Chuyên Đề về khoa học và công nghệ vật liệu polymer (cnh004) poymer tổng hợp phương pháp tổng hợp và Ứng dụng

NỘI DUNG GIỚI THIỆU CHUNG 1 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG Polyvinyl alcohol PVA Polylactic acid PLA Polymethyl methacrylate PMMA 2... Giới thiệu chung về polymer tổng hợp• Polymer t

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN THỰC HIỆN:

PGS TS Văn Phạm Đan Thuỷ Lý Kim Phụng MSHV: M3823005

Võ Văn Tí MSHV: M3823006 Nguyễn Thái Mỹ Tiên MSHV: M3823007 Châu Thị Bảo Trân MSHV: M3823008

Ngành: Kỹ thuật hóa học - Khóa 30

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

TRƯỜNG BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BÁO CÁO HỌC PHẦN: CHUYÊN ĐỀ VỀ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU POLYMER (CNH004)

POYMER TỔNG HỢP: PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG

NỘI DUNG

GIỚI THIỆU CHUNG

1

PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG Polyvinyl alcohol (PVA)

Poly(lactic acid) (PLA) Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

2

GIỚI THIỆU CHUNG

1

Giới thiệu chung về polymer tổng hợp

• Polymer tổng hợp (synthetic polymer) là các hợp chất polymer được con người

chế tạo thông qua các phản ứng hóa học từ các monomer (đơn phân tử)

• Có cấu trúc phân tử lớn, được tạo thành từ nhiều đơn vị monomer, liên kết với

nhau bằng các liên kết hóa học

• Polymer tổng hợp được sử dụng rộng rãi trong đời sống và công nghiệp nhờ

tính chất linh hoạt và khả năng ứng dụng đa dạng

Polymer tự nhiên Polymer tổng hợp

Phân loại polymer tổng hợp

Theo nguồn gốcTheo cấu trúc phân tửTheo phương pháp tổng hợpTheo tính chất cơ học và ứng dụngTheo tính chất hoá học

Polymer tổng hợp

• Theo nguồn gốc:

Polymer tổng hợp: Là những polymer được tổng hợp từ các monomer trong phòng thí

nghiệm hoặc công nghiệp

Ví dụ: polyethylene, polystyrene, polyvinyl chloride (PVC)

Polymer bán tổng hợp: Được chế tạo từ các polymer tự nhiên qua các quá trình biến

đổi hóa học

Phân loại polymer tổng hợp

• Theo cấu trúc phân tử:

Polymer mạch thẳng: Các monomer liên kết với nhau tạo thành một chuỗi dài, không có

nhánh Ví dụ: polyethylene, nylon

Polymer mạch nhánh: Chuỗi polymer có các nhánh nhỏ liên kết với mạch chính Ví dụ:

amylopectin

Polymer mạng không gian (mạng lưới): Các chuỗi polymer liên kết chặt chẽ với nhau

tạo thành mạng ba chiều Ví dụ: cao su lưu hóa, nhựa epoxy

• Theo phương pháp tổng hợp:

Polymer trùng hợp: Hình thành từ quá trình trùng hợp các monomer (polymerization).

Ví dụ: Polyethylene (trùng hợp ethylene), polystyrene (trùng hợp styrene)

Polymer trùng ngưng: Hình thành từ phản ứng giữa các monomer có ít nhất hai nhóm

Phân loại polymer tổng hợp

• Theo tính chất cơ học và ứng dụng:

Nhựa nhiệt dẻo (Thermoplastics): Mềm dẻo khi gia nhiệt và cứng lại khi làm nguội, có

thể tái chế

Ví dụ: polyethylene, polypropylene, PVC

Nhựa nhiệt rắn (Thermosetting plastics): Sau khi được gia nhiệt và tạo hình, không thể

tái chế hoặc tái định hình

Ví dụ: nhựa epoxy, nhựa phenolic

Elastomer: Có tính đàn hồi cao, trở lại hình dạng ban đầu sau khi bị kéo giãn

Một số loại polymer tổng hợp

Poly(lactic acid) (PLA) Polyvinyl alcohol (PVA)

PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG

2

• PVA là một loại nhựa dẻo, điều chế lần đầu tiên bởi Hermann và Haehnel

Bước 1: Polymer hoá vinyl acetate

nCH 2 =CH(OCOCH 3 ) Chất khơi màu

[−CH 2 −CH(OCOCH 3 )−]n

Sơ đồ sự cùng tồn tại của PVA và PVAc Phương pháp tổng hợp Polyvinyl alcohol (PVA)

Phương pháp tổng hợp Polyvinyl alcohol (PVA)

Phương pháp tổng hợp Polyvinyl alcohol (PVA)

PVA từ quá trình trùng hợp vinyl tert-butyl ether được thực hiện ở -78C với boron trifloride diethyl etharate trong toluene và methylene cloride cho cách tổng hợp thứ II và III tương ứng

PVA được lấy từ poly vinyl trimethylsilyl ether được trùng hợp với sắt clorua trong nitroethane ở -78C là cách tổng hợp thứ IV của PVA

