Chất dẻo | Thành phần, phân loại, tính chất và ứng dụng

Trong chương trình Hóa học 12, chất dẻo là một loại vật liệu polymer có thành phần chính là polymer cùng một số chất phụ gia. Học sinh cần nắm được chất dẻo là gì, thành phần của chất dẻo, phân loại chất dẻo gồm chất dẻo nhiệt và chất dẻo nhiệt rắn, tính chất của từng loại, một số polymer dùng làm chất dẻo như PE, PP, PVC, PPF, PET, cũng như ứng dụng của chất dẻo và tác hại của chất dẻo đối với môi trường để xử lí tốt các câu hỏi lý thuyết, đúng – sai và bài tập vận dụng.

Chất dẻo là gì?

Chất dẻo là những vật liệu polymer có khả năng bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt, áp lực bên ngoài và vẫn giữ được sự biến dạng đó khi thôi tác dụng. Khả năng này được gọi là tính dẻo. [1]

Polymer là thành phần chính tạo nền vật liệu và quyết định nhiều tính chất cơ bản của chất dẻo. Ngoài ra, chất dẻo có thể chứa chất hóa dẻo để tăng độ mềm và dễ tạo hình; chất độn; chất tạo màu, chất ổn định nhiệt và một số phụ gia khác.

Chất dẻo thành phẩm không nhất thiết chỉ gồm polymer tinh khiết. Thực tế, polymer là thành phần cơ bản của chất dẻo, còn vật liệu chất dẻo thành phẩm có thể chứa thêm phụ gia để phù hợp với mục đích sử dụng. Bên cạnh chất dẻo, polymer còn được sử dụng làm vật liệu nền trong vật liệu composite, kết hợp với các thành phần khác nhằm tạo ra vật liệu có những tính chất phù hợp với từng mục đích sử dụng.

Chất dẻo, cao su, tơ và các vật liệu polymer đều liên quan đến polymer nhưng có tính chất đặc trưng và ứng dụng khác nhau. Cao su là vật liệu polymer có tính đàn hồi; tơ là vật liệu polymer dạng sợi dài, mảnh và tương đối bền.

Thành phần của chất dẻo gồm những gì?

Thành phần chính của chất dẻo là polymer. Ngoài polymer tạo nền vật liệu, thành phần của chất dẻo có thể chứa thêm chất hóa dẻo, chất độn, chất tạo màu, chất ổn định nhiệt và các chất phụ gia khác nhằm điều chỉnh tính chất của vật liệu phù hợp với mục đích sử dụng. [1]

Do đó, khi xét thành phần chất dẻo, cần phân biệt polymer là thành phần chính với các phụ gia được thêm vào trong quá trình sản xuất chất dẻo.

Chất dẻo gồm mấy loại? Phân loại chất dẻo

Dựa vào tính chất khi gia nhiệt, chất dẻo thường được phân thành hai nhóm chính là chất dẻo nhiệt và chất dẻo nhiệt rắn. Hai loại chất dẻo này có đặc điểm, khả năng tạo hình và ứng dụng khác nhau.

Chất dẻo nhiệt là gì? Tính chất của chất dẻo nhiệt

Chất dẻo nhiệt, hay chất nhiệt dẻo, mềm ra hoặc nóng chảy khi được đun đến nhiệt độ thích hợp và rắn lại khi làm nguội. Vì có thể làm mềm rồi tạo hình lại, chúng thuận lợi cho gia công và tái chế cơ học. [1]

Ví dụ thường gặp về chất dẻo nhiệt: PE, PP, PVC, PS, PMMA, PET,...

• Ưu điểm của chất dẻo nhiệt là dễ sản xuất đại trà, dễ tạo hình và nhìn chung thuận lợi hơn cho quá trình tái chế bằng phương pháp nóng chảy.

• Nhược điểm là khả năng chịu nhiệt nhìn chung thấp hơn vật liệu nhiệt rắn.

Như vậy, tính chất của chất dẻo nhiệt đặc trưng là có thể mềm ra khi gia nhiệt thích hợp và rắn trở lại khi làm nguội.

