bg polyme ch1 khai niem co ban1

Vật liệu polyme

(Polymer materials)

Dr. Nguyễn Phạm Duy Linh

Polymer Center, Hanoi University of Science and

Technology (HUST)

Email: [email protected]

Mobile: 0947365588

1Polymer Center- HUTS

mailto:[email protected]

Polymer Center- HUTS 2

Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1. Các khái niệm cơ bản

1.2. Nguyên liệu ban đầu cho polyme

1.3. Cấu tạo polyme

1.3.1. Hình dạng phân tử polyme

1.3.2. Cấu trúc phân tử polyme

1.3.3. Hình thái cấu tạo

1.3.4. Khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử

1.4. Phân loại polyme

1.5. Danh pháp

Polyethylen

(PE)

H

C

Mạch chính

3Polymer Center- HUST

1.1. Các khái niệm cơ bản


Polyme = Poly (nhiều) + me (hợp phần)

Polyme là gì ?

Đơn vị cơ bản

Liên kết cộng hóa trị


Oligome – polyme khối lượng phân tử thấp (hợp chất trung

gian), chưa mang những đặc trưng tính chất như polyme. Sự phân

biệt giữa oligome và polyme không rõ ràng, tuy nhiên oligome

không có sự thay đổi rõ ràng với những tính chất quan trọng.

Monome là những phân tử hữu cơ đơn giản có chứa liên kết kép

(đôi hoặc ba) hoặc có ít nhất hai nhóm chức hoạt động có khả năng

phản ứng với nhau tạo thành polyme – tham gia phản ứng trùng hợp.

Polyme là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ rất nhiều nhóm

có cấu tạo hoá học giống nhau lặp đi lặp lại và chúng nối với nhau

bằng liên kết đồng hoá trị.


Mắt xích cơ bản (repeating unit or monomeric unit): là những

phần lặp đi lặp lại trong mạch polyme.

Ví dụ:

Polypropylen

(PP)

Poly(vinyl clorua)

(PVC)

Poly(tetrafluroro etylen)

(Teflon)

CHH2C CHH2C CHH2C CHH2C

n

Polystyren

(PS)

C CH2 C

O

N

H

CH2

O

N

H

4 6C CH2 C

O

N

H

CH2

O

N

H

4 6

n

Polyamit 66

(PA66)

Polymer Center- HUTS


N = 1 2 3 n Độ trùng hợp

Độ trùng hợp (P) (degree of polymerizaion) là số mắt xích cơ bản

trong phân tử polyme

M = Mo.P

Trong đó: Mo khối lượng phân tử của mắt xích cơ bản

M khối lượng phân tử của polyme

Những phân tử polyme của một polyme không có cùng chiều dài hay

khối lượng phân tử khái niệm: độ trùng hợp trung bình

Homopolyme: là những polyme được tạo thành từ một loại monome

Copolyme đều đặn

Copolyme khối

Copolyme ngẫu nhiên

Copolyme ghép


Copolyme là polyme được tạo thành từ hai hay nhiều monome khác nhau.

Rất nhiều polyme tổng hợp có giá trị thương mại, ví du: ABS, cao su Buna-S, …


1.2. Nguyên liệu ban đầu cho polyme – monome

- Quá trình tổng hợp polyme bao gồm 2 giai đoạn: điều chế monome và chuyển

hoá chúng thành polyme

-Nguyên liệu quan trọng nhất để điều chế monome là dầu mỏ, khí tự nhiên, khí

đồng hành, sản phẩm của quá trình chưng than đá.

(sơ đồ kèm theo)

Polyme mạch thẳng và polyme mạch nhánh

1.3. Cấu tạo phân tử polyme


Mắt xích cơ bản

(a) mạch thẳng (linear)

(b) mạch nhánh (branched)

(c) Mạng lưới (crosslinked polymer)

1.3.1. Hình dạng phân tử polyme


(g) hình thang

(ladder polymer)

(h) hình cây

(dendrimers and

hyperbranched

polymer)

(e) hình sao (star polymer)

(f) hình răng lược (comb

polymer)

(d) mạng không gian

(network)

1.3. Cấu trúc phân tử polyme


Cấu hình (Configuration): Cấu trúc hóa học rất bền vững của polyme

(Không thể thay đổi nếu không sử dụng các phản ứng hóa học: bẻ gãy

hoặc tạo thành các liên kết khác)