Tính chất của Polyvinyl alcohol (PVA)

Không có màu và mùi, nóng chảy ở khoảng 180-228°C

và chuyển thủy tinh sang cao su ở 75-85°C Trọng lượng phân tử 20.000 – 200.000 Da

PVA có độ bền kéo đáng kể và tính đàn hồi tốt, độ bền cơ học cao nhưng độ dai và khả năng gia công kém

PVA có tính chất của một rượu đa chức, tham gia các phản ứng ether hoá, ester hoá, tạo phức với muối của kim loại.…

Ứng dụng của Polyvinyl alcohol (PVA)

Y sinh: hệ thống phân phối thuốc, vật liệu cấy ghép thay mô sụn, hydrogel PVA trị ung thư tiềm năng…

Màng thấm nước gốc PVA

trong lĩnh vực bao bì và quang điện tử…

Trong ngành dệt may:

chất trợ dệt, hồ sợi…

Trong xây dựng:

phụ gia trong bê tông và

xi măng…

Trong sản suất giấy: chất tạo màng, chất tăng độ bền và

độ dẻo, cải thiện khả năng

in ấn…

Poly(lactic acid) (PLA)

• Là một loại nhựa polyester nhiệt dẻo có nguồn gốc hữu cơ từ các nguồn

tài nguyên có thể tái tạo ngô, mía, sắn → thân thiện với môi trường

Phương pháp tổng hợp Poly(lactic acid) (PLA)

NL làm sạch, nghiền nhỏChuyển hóa thành tinh bột (đường)Lên men (Lactobacillus): đường → lactic acid

Phương pháp tổng hợp Poly(lactic acid) (PLA)

Trùng ngưng trực tiếp Trùng hợp mở vòng lactide Trùng hợp xúc tác bằng enzyme

• Trùng hợp xúc tác bằng enzyme: các enzyme (ví dụ: lipase) được sử dụng

Phương pháp tổng hợp Poly(lactic acid) (PLA)

• Trùng hợp mở vòng lactide

Làm nóng Loại bỏ nước

Phương pháp tổng hợp Poly(lactic acid) (PLA)

Trùng hợp mở vòng Trọng lượng phân tử cao, sản

phẩm chất lượng cao

Đòi hỏi điều kiện phản ứng phức tạp,

sử dụng chất xúc tác Trùng ngưng trực tiếp Quy trình đơn giản, nguyên liệu

Ứng dụng của Poly(lactic acid) (PLA)

In 3D Vật liệu sử dụng trong y tế

Ưu và nhược điểm của Poly(lactic acid) (PLA)

Thân thiện với môi trường

Nguồn gốc từ nguyên liệu tái tạo (ngô, sắn, mía).

Phân huỷ sinh học, giảm ô nhiễm nhựa

Phân huỷ chậm trong môi trường tự nhiên, cần điều kiện công nghiệp đặc thù

An toàn sức khoẻ Không chứa chất độc hại

An toàn cho thực phẩm, đồ chơi và y tế

Khả năng phân huỷ sinh học cần cơ sở

xử lý chuyên biệt

Tính chất cơ học Độ cứng và độ bền kéo cao

Độ trong suốt tốt, thẩm mỹ cao

Giòn, độ dẻo dai và khả năng chịu va đập kém hơn nhựa truyền thống

Hỗ trợ xu hướng sử dụng vật liệu sinh học, Giá thành sản xuất cao hơn nhựa từ

Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

 Poly(methyl methacrylate) (PMMA) hay còn gọi là thuỷ tinh hữu cơ, nhựa acrylic

hoặc thuỷ tinh acrylic

 Tên thương mại: Plexiglas, Acrylite, Lucite và Perspex

 Tên IUPAC: Poly[(1,1-methoxycarbonyl)-1-metylethylene]

 Năm 1928, được tổng hợp trong phòng thí nghiệm bởi các nhà khoa học

 Năm 1933, lần đầu tiên được đưa ra thị trường với thương hiệu Plexiglas

Hình - Cấu trúc của poly(methyl methacrylate)

PMMA là một loại nhựa nhiệt dẻo trong suốt

thường được sử dụng ở dạng tấm, miếng như một vật liệu nhẹ, khó bể vỡ, có thể được dùng để thay thế cho kính và thuỷ tinh

 Nhiệt độ nóng chảy: 160oC

 Tỉ trọng: 1,18 g/cm3

PMMA thường được tổng hợp từ phản ứng

Phương pháp tổng hợp Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

1 Phản ứng polymer hoá mạch gốc tự do với monomer là Methyl Methacrylate(MMA) và chất khơi mào là AIBN

Phản ứng xảy ra với các giai đoạn:

Giai đoạn khơi mào:

Phương pháp tổng hợp Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

Giai đoạn phát triển mạch:

Phương pháp tổng hợp Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

Giai đoạn ngắt mạch:

Kết hợp:

Phương pháp tổng hợp Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

Giai đoạn ngắt mạch:

Chuyển hydro:

Phương pháp tổng hợp Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

Giai đoạn truyền mạch:

Phương pháp tổng hợp Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

2 Phản ứng polymer hoá mạch anion với monomer là Methyl Methacrylate (MMA) và chất khơi mào là alkyllithium

Phản ứng xảy ra với các giai đoạn:

Giai đoạn khơi mào:

Phương pháp tổng hợp Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

Giai đoạn truyền mạch:

Phương pháp tổng hợp Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

Giai đoạn ngắt mạch:

Ứng dụng của Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

Ứng dụng: panel mặt trời, bảng hiệu, cúp kỉ niệm, thấu kính đèn LED,…

Ứng dụng của Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

 Ứng dụng: mái lợp lấy sáng , kính máy bay, trang trí nội thất, vách ngăn….

