Bài giảng Hoá học và hoá lý polyme: Chương 10

Chia sẻ: Bui Dinh Hoang Viet | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:65

Thêm vào BST

Báo xấu

160
lượt xem 39
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 10 Dung dịch polyme thuộc bài giảng Hoá học và hoá lý polyme, cùng nắm kiến thức trong chương này thông qua việc tìm hiểu các nội dung sau: khái niệm về hệ polymer–chất lỏng thấp phân tử, lý thuyết dung dịch polyme, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trương và hòa tan của polymer, hóa dẻo polymer.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hoá học và hoá lý polyme: Chương 10

CHÖÔNG 10 DUNG DÒCH POLYME
NOÄI DUNG • I. Khaùi nieäm veà heä polymer – Chaát loûng thaáp phaân töû. • II. Lyù thuyeát dung dòch polyme. • III. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán khaû naêng tröông vaø hoøa tan cuûa polymer. • IV. Hoùa deûo polymer.
Töông taùc giöõa polymer vaø dung dòch thaáp phaân töû seõ ñöa ñeán traïng thaùi tröông vaø hoøa tan polymer trong dung dòch, traïng thaùi naøy coù moät yù nghóa trong quaù trình saûn xuaát vaø söû duïng. Ví duï: Raát nhieàu sôïi toång hôïp vaø maøng phim polymer ñöôïc saûn xuaát vôùi nguyeân lieäu ôû traïng thaùi dung dòch. Hieän töôïng hoùa seûo ñöôïc söû duïng khi saûn xuaát caùc saûn phaåm polymer ñöôïc döïa treân cô sôû tröông nôû cuûa polymer vôùi caùc chaát hoùa deûo. Sôn, verni vaø keo laø dung dòch polymer. Raát nhieàu tröôøng hôïp quan troïng lieân quan ñeán hieän töôïng tröông vaø tan cuûa polymer trong dung dòch thaáp phaân töû. Maët khaùc trong quaù trình söû duïng, caùc saûn phaåm polymer phaûi thöôøng xuyeân taùc duïng vôùi caùc dung
I. Heä polymer – chaát loûng thaáp phaân töû Heä polymer – dung moâi (chaát loûng thaáp phaân töû) coù theå chia ra laøm 3 loaïi: Dung dòch thaät, gel vaø heä keo. I.1. Dung dòch thaät I.1.1. Khaùi nieäm:  Dung dòch thaät laø moät heä nhieàu phaân töû coù caùc tính chaát: 1.Caùc caáu töû coù aùi löïc vôùi nhau, nhöõng chaát deã phaân cöïc thì deã hoùa tan vôùi nhau. 2.Söï hoøa tan laø ñöông nhieân, khoâng caàn ngoaïi löïc taùc duïng. 3.Noàng ñoä khoâng thay ñoåi theo thôøi gian khi nhöõng ñieàu kieän beân ngoaøi (t,p) khoâng thay ñoåi. 4.Ñoàng nhaát, caû heä chæ coù moät pha.