(Sự sắp xếp của nhóm thế liên kết trực tiếp đến mạch chính (backbone) ảnh

hưởng lớn đến tính chất của polyme)

Nếu polyme có chứa một hay nhiều nhóm thế hoặc nhóm chức

R – Nhóm thế đại diện cho polyme

(e.g., H, Cl, - CH3 , - C6H5, …)


• Các cách sắp xếp nhóm thế trong phân tử polyme

(Head – to – tail

configuration)

(Head – to – head

configuration)

(Tail – to – tail

configuration)

Cấu dạng (Conformation): Cấu trúc của một phân tử polyme được

cấu thành bằng các trình tự của liên kết và các góc hóa trị của chúng

(trong đó các liên kết sigma là không thể thay đổi)

Do sự sắp xếp của những nguyên tử, nhóm thế trên mạch polyme bằng

các quay xung quanh liên kết đơn mà mạch polyme có thể nằm trên một

mặt phẳng (bị kéo dãn hoàn toàn), hình xoắn ốc, những “bó” ngẫu nhiên.


Đồng phân không gian (Stereoisomerism - Tacticity in vinyl

polymers)

a. Atactic – các phân tử nhóm thế sắp xếp ngẫu nhiên không theo trật tự

Tacticity: Đồng phân không gian là trật tự sắp xếp của các phân tử nhóm thế trên

mạch chính của đại phân tử polyme


b. Syndiotactic: Các phân tử nhóm thế sắp xếp xen kẽ, đều đặn trên mạch đại phân

tử


c. Isotactic: Các phân tử nhóm thế nằm về cùng một phía trên mạch đại phân tử

Cis – Trans isomerism Hình thành bởi việc quay và sắp xếp của nhóm thế

xung quanh liên kết không no trong không gian cấu tạo mạch đại phân tử. Đồng

phân hình học không thể bị phá vỡ ngoại trừ phá vỡ cấu trúc của phân tử


Hiện tượng đồng phân hình học (Geometric isomerism) khi có liên kết

đôi trong các me (đơn vị lặp lại)


Polyisopren

1.4. Characterization of Polymer Chains

• Many properties of polymers are linked to the polymer chain length

• During polymerization not all polymer chains will grow to the same length

– this results in a distribution of chain lengths or molecular weights

• There are several ways of defining the average molecular weight

1. Number average molecular weight – obtained by dividing the chains

into a series of size ranges and determining the number of fraction of chains

within each size range.

Ni - numbers of molecules Mi

Mi – represents the mean molecular weight of the size range i and xi is the

fraction of the total number of chains within the corresponding size range

2. Weight-average molecular weight – is based on the weight fraction of

molecules within the various size ranges

wi – denotes the weight fraction of molecules within the same size interval

i

i

i

i

i

ii

i

ii

n

M

w

M

W

WMx

N

MNM

1

ii

i

ii

ii

ii

w MwW

MW

MN

MNM

2


23

is always determined by employing methods which depend

upon the number of molecules present in the polymer sample. For

example, colligative property such as osmotic pressure is used.

is more sensitive to molecules of low molecular mass, while

is more sensitive to molecules of high molecular mass.

nM

wM is measured by using the methods such as light scattering

and ultracentrifugation, sedimentation, etc. which depend upon

the mass of individual molecules.

nM


24

Polydispersity index (PDI) (heterogeneity index)

is a measure of the distribution of molecular mass in a given polymer sample

n

W

M

MPDI

PDI = 1 : monodisperse polymers


Sự phân bố khối lượng phân tử

- Sự phân bố khối lượng phân tử có thể rộng hay hẹp và ảnh hưởng rõ rệt đến

tính chất vật lý của polyme như độ chảy, độ bền và nhiệt độ chảy mềm


Phân loại Polyme theo nguồn gốc

Polyme tự nhiên

Polyme tổng hợp


• DNA gene

• polysaccharides

• muscle

• hair

• …


Polyme tự nhiên


• Human beings were benefited by polymers since ancient age.

cotton

Bacteria cellulose 27Polymer Center- HUTS

Polyme tự nhiên


silksilk worm


Polyme tự nhiên


Spider-man

Spider silk



Natural Rubber


Polyme tự nhiên

Rubber treesRubber Raw Materials

Polymer Center- HUTS 31Polymer Center- HUTS 31

Dung Quat Oil Refinery

Polypropylene (PP) resin

Polyme tổng hợp


Phân loại Polyme theo lĩnh vực sử dụng

Chất dẻo (nhựa)

Cao su

Sợi

Sơn

Keo dán

33

b) Plastics, Fibers, Rubbers (elastomers), coatings, and

Adhesives (according to physical or mechanical properties or end use)

Finished articles that are made from polymeric materials by molding

techniques.