Chất dẻo nhiệt rắn là gì? Tính chất của chất dẻo nhiệt rắn

Chất dẻo nhiệt rắn sau khi hình thành mạng không gian bền sẽ không nóng chảy trở lại khi đun nóng. Nếu nhiệt độ quá cao, vật liệu có xu hướng bị phân hủy. Vì vậy, chúng thường chỉ được tạo hình một lần. [1]

Ví dụ về chất dẻo nhiệt rắn thường gặp: nhựa epoxy, nhựa phenol-formaldehyde (PPF),...

• Ưu điểm của chất dẻo nhiệt rắn là chịu nhiệt tốt, có độ bền cơ học cao và ổn định kích thước.

• Nhược điểm là sau khi đã định hình và hóa cứng, vật liệu không thể nung chảy rồi tạo hình lại như chất dẻo nhiệt nên quá trình tái chế và gia công thường khó khăn hơn.

Lưu ý: Phát biểu “chất dẻo nhiệt rắn nóng chảy và có thể tạo hình lại nhiều lần” là sai; PPF không thuộc nhóm chất dẻo nhiệt mà thuộc nhóm vật liệu nhiệt rắn.

Các polymer được dùng để sản xuất chất dẻo

Nhiều chất dẻo thông dụng được điều chế bằng phản ứng trùng hợp các monomer chứa liên kết đôi C=C. Với monomer dạng \(CH_2=CH-R\), phản ứng có thể biểu diễn tổng quát:

\[nCH_2=CH-R \xrightarrow{t^\circ,\,p,\,xt} \left(-CH_2-CH(R)-\right)_n\]

Trong đó, khi thay nhóm R bằng các nhóm khác nhau sẽ thu được những polymer khác nhau:

Polyethylene (PE)

PE được điều chế bằng phản ứng trùng hợp ethylene:

\[nCH_2=CH_2\to(-CH_2-CH_2-)_{n}\]

PE nhẹ, mềm, không thấm nước và tương đối bền trong điều kiện thông thường. Vật liệu thường dùng làm màng mỏng, túi, chai lọ và bao bì.

Polypropylene (PP)

Chất dẻo PP được tạo từ propylene \(CH_2=CH-CH_3\) bằng phản ứng trùng hợp. PP có độ cứng và khả năng chịu nhiệt tốt hơn PE thông dụng, thường dùng làm hộp đựng thực phẩm, bao bì, đồ gia dụng,...

Poly(vinyl chloride) – PVC

PVC được tạo từ vinyl chloride:

\[nCH_2=CHCl \xrightarrow{t^\circ,\,p,\,xt} \left(-CH_2-CHCl-\right)_n\]

PVC cách điện tốt, tương đối bền với acid, được dùng làm ống dẫn nước, áo mưa, giả da và lớp cách điện. Monomer \(CH_2=CHCl\) là dữ kiện thường gặp trong các câu hỏi về chất dẻo PVC được điều chế và bài tập polymer.

Polystyrene – PS

PS được điều chế bằng phản ứng trùng hợp styrene \(CH_2=CH-C_6H_5\). PS được sử dụng trong bao gói, hộp xốp và một số vật liệu cách nhiệt.

Poly(methyl methacrylate) – PMMA

PMMA là chất dẻo trong suốt, truyền ánh sáng tốt, được dùng chế tạo thủy tinh hữu cơ hay plexiglas.

PMMA khác biệt so với kính cường lực: thủy tinh vô cơ được xử lí để tăng độ bền, trong khi PMMA là polymer hữu cơ.

Poly(phenol-formaldehyde) – PPF

PPF là chất dẻo được tạo từ phenol và formaldehyde. Dạng mạng không gian của PPF có tính nhiệt rắn, độ cứng và khả năng cách điện tốt, thường dùng cho bột ép, chất kết dính và một số chi tiết chịu nhiệt.

Do đó, với câu hỏi “PPF có phải chất dẻo không?” hoặc “PPF thuộc loại chất dẻo nào?”, có thể xác định PPF là vật liệu polymer dùng làm chất dẻo và thuộc nhóm chất dẻo nhiệt rắn.

PET là chất dẻo hay tơ?

PET thuộc nhóm polyester, được điều chế bằng phản ứng trùng ngưng từ các monomer thích hợp như ethylene glycol và terephthalic acid.