I.1.2. Hoøa tan vaø tröông cuûa polymer:  Nhö chaát thaáp phaân töû, polymer khoâng theå hoøa tan trong taát caû caùc chaát loûng . Moät soá chaát loûng ñöôïc goïi laø “dung moâi toát” cho polymer, thì polymer seõ tan töï nhieân. Tuy nhieân polymer cuõng coù theå khoâng tan trong moät soá chaát loûng (“dung moâi xaáu” hay khoâng phaûi laø dung moâi cho polymer). Ví duï: NR tan toát trong Benzen nhöng khoâng tan trong nöôùc, gelatine tan trong nöôùc nhöng khoâng tan trong coàn. Nguyeân nhaân laø moãi loaïi polymer coù theå töông taùc vôùi nhöõng dung moâi nhaát ñònh vaø coù theå khoâng töông taùc vôùi nhöõng dung moâi khaùc. Cuõng coù theå ban ñaàu polymer taïo vôùi dung dòch moät dung dòch thaät nhöng moät thôøi gian sau chuùng coù theå chæ laø moät heä keo, khoâng beàn vöõng nhieät ñoäng.  Tuy cuõng taïo thaønh dung dòch thaät nhö chaát thaáp phaân töû nhöng dung dòch polymer coù nhöõng ñaëc tröng
 Söï hoøa tan töï nhieân cuûa polym trong m dung m toát er oät oâi luoân theå hieän tính chaát ñaëc tröng laø söï tröông: polym haáp er thuï dung m vaø gia taêng khoái löôïng, theå tích cuûa m oâi aãu. Ngay khi polym ñöôïc caét thaønh nhöõng m er aûnh nhoû vaø ngaâm trong dung m sau m thôøi gian tröông thì caùc m oâi, oät aûng polym seõ töï keát laïi vaø hoøa quyeän vôùi nhau ñeå taïo thaønh er dung dòch polym thaät. er  Söï tröông khoâng chælaø vieäc dung m chen vaøo giöõa theå oâi tích polym m coøn laø hieän töôïng laáp ñaày caùc loã troáng, er aø caùc m quaûn cuûa polym bôûi dung m hieän töôïng haáp ao er oâi, thuï chaát loûng cuûa chaát raén xoáp.  Ta phaân bieät 2 loaïi tröông laø tröông giôùi haïn vaø tröông khoâng giôùi haïn.
 Tröông khoâng giôùi haïn khi söï tröông töï ñoäng chuyeån sang traïng thaùi hoøa tan hoaøn toaøn, gioáng hieän töôïng tröông hoaøn toaøn cuûa chaát thaáp phaân töû (nöôùc +röôïu). Söï khaùc bieät laø caàn thôøi gian daøi ñeå dung m coù theå ñi vaøo polym vaø oâi er laøm thay ñoåi daàn ñoä linh ñoäng cuûa m aïch phaân töû, do ñoù ña soá caùc polym ñeàu khoâng theå hoøa tan ngay m phaûi qua m er aø oät quaù trình haáp thuï m löôïng dung m ñoù laø quaù trình tröông. oät oâi, Polym tröông, coù chöùa dung m trong polym seõ toàn taïi er oâi er, taùch bieät vôùi dung m trong hoãn hôïp. Sau m thôøi gian, khi oâi oät m aïch phaân töû ñuû linh ñoäng thì chuùng baét ñaàu khueách taùn daàn vaøo pha dung m vaø hình thaønh 2 lôùp: lôùp dung dòch oâi polym ñaämñaëc vaø lôùp chuû yeáu laø dung m vaø phaûi er oâi, m thôøi gian sau nöõa thì caû hai lôùp m khueách taùn vaøo oät ôùi nhau ñeå cho m pha ñoàng nhaát, cuøng noàng ñoä. oät
 Tröông giôùi haïn khi töông taùc giöõa polym vaø dung m er oâi khoâng ñuû m aïnh giôùi haïn quaù trình haáp thuï dung m cuûa oâi polym ñöa ñeán söï hoøa tan khoâng hoaøn toaøn, caùc m er aïch phaân töû polym khoâng theå taùch rôøi nhau. Keát quaû cuûa söï er tröông giôùi haïn laø taïo thaønh 2 pha trong hoãn hôïp: pha dung m trong polym vaø pha thöù hai hoaëc laø dung m khoâng oâi er oâi (khi pollym hoaøn toaøn khoâng tan) hoaëc laø pha dung dòch er loaõng cuûa polym trong dung m Hai pha naøy taùch baïch er oâi. nhau m caùch roõ raøng vaø oån ñònh. oät Ta caàn phaân bieät söï tröông giôùi haïn cuûa polym m er aïch thaúng vaø polym m er aïch khoâng gian.
