TÀI LIỆU HỌC TẬP: POLYMER - PHÂN LOẠI DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP

I. ĐẠI CƯƠNG VỀ POLYMER

1. Định nghĩa

Polymer là những hợp chất cao phân tử được hình thành từ sự liên kết của nhiều đơn vị nhỏ (monomer) lặp lại.

Ví dụ:

• Polyetylen (PE) được tạo thành từ nhiều đơn vị etylen (CH₂=CH₂)
• Polystiren (PS) được tạo thành từ nhiều đơn vị stiren (C₆H₅CH=CH₂)

2. Phân loại polymer theo nguồn gốc

• Polymer tự nhiên: Tồn tại trong tự nhiên (tinh bột, cellulose, protein, cao su thiên nhiên,...)
• Polymer bán tổng hợp (tổng hợp từ polymer tự nhiên): Được điều chế bằng cách chế biến polymer tự nhiên (cellulose trinitrat, cellulose acetate,...)
• Polymer tổng hợp: Được điều chế bằng phản ứng trùng hợp hoặc trùng ngưng (PE, PVC, Teflon,...)

3. Phân loại polymer theo cấu trúc mạch

• Polymer mạch thẳng: Các mắt xích liên kết với nhau tạo thành mạch dài, không phân nhánh (PE, PVC, amilose trong tinh bột,...)
• Polymer mạch nhánh: Mạch polymer có các nhánh (amilopectin trong tinh bột, glycogen,...)
• Polymer mạch mạng lưới (không gian): Các mạch polymer liên kết với nhau tạo thành mạng lưới ba chiều (nhựa bakelit, cao su lưu hóa,...)

4. Phân loại polymer theo phương pháp tổng hợp

Đây là trọng tâm của tài liệu này, sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau.

II. PHÂN LOẠI POLYMER DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP

Có hai phương pháp tổng hợp polymer chính:

1. Polymer trùng hợp (Addition Polymerization)

a) Định nghĩa

Phản ứng trùng hợp là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monomer) giống nhau hoặc tương tự nhau thành phân tử lớn (polymer) mà không có sự tách ra của phân tử nhỏ nào.

b) Điều kiện

• Monomer phải có liên kết bội (π) (C=C, C≡C) hoặc vòng kém bền.
• Xúc tác, nhiệt độ, áp suất thích hợp.

c) Cơ chế phản ứng

Phản ứng trùng hợp thường xảy ra theo cơ chế gốc tự do (free radical) hoặc ion.

d) Ví dụ

• Trùng hợp etylen tạo polyetylen (PE):

  $nCH_2=CH_2 \xrightarrow[xt, t^o, p]{} (-CH_2-CH_2-)_n$

• Trùng hợp vinyl clorua tạo polyvinyl clorua (PVC):

  $nCH_2=CHCl \xrightarrow[xt, t^o, p]{} (-CH_2-CHCl-)_n$

• Trùng hợp stiren tạo polystiren (PS):

  $nC_6H_5CH=CH_2 \xrightarrow[xt, t^o, p]{} (-CH(C_6H_5)-CH_2-)_n$

• Trùng hợp tetrafloeten tạo Teflon (PTFE):

  $nCF_2=CF_2 \xrightarrow[xt, t^o, p]{} (-CF_2-CF_2-)_n$

e) Đặc điểm của polymer trùng hợp

• Thành phần nguyên tố của polymer trùng hợp giống với thành phần nguyên tố của monomer.
• Phân tử khối của polymer là bội số của phân tử khối monomer.
• Phản ứng trùng hợp thường xảy ra nhanh và dễ dàng.