PET có thể được sử dụng làm chất dẻo hoặc tơ tùy phương pháp gia công và mục đích sử dụng. PET thường dùng làm chai, bao bì và cũng có thể kéo thành sợi polyester dùng trong dệt may.

Tính chất của chất dẻo

Chất dẻo có nhiều tính chất như nhẹ, bền, dễ tạo hình, không thấm nước, cách điện và cách nhiệt tương đối tốt. Nhờ đó, chúng có thể thay thế một phần kim loại, gỗ trong nhiều sản phẩm. [1]

Về hóa học, nhiều chất dẻo thông dụng khá bền với nước và một số hóa chất trong điều kiện thường. Tuy nhiên, mọi chất dẻo đều không hoàn toàn trơ vì độ bền còn phụ thuộc cấu tạo polymer và môi trường sử dụng.

Không phải mọi chất dẻo đều dễ bị biến dạng ở nhiệt độ cao theo cùng một cách. Chất dẻo nhiệt có thể mềm hoặc nóng chảy khi gia nhiệt thích hợp, trong khi chất dẻo nhiệt rắn sau khi đã tạo mạng bền không nóng chảy trở lại mà có thể bị phân hủy khi nhiệt độ đủ cao.

Ứng dụng của chất dẻo trong đời sống và công nghiệp

Ứng dụng của chất dẻo rất đa dạng trong đời sống, công nghiệp, xây dựng, điện – điện tử, y tế và sản xuất bao bì. Các polymer như PE, PP, PVC, PS và PMMA có tính chất khác nhau nên được sử dụng để tạo ra nhiều nhóm sản phẩm khác nhau.

Ước tính có khoảng hai phần ba lượng polymer tiêu thụ trên thế giới là từ các chất dẻo thông dụng như PE, PP, PVC, PS.

• Ứng dụng PE: Sản xuất túi nylon, bao gói, màng bọc thực phẩm, chai lọ,...

• Ứng dụng PP: Sản xuất bao gói, hộp đựng, đồ gia dụng, một số loại ống,...

• Ứng dụng PVC: Sản xuất rèm nhựa, khung cửa, sàn nhựa, ống nước, vỏ cáp điện,...

• Ứng dụng PS: Sản xuất bao gói thực phẩm, hộp xốp, vật liệu cách nhiệt,...

• Ứng dụng poly(methyl methacrylate) (PMMA): Sản xuất thủy tinh hữu cơ dùng làm kính máy bay, kính xây dựng, kính bảo hiểm,...

Tác hại của chất dẻo đối với môi trường

Độ bền cao cũng khiến nhiều loại rác nhựa và chất dẻo truyền thống khó phân hủy sinh học, có thể tích tụ lâu trong đất, nguồn nước và môi trường tự nhiên nếu không được thu gom, xử lý phù hợp.

Vì vậy, nhận định “chất dẻo có khả năng phân hủy sinh học tốt” không đúng với phần lớn các loại chất dẻo truyền thống như PE, PP hoặc PVC.

Không nên đốt rác nhựa tùy tiện; PVC khi phân hủy hoặc cháy có thể giải phóng khí hydrogen chloride và các sản phẩm có hại khác trong điều kiện không phù hợp. [3]

Biện pháp trọng tâm là 3R: Reduce – giảm sử dụng, Reuse – tái sử dụng và Recycle – tái chế. Một số polymer có khả năng phân hủy sinh học trong những điều kiện phù hợp như PLA, PHA,... đang được nghiên cứu và ứng dụng nhằm giảm phụ thuộc vào nhựa truyền thống.

Cách sử dụng chất dẻo hợp lý

Để hạn chế tác hại của chất dẻo, cần ưu tiên sử dụng đúng mục đích, tái sử dụng các sản phẩm phù hợp, phân loại rác nhựa để tái chế và hạn chế dùng đồ nhựa dùng một lần khi không cần thiết.

Đối với bao bì, hộp đựng thực phẩm và các sản phẩm tiếp xúc với nhiệt, cần sử dụng đúng loại vật liệu được thiết kế cho mục đích tương ứng, tránh tự ý gia nhiệt các loại nhựa không phù hợp.

Một số câu hỏi thường gặp về chất dẻo

Chất dẻo gồm mấy loại?