Ưu và nhược điểm của Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

Tính chất quang học vượt trội Có độ trong suốt cao, truyền ánh sáng lên đến 92% gần bằng thuỷ tinh

Không bị ngả màu hay suy giảm chất lượng dưới tác động của tia UV Trọng lượng nhẹ Nhẹ hơn khoảng 50% so với thủy tinh, dễ dàng vận chuyển và lắp đặt.

Khả năng gia công tốt Dễ dàng cắt, đục, khắc, và định hình bằng nhiệt hoặc máy móc

Có thể đúc, ép, hoặc phủ màu để tạo ra các sản phẩm đa dạng

Chống chịu thời tiết Chịu được tác động của ánh sáng mặt trời, không bị ố vàng hay lão hóa

nhanh, phù hợp cho các ứng dụng ngoài trời

An toàn hơn thủy tinh Không dễ vỡ thành các mảnh sắc nhọn như thủy tinh Khi vỡ, các mảnh

PMMA thường không gây nguy hiểm.

Ưu và nhược điểm của Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

Dễ trầy xước Bề mặt PMMA dễ bị trầy xước hơn so với thủy tinh Cần lớp

phủ bảo vệ nếu sử dụng trong môi trường dễ gây hư hại

Độ bền va đập hạn chế Mặc dù bền hơn thủy tinh, PMMA không chịu được va đập

mạnh như polycarbonate

Khả năng chịu nhiệt thấp

Nhiệt độ hóa dẻo khoảng 100–120°C, giới hạn ứng dụng trong các môi trường nhiệt độ cao.

Khi cháy, PMMA phát ra mùi khó chịu và sinh khí độc

Khả năng cách điện và cách nhiệt kém Không phù hợp làm vật liệu cách nhiệt hoặc cách điện trong các

ứng dụng đặc thù

Dễ bị tác động bởi dung môi

Biến đổi với một số dung môi như acetone, toluene, hoặc các hóa chất tương tự, hạn chế việc sử dụng trong các môi trường hóa chất khắc nghiệt.

Giá thành tương đối cao So với một số loại nhựa thông dụng khác, PMMA có giá thành

CẢM ƠN CÔ ĐÃ LẮNG NGHE

Điều kiện PLA phân hủy

1 Nhiệt độ: PLA cần môi trường có nhiệt độ cao để phân hủy hiệu quả

Nhiệt độ tối ưu: Từ 50–70°C (như trong hệ thống ủ công nghiệp).

Ở nhiệt độ thấp hơn (dưới 30°C, như trong môi trường tự nhiên), quá trình phân hủy sẽ rất chậm.

2 Độ ẩm: PLA cần độ ẩm cao để hỗ trợ vi sinh vật phân giải cấu trúc polyme.

Độ ẩm thích hợp: 55–60% trong các điều kiện ủ phân công nghiệp.

Trong môi trường khô, sự phân hủy sẽ bị hạn chế.

3 Vi sinh vật: như vi khuẩn và nấm, đóng vai trò quan trọng trong việc phá vỡ các liên kết

trong PLA Các enzyme do vi sinh vật tiết ra giúp thủy phân PLA thành axit lactic, từ đó vi khuẩn tiếp tục phân giải thành CO₂, nước và sinh khối.

Điều kiện phân huỷ của Poly(lactic acid) (PLA)

Điều kiện PLA phân hủy

4 Điều kiện oxy hóa: PLA cần môi trường hiếu khí (có oxy) để phân hủy hiệu quả Trong

môi trường kỵ khí (thiếu oxy, như trong các bãi chôn lấp), quá trình phân hủy có thể tạo ra khí metan và mất nhiều thời gian hơn.

5 pH: PLA cần môi trường có độ pH trung tính hoặc hơi axit để phân hủy tốt Môi trường có

pH quá kiềm hoặc quá axit sẽ làm chậm quá trình phân giải.

Thời gian phân hủy:

Trong điều kiện công nghiệp: PLA có thể phân hủy hoàn toàn trong khoảng 3–6 tháng.

Trong tự nhiên (như đất hoặc nước biển): Quá trình này có thể kéo dài từ 2–5 năm hoặc hơn, tùy thuộc vào môi trường cụ thể.

Lưu ý:

PLA không phân hủy dễ dàng trong các điều kiện tự nhiên thông thường (như ở nhiệt độ