Polymer là gì? Tìm hiểu từ cơ bản đến ứng dụng thực tế

Polymer – một thuật ngữ nghe có vẻ phức tạp nhưng thực chất lại vô cùng gần gũi trong đời sống hàng ngày. Từ những chiếc túi nhựa, quần áo bằng polyester, đến lốp xe hay thậm chí DNA trong cơ thể chúng ta, polymer hiện diện khắp nơi với vô vàn hình thức và công dụng. Vậy polymer là gì? Chúng được cấu tạo như thế nào, có những loại nào, và tại sao lại trở thành vật liệu quan trọng trong nhiều lĩnh vực? Hãy cùng tìm hiểu trong bài viết dưới đây nhé!

Polymer là gì?

Polymer (hay còn gọi là chất cao phân tử) là các hợp chất hóa học gồm các phân tử lặp đi lặp lại, được gọi là monomer, liên kết với nhau tạo thành một chuỗi dài. Polyme có nhiều ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày và trong công nghiệp nhờ vào tính chất đa dạng và hữu ích của chúng.

Cấu trúc mạch của Polymer

Cấu trúc mạch của polymer có thể được chia thành các loại sau:

Cấu trúc mạch thẳng

Mạch thẳng là dạng cấu trúc đơn giản nhất, trong đó các monomer liên kết với nhau theo một đường thẳng tạo thành mạch chính. Các mạch thẳng này có thể cuộn xoắn hoặc gập khúc một cách ngẫu nhiên trong không gian. Loại cấu trúc này thường tạo ra các polymer có khả năng kết tinh tốt và độ bền cơ học cao.

Ví dụ: Polyethylene (PE), Polyvinyl chloride (PVC)…

Cấu trúc mạch nhánh

Mạch nhánh là cấu trúc phức tạp hơn, bao gồm một mạch chính và các nhánh bên ngắn hơn. Các nhánh bên này có thể có độ dài khác nhau và phân bố không đều dọc theo mạch chính. Sự có mặt của các nhánh bên làm giảm khả năng sắp xếp chặt chẽ của các mạch polymer, dẫn đến độ kết tinh thấp hơn so với polymer mạch thẳng.

Ví dụ: Amylopectin, Glycogen,..

Cấu trúc mạng không gian

Mạch mạng không gian là cấu trúc phức tạp nhất, trong đó các mạch polymer được liên kết chéo với nhau bởi các liên kết hóa học bền vững, tạo thành một mạng lưới ba chiều. Polymer có cấu trúc mạng không gian thường có độ bền nhiệt và độ bền hóa học cao, không thể nóng chảy và không hòa tan trong dung môi thông thường.

Ví dụ: Cao su lưu hóa, nhựa phenol-formaldehyde (Resol),…

Tính chất vật lý và hóa học của polime

Polymer (hay polime) là những phân tử lớn được tạo thành từ sự kết hợp lặp đi lặp lại của nhiều phân tử nhỏ gọi là monome. Chính cấu trúc đặc biệt này đã mang đến cho polymer những tính chất vật lý và hóa học độc đáo, giúp chúng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.

Tính chất vật lý của polyme

Đa số polime là chất rắn, không bay hơi, không có nhiệt độ nóng chảy xác định (thường nóng chảy ở một khoảng nhiệt độ khá rộng).

Hầu hết polime không tan trong nước và các dung môi thông thường. Tuy nhiên, một số polime có thể tan trong dung môi phù hợp, tạo thành dung dịch nhớt.

Nhiều polime có tính dẻo (như polietilen, polipropilen), một số có tính đàn hồi (như polibutađien, poliisopren).

Polime thường có tính bền cơ học cao, có thể kéo thành sợi, làm màng.

Nhiều polime có tính cách điện, cách nhiệt tốt (như polietilen, PVC).

Một số polime trong suốt mà không giòn.

Tính chất hóa học

Với cấu trúc phân tử đặc biệt, polime thường có những tính chất hóa học khác biệt so với các hợp chất hữu cơ thông thường.