Dựa vào tính chất khi gia nhiệt, chất dẻo thường được chia thành hai nhóm chính là chất dẻo nhiệt và chất dẻo nhiệt rắn.

Thành phần chính của chất dẻo là gì?

Thành phần chính của chất dẻo là polymer. Ngoài ra, chất dẻo thành phẩm có thể chứa chất hóa dẻo, chất độn, chất tạo màu, chất ổn định và các phụ gia khác.

PPF có phải chất dẻo không?

Có. PPF là polymer được dùng làm chất dẻo. Dạng mạng không gian của PPF thuộc nhóm chất dẻo nhiệt rắn.

PET là chất dẻo hay tơ?

PET có thể được dùng làm chất dẻo để sản xuất chai, bao bì hoặc được kéo thành sợi polyester sử dụng trong dệt may.

Polime nào sau đây không thuộc loại chất dẻo?

Không phải mọi polymer đều được dùng làm chất dẻo. Một số polymer chủ yếu được sử dụng làm cao su hoặc tơ, chẳng hạn polyisoprene thuộc nhóm cao su, còn nylon-6 và nylon-6,6 thường được dùng làm tơ polyamide.

Chất dẻo có khả năng phân hủy sinh học tốt không?

Phần lớn chất dẻo truyền thống không có khả năng phân hủy sinh học tốt trong điều kiện môi trường thông thường. Một số polymer như PLA hoặc PHA có thể phân hủy sinh học trong những điều kiện phù hợp.

Bài tập vận dụng về chất dẻo

Nhận biết và phân loại

Bài 1: Dãy nào chỉ gồm các polymer thường dùng làm chất dẻo?

A. PE, PVC, PMMA.
B. PE, cao su thiên nhiên, nylon-6.
C. Cellulose, PVC, nylon-6,6.
D. Polyisoprene, tơ visco, PP.

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Nhận biết vật liệu polymer.

• Dữ kiện đề cho: Bốn dãy gồm các polymer thuộc nhóm chất dẻo, cao su hoặc tơ.

• Thông tin cần tìm: Dãy chỉ chứa polymer thường dùng làm chất dẻo.

Kiến thức cần dùng

PE, PVC và PMMA đều là polymer dùng làm chất dẻo. Polyisoprene thuộc nhóm cao su, còn nylon-6 và nylon-6,6 chủ yếu được dùng làm tơ polyamide.

Lời giải chi tiết

Chỉ phương án A gồm các polymer thường được dùng làm chất dẻo.

Đáp án: A. PE, PVC, PMMA.

Tính chất của chất dẻo nhiệt và chất dẻo nhiệt rắn

Đề bài: Phát biểu nào sau đây đúng?

A. PPF là chất dẻo nhiệt.
B. Chất dẻo nhiệt rắn có thể nóng chảy nhiều lần.
C. Chất dẻo nhiệt có thể mềm ra khi gia nhiệt thích hợp.
D. Mọi polymer đều là chất dẻo.

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Nhận biết tính chất của chất dẻo.

• Dữ kiện đề cho: Bốn nhận định về chất dẻo nhiệt, chất dẻo nhiệt rắn và polymer.

• Thông tin cần tìm: Nhận định đúng.

Kiến thức cần dùng

Chất dẻo nhiệt có thể mềm ra khi gia nhiệt thích hợp. Chất dẻo nhiệt rắn sau khi hình thành mạng không gian không nóng chảy trở lại. PPF thuộc nhóm vật liệu nhiệt rắn.

Lời giải chi tiết

• A sai vì PPF thuộc nhóm chất dẻo nhiệt rắn.

• B sai vì chất dẻo nhiệt rắn không nóng chảy trở lại sau khi đã tạo mạng bền.

• D sai vì polymer còn được dùng làm tơ, cao su và nhiều vật liệu khác.

Đáp án: C. Chất dẻo nhiệt có thể mềm ra khi gia nhiệt thích hợp.

Xác định monomer điều chế polymer

Đề bài: Monomer tạo PVC là hợp chất nào dưới đây?

A. \(CH_2=CH_2\)
B. \(CH_2=CHCl\)
C. \(CH_2=CH-CH_3\)
D. \(C_6H_5-CH=CH_2\)

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Xác định monomer từ polymer.

