng cấu trúc phân tử nói Do đó, tính chất vật lý hay tính chất hóa học hồn tồn khác 1.2.2 Mắt xích Mắt xích phần nhỏ nhóm nguyên tử, liên kết với nhiều lần, nhiều bậc, lặp lặp lại để tạo nên mạch đại phân tử Ví dụ: CH2= CH2 (CH2 CH2)n CH -CH CH2 = CH – CH CH3 n Mỗi đơn vị mắt xích polyme tương đương gần tương đương với monome CH CHCl Ví dụ: chất polyme poli(vinyl clorua) n , đơn vị mắt xích – CH2 – CHCl - tương đương với monome vinyl clorua CH2 = CHCl 1.2.3 Độ trùng hợp Độ trùng hợp số mắt xích có mạch phân tử Cùng loại polyme hệ sô n mạch khác Khi hệ số n tăng, mạch polyme có kích thước lớn Hay nói cách khác, hệ số n công thức polyme xác định số lượng đơn vị mắt xích phân tử polyme gọi hệ số polyme hóa hay độ polyme hóa Độ polyme hóa lớn, polyme có khối lượng phân tử cao 1.2.4 Polyme đồng mạch dị mạch Polyme đồng mạch Mạch gồm loại nguyên tử, chẳng hạn chứa nguyên tử C, ta có C-C-C … loại polyme mạch Cacbon Các nguyên tử C mạch liên kết với H với nguyên tử hay nhóm nguyên tử Tên gọi polyme mạch cacbon lấy tên gọi monome ban đầu dùng để tổng hợp trở thành mắt xích sở phân tử polyme, cộng thêm tiếp đầu ngữ poli Nếu mắt xích có nhóm có hai loại mắt xích khác (copolyme) tên monome phải để ngoặc sau chữ poli, chẳng hạn poli (vinyl clorua) Bảng 1: Một số polyme đồng mạch Tên gọi Polietylen (PE) Polipropylen (PP) Monome CH2 = CH2 Công thức CH2 = CH – CH3 CH2 CH2 CH2 CH n CH3 Cao su tổng hợp CH2 = CH –CH = CH2 CH2 CH2 n CH CH C CH CH2 CH2 CH3 Poli(vinylclorua) (PVC) CH2 = CH – Cl C CH2 CH CH Cl Poli(tetrafloetylen) (PTFE) CF2 CF2 CF2 CF2 n CH2 n CH3 CH2 n CH CH Cao su thiên CH2 nhiên (izopren) CH2 n n Polistyren (PS) CH CH2 CH CH2 n Poli(vinylaxetat) (PVA) COOCH3 CH CH2 CH2 CH OCOCH3 Poli(acrilonitric) (Len, lông cừu) CH2 CH CH2 C n CH N CN n Polyme dị mạch Là loại polime mà phân tử có mạch cấu tạo hai hay nhiều loại phân tử khác nhau, chẳng hạn cacbon oxi, cacbon nitơ, cacbon lưu huỳnh, cacbon oxi, nitơ, Tên polime dị mạch thường gọi theo tên thông dụng hay lấy tên loại hợp chất mắt xích sở, cộng thêm tiếp đầu ngữ poli- Ví dụ: poliamit, poliuretan, poliure, polieste (nhựa ankit), polifenolfomandehit, nhựa epoxy Poliamit dị mạch có nhóm chức amit [– CO – NH –] mạch phân tử CO(CH2) 4CO R 1.2.5 NH COO R' O Policacbamit (poliure) có nhóm [-NH – CO – NH-] NH n Poliuretan polyme có nhóm [- NHCOO -] mạch phân tử CONH NH(CH2)6NH R NH CO NH R' Poliphenolfomandehit: nhựa novolac, nhựa rezol, rezit… Polyme có cực khơng có cực Polyme có cực: thành phần có chứa nhóm phân cực n CO n Polyme khơng có cực: thành phần khơng có mặt nhóm phân cực Ví dụ: PE, PP… 1.3 Một số đặc trưng vật liệu polyme 1.3.1 Khối lượng phân tử mạch Khác với hợp chất phân tử thấp, khối lượng phân tử mạch polyme giá trị trung bình Vì số lượng monome phân tử polyme thay đổi nên mẫu polyme thường bao gồm hỗn hợp phân tử đồng đẳng polyme có khối lượng phân tử khác Do đó, khối lượng phân tử hợp chất polyme số xác định mà đại lượng thống kê trung bình Trong đó, M M = nm khối lượng phân tử trung bình polyme, n độ polyme hóa (độ trùng hợp), m khối lượng mắt xích sở Để xác định M có nhiều phương pháp, phương pháp quan trọng dựa nghiên cứu dung dịch polyme loãng cách đo áp suất thẩm thấu sở áp dụng định luật Van Hop (J.H Van’t Hoff): P RT C M Trong đó, P áp suất thẩm thấu; R số khí; T nhiệt độ tuyệt đối; M khối lượng phân tử trung bình polyme hòa tan; C nồng độ polyme hòa tan (tính g/cm3) Phương pháp quan trọng khác xác định M polyme dùng phép đo độ nhớt, độ nhớt dung dịch polyme phụ thuộc vào khối lượng phân tử polyme hòa tan Một vật liệu polyme có giá trị khối lượng phân tử trung bình (M) vật liệu khác, dao động độ trùng hợp (n) khối lượng mắt xích sở (m) khác Hàm lượng % phân tử vật liệu Vì ngồi giá trị trung bình cần quan tâm đến độ phân tán Độ phân Trị số M tán độ đồng khối lượng kích thước Độ phân tán nhỏ chất lượng polyme cao 1.3.2 Một số tính chất vật lý Tỷ trọng nhỏ, hầu hết