Dung dịch polyme không chỉ có giá trị trong việc ứng dụng vào thực tế như: làm sơn, vecni… mà nó còn giúp cho việc nghiên cứu những tính chất cần thiết của hợp chất cao phân tử như: xác định khối lượng phân tử, hình dạng và thành phần mạch, tính chất điện li…
V.1. Các tính chất đặc trưng của dung dịch polyme:
V.1.1. Khái niệm loãng và đặc:
Do polyme có khối lượng phân tử rất lớn gấp hàng ngàn, hàng vạn kích thước phân tử nên khác với chất thấp phân tử dụng dịch polyme chỉ được coi là loãng khi nồng độ nhỏ hơn 10-2 %.Vì ở điều kiện này các phân tử mới được coi là loãng. Khi nồng độ polyme 1% các phân tử polyme tồn tại như một bó rối xốp thấm đầy phân tử dung môi (polyme 1%, còn 99% dung môi). Lúc này chúng chuyển động Brao, nó xoay tròn như một thể thống nhất xung quanh trọng tâm.
V.1.2. Độ nhớt rất cao:
- Theo công thức thực nghiệm, quan hệ giữa độ nhớt và khối lượng phân tử polyme biểu diễn theo công thức sau:
Trong đó:
[η]: độ nhớt dung dịch
a: là đại lượng tính đến độ cuộn tròn của các phân tử Polyme trong dung dịch. K: hằng số đặc trưng cho dãy Polyme đồng đẳng và một số dung môi.
M: khối lượng phân tử của polyme hòa tan. Từ công thức cho thấy M tăng thì η tăng.
- Hình dạng của các đại phân tử cũng ảnh hưởng đến độ nhớt: mạch duỗi thẳng sẽ cho độ nhớt cao hơn mạch cuộn tròn.
- Ảnh hưởng của loại dung môi: do trong các dung môi khác nhau thì mức độ trương của các cuộn polyme khác nhau dẫn đến kích thước của chúng khác nhau nên độ nhớt khác nhau.
V.1.3. Có đặc trưng của một hệ keo:
- Trong dung dịch luôn tồn tại những hạt (tổ hợp phân tử) có kích thước khá lớn, thời gian sống của các hạt này phụ thuộc vào điều kiện nhiệt động.
- Đối với dung dịch polyme không áp dụng được định luật Raul và Van Hop. - Hệ thống polyme-dung môi bị phá vỡ khi có mặt của chất điện li.
V.1.4. Sự tạo ra dung dịch thật:
- Dung dich lý tưởng: là dung dịch mà khi hình thành thì nhiệt của dung dịch bằng 0 (không thu nhiệt cũng không tỏa nhiệt) do năng lượng tương tác giữa tất cả các phân tử bằng nhau. Do đó sự phân bố các cấu tử là do chuyển động nhiệt.ư
- Dung dịch thật: là hệ thống phân tán phân tử và có những đặc trưng sau: + Tồn tại ái lực giữa các cấu tử.
+Quá trình hình thành dung dịch là quá trình tự phát. + Không thay đổi nồng độ theo thời gian.
+ Dung dịch là đồng thể. (chỉ có 1 pha).
+ Bền nhiệt động. (khi hình thành dung dịch có sự giảm năng lượng Gibbs).
-Dung dịch polyme: là dung dịch được tạo thành một cách tự phát và cũng có những đặc điểm của dung dịch thực. Tuy nhiên do sự khác nhau về kích thước giữa các cấu tử trộn lẫn nên dung dịch polyme có những đặc trưng sau:
+ Trương rồi mới hòa tan. + Độ nhớt cao.
+ Khuếch tán chậm.
+ Không có khả năng chui qua màng bán thấm.
Trương: Các tập hợp mạch phân tử hút các phân tử chất lỏng vào khoảng trống.