• Dữ kiện đề cho: Polymer cần điều chế là PVC.

• Thông tin cần tìm: Công thức monomer tạo PVC.

Kiến thức cần dùng

PVC là poly(vinyl chloride), được tạo bằng phản ứng trùng hợp vinyl chloride.

Lời giải chi tiết

\[nCH_2=CHCl \xrightarrow{t^\circ,\,p,\,xt} \left(-CH_2-CHCl-\right)_n\]

Do đó, monomer dùng để điều chế PVC là \(CH_2=CHCl\).

Đáp án: B. \(CH_2=CHCl\).

Bài toán thành phần chất dẻo

Đề bài: Một loại chất dẻo chứa 92% PE theo khối lượng, phần còn lại là phụ gia. Tính khối lượng PE cần dùng để sản xuất 50 kg chất dẻo.

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Tính khối lượng polymer từ phần trăm khối lượng.

• Dữ kiện đề cho: Có 50 kg chất dẻo; PE chiếm 92% khối lượng.

• Thông tin cần tìm: Khối lượng PE cần sử dụng.

Kiến thức cần dùng

Khối lượng một thành phần:

\[m_{\text{thành phần}} = m_{\text{hỗn hợp}} \times \frac{\%\text{ khối lượng}}{100}\]

Lời giải chi tiết

Khối lượng PE cần dùng là:

\[m_{\mathrm{PE}} = 50 \times \frac{92}{100} = 46\,\text{kg}\]

Vậy cần 46 kg PE để sản xuất 50 kg chất dẻo trên.

Bài toán đồng thời cho thấy chất dẻo có thể gồm polymer và các phụ gia, không nhất thiết chỉ chứa polymer tinh khiết.

Xác định số mắt xích trung bình của polymer

Đề bài: Một mẫu polystyrene (PS) được dùng làm hộp xốp bảo quản thực phẩm chứa hỗn hợp gồm nhiều đoạn mạch PS có số mắt xích khác nhau và có phân tử khối trung bình là 263744. Số mắt xích trung bình của mẫu PS đó là bao nhiêu?

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Xác định số mắt xích trung bình của polymer từ phân tử khối trung bình.

• Dữ kiện đề cho: Polystyrene (PS) có phân tử khối trung bình bằng 263744.

• Thông tin cần tìm: Số mắt xích trung bình của PS.

Kiến thức cần dùng

• Polystyrene được điều chế bằng phản ứng trùng hợp styrene:

  \[nCH_2=CH-C_6H_5 \rightarrow \left(-CH_2-CH(C_6H_5)-\right)_n\]

• Mắt xích của PS có công thức: \(-C_8H_8-\)

• Phân tử khối của một mắt xích PS:

  \[M_{\text{mắt xích}}=8\times12+8\times1=104\]

• Số mắt xích trung bình của polymer được xác định theo công thức:

  \[\overline{n}=\frac{\overline{M}_{\text{polymer}}}{M_{\text{mắt xích}}}\]

Lời giải chi tiết

Phân tử khối của một mắt xích PS là:

\[M_{\text{mắt xích}}=8\times12+8\times1=104\]

Số mắt xích trung bình của mẫu PS:

\[\overline{n}=\frac{263744}{104}=2536\]

Vậy số mắt xích trung bình của mẫu polystyrene là 2536 mắt xích.

Chất dẻo là vật liệu polymer có tính dẻo, trong đó polymer là thành phần chính. Học sinh cần phân biệt nhiệt dẻo với nhiệt rắn và ghi nhớ các polymer tiêu biểu như PE, PP, PVC, PMMA, PET, PPF cùng monomer, phương pháp điều chế và ứng dụng cơ bản.

Bên cạnh ưu điểm nhẹ, bền và dễ tạo hình, chất dẻo gây vấn đề môi trường do nhiều loại khó phân hủy. Vì vậy, giảm sử dụng, tái sử dụng và tái chế là những biện pháp quan trọng.

Đây là nội dung trọng tâm của phần vật liệu polymer trong Hóa học 12, thường xuất hiện ở câu hỏi nhận biết, đúng – sai, phản ứng tạo polymer và bài toán thực tiễn. Người học có thể tiếp tục hệ thống kiến thức tại chuyên mục Hóa học 12 – ZIM Academy.