The polymeric material, destined for plastic production, either pure or with

appropriate additives, is called a resin.

Conversion of resins to plastics is usually achieved by subjecting the resin

to heat and/or pressure, where upon the polymer softens, is then shaped

or molded, and subsequently allowed to harden to become the article of

commerce called a plastic.

Plastics


(Phân loại theo tính chất lý học, cơ học hoặc lĩnh vực ứng dụng)

Polymer Center- HUTS 3434Polymer Center- HUTS

Chất dẻo (nhựa) - plastic

35

Fibers

• Great tensile strength in the longitudinal direction of the fiber

• a length at least 100 times its diameter. Of course, artificial or

synthetic fibers can be made into any desired ratio of length to

diameter.

Example. Cotton, wool, silk, and flax fibers have lengths 1,000 to

3,000 times

their diameter

• The polymer molecules of a fiber must be at approximately 100 nm

long (when extended), hence have a molecular weight of at least

10,000.



POLYESTER FIBER YARN.


Sợi (Fibers)


PAN fibers

high_strength_carbon_fiber_rope

aramid rope

Electrospinning of Biopolymers


Sợi (Fibers)

http://www.google.com.vn/imgres?q=polymer+fiber&um=1&hl=vi&client=firefox-a&rls=org.mozilla:en-US:official&biw=1440&bih=797&tbm=isch&tbnid=CG4RRyhrd-JHoM:&imgrefurl=http://www.alibaba.com/product-gs/333158028/high_strength_carbon_fiber_rope.html&docid=R-W3fJmD9kSeXM&imgurl=http://i00.i.aliimg.com/photo/v0/333158028/high_strength_carbon_fiber_rope.jpg&w=800&h=600&ei=DKsuT8_0DMaUiAei-5TgDg&zoom=1&iact=hc&vpx=567&vpy=356&dur=3632&hovh=194&hovw=259&tx=6&ty=211&sig=115895790102121611726&page=4&tbnh=132&tbnw=195&start=95&ndsp=34&ved=1t:429,r:2,s:95

38

Rubbers (Elastomers)

They can be stretched several hundred percent under tension and,

when the stretching force is removed, they retract rapidly and recover

their original dimensions.


Natural rubbers

Natural rubber latex Natural Rubber Mattress Topper

Polymer Center- HUTS 39Polymer Center- HUTS 39

Polybutadiene

About 70% of the produced polybutadiene

is used in tire manufacturing

Synthesized Rubbers


Polyurethane

polyurethane foam Polyurethane Sandwich Panel-Wall

Polymer Center- HUTS 4141Polymer Center- HUTS

42

Coating, Paints

Coating is a covering that is applied to the surface of an object

Paint is any liquid, liquefiable, or mastic composition which after

application to a substrate in a thin layer is converted to an opaque

solid film. It is most commonly used to protect, color or provide

texture to objects.


http://en.wikipedia.org/wiki/Covering

43

An adhesive or glue is a material, usually in a liquid or semi-

liquid state, that adheres or bonds items together

Adhesive


44

1.5. Danh pháp (Nomenclature)


Cách gọi đơn giản nhất tên polyme = poly + tên của monome

Ví dụ: etylen polyetylen

Vinylclorua polyvinyl clorua

Polyme đi từ dẫn xuất thế 1 lần của etylen có chứa gốc vinyl CH2 = CH

- gọi là polyme vinylic

CH2 CH

OHn

CH2 CH

Fn

polyvinylalcol

polyvinyl florua


Polyme đi từ dẫn xuất nhóm thế 2 lần của etylen có chứa gốc vinyliden

có tên gọi: poly + vinyliden + tên nhóm thế

CH2 C

n

CH2 C

CNn

polyvinyliden clorua

polyvinyliden xianua

CN

Cl

Cl

Polyme dị mạch: tiếp đầu ngữ poly rồi đến tên gọi hợp chất

Ví dụ: polyeste, polyamit, polyuretan

bg polyme ch1 khai niem co ban1

Documents