Các phân tử polyme có kích thước quá lớn và lực tương tác còn đủ mạnh để cản trở sự tách rời nhau và xâm nhập vào khối chất lỏng. Nếu lượng chất lỏng chưa đủ làm mất đi lực tương tác thì khối trương này sẽ tồn tại ổn định như một khối “gel”. Hiện tượng trương này được coi như là sự trương giới hạn, và nó chỉ có đối với hợp chất polyme.
Hòa tan: Khi lượng dung môi đủ lớn để có thể tạo lực tương tác mạnh với polyme,
đẩy xa các mạch ra khỏi nhau, triệt tiêu ái lực của các mạch, tọa điều kiện để mạch chuyển động và co cuộn độc lập. Các phân tử polyme phân tán vào dung môi tạo nên hệ
thống một pha đồng nhất không có sự phân cách bề mặt . Lúc này các phân tử phân bố đều trong toàn khối dung dịch để nồng độ của hệ thống đồng nhất.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến sự trương và hòa tan:
Bản chất của polyme và dung môi
Polyme có cực sẽ hòa tan trong dung môi phân cực, polyme không cực sẽ hòa tan trong dung môi không phân cực. Ngoài ra quá trình hòa tan xảy ra được còn phụ thuộc vào yếu tố nhiệt động học, nghĩa là quá trình hòa tan xảy ra được khi có hiện tượng giảm thế hóa học hay có sự thay đổi của các thông số nhiệt động: entanpy, entropy. Điều này giải thích vì sao các hợp chất không cực như: cao su, polystiren tan được trong các hợp chất hydrocacbua no: xăng, benzen và xenlulozơ chỉ tan được trong một số phức chất đặc biệt.
Độ mềm dẻo của mạch polyme:
Các mạch có độ mềm dẻo càng cao càng dễ hòa tan
Khối lượng phân tử polyme:
Mạch càng dài thì tổng năng lượng tương tác giữa các mạch lớn, càng khó tách chúng ra khỏi nhau khi hòa tan. Vì vậy khả năng hòa tan trong cùng một dung môi trong dãy đồng đẳng giảm xuống khi khối lượng phân tử tăng.
Trạng thái pha của polyme:
Polyme tinh thể tan kém hơn polyme vô định hình rất. Vì vậy ở nhiệt độ thường các polyme tinh thể thường không tan ngay cả trong các chất lỏng có độ phân cực gần với chúng. Ngoài ra các liên kết hóa học giữa các phân tử mạch thẳng cũng cản trở việc tách chúng ra khỏi nhau khi hòa tan. Điều này có thể thực hiện được bằng cách khâu mạch.
V.2. Dung dịch polyme đậm đặc:
V.2.1. Đặc điểm:
- Dung dịch polyme đậm đặc là dung dịch trong đó hàm lượng dung môi không lớn hoặc trong lòng polyme là các chất hóa dẻo. Lúc này các phân tử polyme tương tác mạnh với nhau dẫn đến độ nhớt tăng và lớn hơn nhiều so với độ nhớt của dung môi nguyên chất.
- Dung dịch đậm đặc không tuân theo các định luật Newton và Puriê, độ nhớt của dung dịch phụ thuộc vào thời gian và điều kiện tác động cơ học theo lịch sử trước đó, còn sụe phụ thuộc độ nhớt vào nhiệt độ lại có tính dị thường (hiện tượng trễ).
- Độ nhớt của dung dịch polyme đậm đặc có thể coi như được cấu thành từ hai phần: ηn liên quan đến dòng chảy điều hòa và nó tuân theo định luật Newton và Puriê, và độ nhớt cấu trúc ηct do sự tương tác của các đại phân tử trong dung dịch gây nên.
η = ηn + ηct
Chính thành phần ηct gây nên sự tăng độ nhớt dị thường khi nhiệt độ giảm hoặc nồng độ tăng vì các cấu trúc bị phá hủy ở nhiệt độ cao hoặc nồng độ thấp sẽ xuất hiện trỏi lại khi nhiệt độ giảm hoặc nồng độ dung dịch tăng lên.