Tröôøng hôïp ñoái vôùi polymer maïch thaúng, gioáng nhö hoøa tan coù giôùi haïn cuûa chaát thaáp phaân töû, khi ta thay caùc ñieàu kieän beân ngoaøi (nhieät ñoä, noàng ñoä caùc thaønh phaàn) coù theå chuyeån sang tröôøng hôïp tröông khoâng giôùi haïn. Nguoàn goác cuûa tröông giôùi haïn cuûa polymer maïch thaúng laø do löïc lieân keát lieân phaân töû giöõa polymer vaø polymer lôùn hôn löïc töông taùc giöõa polymer vaø dung moâi neân caùc maïch phaân töû khoâng theå taùch ra moät caùch hoaøn toaøn. Khi ta taêng nhieät ñoä, taïo ñieàu kieän caét ñöùt lieân keát phaân töû thì söï tröông nôû seõ chuyeån sang khoâng giôùi haïn. Thí duï gelatin trong nöôùc, chæ tan khi ôû nhieät ñoä töø 35 – 40oC. Ñoái vôùi polymer maïch khoâng gian, caùc lieân keát hoùa hoïc
I.1.3 Ñoä tröông :  Ñoä tröông laø m thoâng soá quan troïng cuûa polym m oät er aïch khoâng gian, cho ta bieát khaû naêng tröông cuûa polym trong dung er m hay hôi cuûa dung m oâi oâi.  Ñoä tröông α chæcoù theå xaùc ñònh khi polym tröông giôùi haïn er trong dung m vaø ñöôïc ñònh nghóa theo khoái löôïng hay theå tích oâi theo caùc coâng thöùc nhö sau m − mo V − VO α= hay α= mo VO Vôùi : m : troïng löôïng ban ñaàu cuûa m polym aãu er m : troïng löôïng m polym sau khi tröông o aãu er V : theå tích ban ñaàu cuûa m polym aãu er Vo : : theå tích maãu polymer sau khi tröông
Ñoä tröông laø moät haøm theo thôøi gian α = f(t) vaø taêng daàn theo thôøi gian, vaän toác tröông xaûy ra nhanh ôû giai ñoaïn ñaàu vaø chaäm daàn ñeán khi ñaït giaù trò caân baèng , khi ñoù ta coù ñoä tröông caân baèng α* hay khaû naêng tröông toái ña cuûa maãu. Tuøy theo caáu truùc cuûa maïng löôùi maø ta coù caùc toác ñoä tröông cuõng nhö ñoä tröông caân baèng khaùc nhau.
 Polymer coù theå haáp thu chaát loûng cuõng nhö pha khí. Khi polymer tröông trong moät dung moâi thì noù cuõng coù theå tröông vôùi hôi cuûa dung ñoù. Toác ñoä tröông cuûa polymer dung moâi thì lôùn hôn khi haáp phuï hôi cuûa dung moâi, tuy nhieân ñoä tröông toái ña cuûa chuùng laø nhö nhau.  Ñoâi khi ta coù “ ñoä tröông aâm” (α < 0), khi ñoù söï tröông trong dung moâi laøm thoaùt ñi nhöõng taïp chaát ( khoâng phaûi polymer, hoaëc chaát thaáp phaân töû) coù trong polymer.
I.2 Heä Gel Khi polym trong dung dòch coù theå taïo heä tröông hoaëc polym et er khoâng tan thì ta coù caáu truùc gel. Gel polym laø m heä raát er oät quan troïng ñöôïc öùng duïng quan troïng trong coâng nghieäp thöïc phaåm sôïi toång hôïp,… caùc cô quan soáng. , Tuøy theo tính chaát vaø caáu truùc ta chia laømhai loaïi gel :  Gel loaïi 1: laø heä polym dung m trong ñoù m er oâi aïng löôùi ñöôïc hình thaønh töø caùc lieân keát hoùa hoïc beàn giöõa caùc phaân töû . Caùc lieân keát naøy khoâng theå bò phaù huûy bôûi nhieät ñoä, khoâng coù hieän töôïng thay ñoåi nhieät ñoä, do ñoù gel loaïi 1 khoâng theå chaûy ôû baát cöù nhieät ñoä naøo. Neáu tieáp tuïc naâng nhieät ñoä cuûa heä seõ ñöa ñeán söï phaù huûy m aãu khoâng theå trôû laïi caáu truùc cuõ, nhieät ñoù goïi laø nhieät ñoä khoâng hoài phuïc.