2. Polymer trùng ngưng (Condensation Polymerization)

a) Định nghĩa

Phản ứng trùng ngưng là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monomer) thành phân tử lớn (polymer), đồng thời giải phóng các phân tử nhỏ khác (H₂O, HCl,...).

b) Điều kiện

• Monomer phải có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng (ví dụ: -OH, -COOH, -NH₂,...)
• Xúc tác, nhiệt độ thích hợp.

c) Cơ chế phản ứng

Phản ứng trùng ngưng xảy ra theo cơ chế thế nucleophin hoặc ái điện tử.

d) Ví dụ

• Trùng ngưng axit terephtalic và etylen glycol tạo poli(etylen terephtalat) (PET, tơ lapsan):

  $nHOOC-C_6H_4-COOH + nHO-CH_2-CH_2-OH \xrightarrow[t^o, xt]{} (-OC-C_6H_4-CO-O-CH_2-CH_2-)_n + 2nH_2O$

• Trùng ngưng hexametylenđiamin và axit adipic tạo poli(hexametylen adipamit) (nilon-6,6):

  $nH_2N-(CH_2)_6-NH_2 + nHOOC-(CH_2)_4-COOH \xrightarrow[t^o]{} (-NH-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-)_n + 2nH_2O$

• Trùng ngưng ε-caprolactam tạo poli(ε-caprolactam) (nilon-6):

  $n \begin{bmatrix} \phantom{CH_2}CH_2-CH_2 \\ | \phantom{CH_2} \phantom{CO} \\ NH-CO-CH_2 \end{bmatrix} \xrightarrow[t^o, H_2O]{} (-NH-(CH_2)_5-CO-)_n$

• Trùng ngưng phenol và formaldehyde tạo nhựa phenol-formaldehyd (nhựa bakelit):

  $nC_6H_5OH + nHCHO \xrightarrow[H^+, OH^-, t^o]{} (-C_6H_4-CH_2-)_n + nH_2O$

e) Đặc điểm của polymer trùng ngưng

• Thành phần nguyên tố của polymer trùng ngưng khác với thành phần nguyên tố của monomer.
• Phân tử khối của polymer không phải là bội số của phân tử khối monomer.
• Phản ứng trùng ngưng thường xảy ra chậm hơn và phức tạp hơn phản ứng trùng hợp.

III. SO SÁNH POLYMER TRÙNG HỢP VÀ TRÙNG NGƯNG

Đặc điểm	Polymer trùng hợp	Polymer trùng ngưng
Định nghĩa	Kết hợp nhiều monomer, không tách phân tử nhỏ	Kết hợp nhiều monomer, tách phân tử nhỏ
Monomer	Có liên kết bội hoặc vòng kém bền	Có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng
Sản phẩm phụ	Không	Có (H₂O, HCl,...)
Thành phần	Giống monomer	Khác monomer
Phân tử khối	Bội số của monomer	Không phải bội số của monomer
Tốc độ phản ứng	Thường nhanh và dễ	Thường chậm và phức tạp
Ví dụ	PE, PVC, PS, Teflon	PET, nilon-6,6, nilon-6, nhựa phenol-formaldehyd

IV. ỨNG DỤNG CỦA POLYMER

Polymer có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp, ví dụ:

• Chất dẻo: PE, PVC, PS, Teflon, PET,... (bao bì, ống dẫn, vật liệu cách điện,...)
• Cao su: Cao su thiên nhiên, cao su tổng hợp (vỏ xe, gioăng,...)
• Tơ: Tơ nilon, tơ lapsan (vải sợi,...)
• Keo dán: Nhựa epoxy, phenol-formaldehyd,...
• Vật liệu composite: Vật liệu hỗn hợp từ polymer và các chất độn khác (vỏ máy bay, thuyền,...)

V. BÀI TẬP VẬN DỤNG

1. Phân biệt các polymer sau đây là trùng hợp hay trùng ngưng:
   • Polipropilen
   • Poli(metyl metacrylat)
   • Tơ capron
   • Tơ nitron
   • Nhựa rezol
2. Viết phương trình phản ứng điều chế các polymer sau từ các monomer tương ứng:
   • Poli(vinyl ancol)
   • Poli(ure-formaldehyd)
3. So sánh tính chất và ứng dụng của PE và PVC.
4. Tại sao nilon-6,6 bền hơn PE? Giải thích.

---

Chúc các bạn học tốt!