• Tính trơ: Do cấu trúc mạch dài và liên kết C-C bền vững, polime thường khá trơ về mặt hóa học. Chúng không tham gia nhiều phản ứng hóa học như các hợp chất hữu cơ nhỏ phân tử.
• Phản ứng giữ nguyên mạch: Các nhóm thế đính vào mạch polime có thể tham gia phản ứng mà không làm thay đổi mạch chính. Ví dụ: poli(vinyl axetat) tác dụng với dung dịch NaOH.  
• Phản ứng phân cắt mạch: Gây ra bởi các tác nhân như nhiệt, axit, bazơ, dẫn đến giảm khối lượng phân tử của polime. Ví dụ: phản ứng thủy phân polieste.
• Phản ứng khâu mạch: Làm tăng khối lượng phân tử của polime bằng cách nối các mạch ngắn lại với nhau.

Phân loại polymer 

Polymer được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, nhưng hai cách phân loại chính là:

Dựa trên nguồn gốc

• Polymer tự nhiên: Có sẵn trong tự nhiên như protein, tinh bột, xenlulozơ, cao su tự nhiên.
• Polymer bán tổng hợp: Được chế biến từ polymer tự nhiên, ví dụ như tơ visco, tơ axetat.
• Polymer tổng hợp: Được tổng hợp từ các monome đơn giản, ví dụ như polyethylene, polypropylene, polystyrene.

Dựa trên cấu trúc

• Polymer mạch thẳng: Các monome nối tiếp nhau thành một mạch thẳng.
• Polymer mạch nhánh: Có các nhánh phân tử gắn vào mạch chính.
• Polymer mạng lưới: Các mạch phân tử liên kết với nhau tạo thành một mạng lưới không gian ba chiều.

Các phương pháp để điều chế polymer chính

Có hai phương pháp chính để điều chế polymer:

Trùng hợp

Các phân tử monome liên kết với nhau theo một mạch dài, giống như các mắt xích trong một chuỗi.

Ví dụ:

• Polietilen: Từ monome etilen (CH2=CH2)
• Polivinyl clorua (PVC): Từ monome vinyl clorua (CH2=CHCl)

Trùng ngưng

Các phân tử monome kết hợp với nhau, đồng thời giải phóng các phân tử nhỏ như nước, amoniac,…

Ví dụ:

• Nilon-6,6: Từ hexametylenđiamin và axit adipic
• Tơ lapsan: Từ etylen glycol và axit terephthalic

Ứng dụng của polymer trong đời sống

Polime được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống, từ những vật dụng nhỏ nhặt hàng ngày đến các sản phẩm công nghệ cao cấp. 

• Chất dẻo: Đây là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của polymer. Chất dẻo được sử dụng để sản xuất bao bì, thùng nhựa đặc, đồ dùng gia đình, đồ chơi, ống dẫn nước, khay nhựa, và nhiều sản phẩm khác.
• Tơ: Polymer được sử dụng để sản xuất nhiều loại tơ nhân tạo như tơ nilon, tơ polyester, dùng để may mặc, dệt thảm…
• Cao su: Cao su tự nhiên và cao su tổng hợp được sử dụng để sản xuất lốp xe, đồ dùng thể thao, gioăng, và nhiều sản phẩm khác.
• Sơn và keo: Polymer được sử dụng làm chất kết dính trong sơn và keo.
• Vật liệu xây dựng: Polymer được sử dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng như nhựa đường, tấm lợp, và các loại vật liệu cách nhiệt.
• Ngành y tế: Polymer được sử dụng để sản xuất các thiết bị y tế như ống tiêm, ống dẫn máu, và các vật liệu cấy ghép.
• Công nghiệp điện tử: Polymer được sử dụng để sản xuất các linh kiện điện tử như vỏ điện thoại, mạch in, và các loại dây cáp.

Polymer là một loại vật liệu đa dạng và quan trọng trong cuộc sống hiện đại. Với những tính chất đặc biệt và ứng dụng rộng rãi, polymer đóng góp vào sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp và cải thiện chất lượng cuộc sống.