Gel loaïi 1 ñöôïc hình thaønh trong caùc tröôøng hôïp : 1. Polymer maïch khoâng gian tröông trong dung moâi ( tröông giôùi haïn ) : NR tröông trong dung moâi. 2. Truøng hôïp hay truøng ngöng ba chieàu trong dung moâi. 3. Quaù trình ñoùng raén, taïo maïng ngang trong dung moâi. Ñoà thò naøy giôùi haïn tröông toái ña cuûa gel loaïi 1 theo nhieät ñoä vaø noàng ñoä polymer. Hình traùi khi nhieät ñoä soâi cuûa dung moâi chöa aûnh höôûng ñeán gel. Hình phaûi tröôøng hôp gel bò aûnh höôûng bôûi nhieät ñoä cao, noàng ñoä gel coù giaûm nhöng vaãn khoâng coù hieän töôïng chaûy.
 Gel loaïi 2 : lieân keát giöõa caùc phaân töû laø caùc lieân keát lieân phaân töû coù baûn chaát khaùc nhau (lieân keát vaät lyù). Caùc lieân keát naøy beàn trong nhöõng ñeàu kieän nhaát ñònh, khi thay ñoåi ñieàu kieän ( nhieät ñoä, loaïi dung m oâi,…) lieân keát seõ bò phaù vôõ, gel seõ laïi chuyeån thaønh dung dòch polym thöïc, hieän er töôïng naøy goïi laø hieän töôïng chaûy cuûa gel. Khi laäp laïi caùc ñieàu kieän ban ñeàu thì gel laïi thaønh laäp laïi, nhö theá heä ñöôïc goïi laø heä “ coù theå gel”, vaø theå hieän nhieät hoài phuïc. Gel loaïi hai ñöôïc thaønh laäp töø töông taùc cuûa polym m er aïch thaúng hoaëc nhaùnh vôùi dung m trong ñoù polym coù coù oâi, er chöùa caùc nhoùm phaân cöïc naøy nhöng khoâng töông taùc vôùi nhoùm töông taùc kia.
Ñoà thò bieåu thò bieán thieân cuûa gel loaïi 2 theo nhieät ñoä vaø thaønh phaàn. Ñoâi khi do vieäc choïn dung m vaø oâi nhieät ñoä khoâng thích hôïp coù theå laøm gel 2 pha hoaëc trong quaù trình hoøa tan trong dung dòch seõ ñuïc do taïo thaønh caùc haït gel nhoû phaân boá trong dung dòch. Ñoà thò bieåu thò bieán thieân cuûa gel loaïi 2 theo nhieät ñoä vaø thaønh phaàn… Ñoâi khi do vieäc choïn dung moâi vaø nhieät ñoä khoâng thích hôïp coù theå laøm gel 2 pha hoaëc trong quaù trình hoøa tan trong dung dòch seõ ñuïc do taïo thaønh caùc haït gel nhoû phaân boá trong dung dòch. Thí duï ñieån hình cuûa gel loaïi hai laø dung dòch gelatin trong nöôùc ñoâng thaønh gel ôû nhieät ñoä thöôøng do taïo thaønh lieân keát giöõa caùc nhoùm aùi nöôùc cuûa caùc
dung moâi vaø polymer, trong tröôøng hôïp naøy seõ taïo ra I.3 Heä phaân keo. Neáu laø polymer voâ ñònh hình ta seõ heä phaân taùn taùn keo coù heä huyeàn phuø. Heä keo ñieån hình laø muû cao su (latex töï nhieân) , ñoù laø heä caùc haït hay baàu cuûa NR phaân taùn trong nöôùc. Huyeàn phuø polymer thu ñöôïc do truøng hôïp huyeàn cuûa caùc polymer ñöôïc goïi laø latex toång hôïp , ñoù laø polymer phaân taùn trong moâi tröôøng nöôùc.  Heä latex laø heä phaân taùn keo coù caùc tính chaát ñieån hình : heä khoâng töï ñoäng taïo thaønh, taäp hôïp thaønh nhöõng haït, baàu polymer khoâng beàn vöõng nhieät ñoä do toàn taïi beà maët phaân chia pha raát roõ giöõa pha polymer vaø pha dung moâi. Do ñoù trong heä keo thì naêng löôïng beà maët raát cao vaø thöôøng ñi keøm hieän töôïng ñoäng tuï polumer nhaèm giaûm naêng löôïng beà maët heä vaø taùch polymer ra. Nhö theá heä keo laø heä toàn taïi hai pha.  Ñeå heä keo beàn vöõng, traùnh hieän töôïng keo tuï, ta caàn caùc chaát oån ñònh . Trong latex NR, caùc chaát keo tuï laø caùc proteine töï nhieân coù trong latex. Ñoái vôùi latex toång hôïp chaát oån ñònh laø caùc chaát taïo huyeàn phuø.  Dung dòch thaät vaø heä phaân taùn keo laø hai tröôøng
II. Lyù thuyeát veà dung dòch polymer Trong caùc daïng toàn taïi cuûa heä polym – dung m thaáp phaân er oâi töû, quan troïng nhaát laø khaû naêng taïo dung dòch giöõa polym er vaø dung m söï khaûo saùt lyù thuyeát veà dung dòch cho bieát oâi, khaû naêng vaø döï ñoaùn ñoä hoøa tan cuûa polym trong dung m er oâi. Chuùng ta laàn löôït ñi töø lyù thuyeát cuûa dung dòch thaáp phaân töû vaø sau ñoù laø lyù thuyeát ñöôïc ñeà nghò cho dung dòch polym er.
 Moâ taû söï troän hôïp cuûa caùc chaát loûng thaáp phaân töû khoâng phaân cöïc , enthalpie cuûa quaù trình laø döông hoaëc baèng khoâng. Theå tích cuûa hoãn hôïp baèng toång theå tích cuûa caùc thaønh phaàn coäng laïi, khoâng coù hieän töôïng thay ñoåi toång theå tích.  Xeùt heä goàm hai caáu töû N1 phaân töû cuûa caáu töû 1 (dung moâi) vaø N2 phaân töû cuûa caáu töû 2 (chaát tan), treân quan ñieåm nhieät ñoäng, quaù trình hoøa tan ñöôïc moâ taû bôûi hai ñaïi löôïng chuû yeáu : naêng löôïng töï do cuûa hoãn hôïp ∆GM vaø bieán thieân hoùa theá cuûa cuûa dung moâi∆Gµ1.  Vôùi :  ∂G  µ1 =   ∂N    1 T ,P, N2
∆G = ∆ : Ta bieát ñoái vôùi hoãnMhôïpHM - T∆ SM (9.2)  Trong ñoù ∆HM enthalpie ( hay nhieät löôïng) cuûa hoãn hôïp, ∆SM laø entropie cuûa heä. Hai caáu töû seõ tan vaøo nhau khi ∆GM < 0, tuy nhieâ ñoù chæ laø ñieàu kieän caàn nhöng chöa ñuû. Ñieàu ñoù caàn khaûo saùt cuï theå caùc ñaïi löôïng nhieät ñoäng.  Caû hai ñaïi löôïng ∆GM vaø ∆ µ1 ñeàu coù theå xaùc ñònh baèng thöïc nghieäm, vaø baèng lyù thuyeát nhieät ñoäng hoïc thoáng keâ.  Theo thuyeát nhieät ñoäng hoïc thoáng keâ dung dòch ñöôïc moâ hình hoùa laø moät maïng löôùi maø moãi oâ do moät caáu töû thaønh phaàn chieám giöõ. Enthapie vaø entropie thay ñoåi trong quaù trình troän hôïp ñöôïc tính toaùn rieâng nhau.