POLYME VÔ CƠ
Họ và tên các thành viên trong nhóm:
Bùi Nguyễn Minh Hiếu
Võ Hoàng Xuân Nghi
Nguyễn Văn Hòa
Nguyễn Văn Tiến Dũng
Nguyễn Trọng Sang
I.
Khái niệm chung
Từ nhu cầu phải có các polyme chịu nhiệt nên đã có những phát minh ra polyme có chứa các nguyên tố
vô cơ vì dựa trên năng lượng liên kết cho thấy các loại polyme này bền nhiệt hơn polyme hữu cơ nhiều.
Polyme vô cơ là các cao phân tử dài ngoằn ngoèo, có xương sống làm bằng Si.
Mặc dù có tính bền nhiệt cao nhưng các polyme vô cơ có nhiều nhược điểm :
-
Khó tổng hợp: các phương pháp như polyme hóa mạch monome có chứa nối đa, polyme hóa
bậc sử dụng monome có 2 nhóm chức khác nhau không sử dụng được
Dễ bị thủy phân, phân tử lượng nhỏ, độ mềm dẻo của mạch thấp, khả năng nóng chảy kém nên
không thể gia công thành màng, sợi, ống.
Tuy nhiên polyme vô cơ vẫn có những ứng dụng nhất định, nhất là trong công nghiệp xây dựng, đồ dùng
gia đình.
II.
Các loại polyme vô cơ phổ biến trong đời sống:
1. Khoáng chất ( mineral)
Nhiều loại khoáng chất là polyme vô cơ
Silica [(SiO2)n] (như cát, quazt, agate) có cấu trúc là các mạch polyme có độ khâu mạch cao theo 3 chiều,
gồm các tứ diện SiO4 với mỗi nguyên tử oxy nối với 2 nguyên tử silic và 1 nguyên tử silic nối với 4 nguyên
tử oxy
Silicat (như đất sét, đất đá) cũng có thành phần trên cơ sở tứ diện SiO4 nhưng khác silica ở tỷ số Si:O<1:2
( silica có Si:O=1:2) và có chứa nhóm Si-O- với ion kim loại đi kèm.
Tùy thuộc tỷ số Si:O, tỷ số cation:Si, điện tích của cation sẽ hình thành nên polyme mạch đơn, mạch kép,
dạng tấm và 3 chiều.
Ví dụ:talc có chứa Mg, có cấu trúc dạng tấm
Tương tự như silica, các loại silicat là những vật liệu có độ cứng cao do cấu trúc dạng thang, tấm và ba
chiều. Ngay cả mạch đơn cũng có tính cứng cao do các cation nối với các mạch kế cận nhau
Tổng hợp polyme khoáng: kết dính dựa vào từ lực

Polyme hóa trực tiếp: cuối thế kỷ 20, người ta phát hiện ra đất sét cao lanh tích điện âm, mỗi
tinh thể cơ bản dài 10 nanomet, gồm 2 lá: lá silic và lá nhôm.
GS. Plattfort của đại học Bruxelles đã dùng Na2CO3 trộn với cao lanh và biến nó thành một đầu
âm (Si) và một đầu dương (Al). Từ đó khoáng vật cơ bản thành một thỏi nam châm nano
Nam châm nano hút lẫn nhau và cao lanh hóa thành đá.

Polyme gián tiếp: . GS. Trần Kim Thạch thuộc trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, khám phá ra một
thứ pôlime có các tinh thể khác nhau và nối kết nhau. Cũng như Plattfort, pôlime này dùng từ lực
sẵn có, vật liệu âm (-) kết nối với vật liệu dương (+) và nhờ từ lực gắn kết nhau ở cấp nano (cực
mạnh
Ví dụ trong đất cao lanh trộn vôi tôi, với công thức này, ông đã tạo ra một pôlime cứng chắc, gọi
là bêtông đất sét. Đó là một vật liệu xây dựng cho nông thôn, nhờ giá mềm.
Vì có hai vật liệu khác nhau, trộn vào nhau để hoá đá (pretrification) nên loại MIP này có tính
gián tiếp.
2. Thuỷ tinh
Thuỷ tinh silicat
Thuỷ tinh silicat được tạo thành bằng cách đun nóng chảy rồi làm lạnh nhanh silica hoặc hỗn
hợp silica với các vật liệu khác.
Sản phẩm là thuỷ tinh vô định hình
Thuỷ tinh silica khác với tinh thể silica: thuỷ tinh silica không có liên kết phối trí đầy đủ giữa 1
nguyên tử silic với 4 nguyên tử oxi và 1 nguyên tử oxi với 2 nguyên tử Si
Phân loại:
a. Thuỷ tinh silica nóng chảy (fused silica glass)
Là silica hầu như tinh chất, trơ về mặt hoá học nhất trong số các loại thuỷ tinh và chịu nhiệt
tới 900oC.
Ứng dụng: do giá thành cao nên rất ít được ứng dụng, thường được sử dụng làm sợi quang
truyền dẫn để truyền thông tin và hình ảnh trong kỹ thuật nội soi.
b. Thuỷ tinh soda kiềm (soda lime glass)
Là dạng phổ biến của thuỷ tinh, được tạo thành bằng cách thêm vào silica nóng chảy các
chất thích hợp như natri, canxi, kali cacbonat hoặc oxid.
Tính chất: độ cứng và nhiệt độ mềm phụ thuộc vào lượng tương đối của cation.
Ứng dụng: làm cửa kính, chai lọ, bóng đèn,…
c. Thuỷ tinh quang học
Tương tự thuỷ tinh soda kiềm nhưng cứng hơn do ít natri và nhiều kali hơn.
Màu thuỷ tinh có được bằng cách thêm vào các hợp chất phù hợp như Cr2O3 màu xanh lá,
hay CoO màu xanh dương.
Ứng dụng: làm các thấu kính trong ống kính máy ảnh, kính thiên văn hay kính hiển vi,…
d. Thuỷ tinh quang sắc (photochromic)
Là loại thuỷ tinh tự điều chỉnh được màu sắc, độ sáng tuỳ thuộc ánh sáng.
Được tạo thành bằng cách thêm bạc halogenua vào công thức thuỷ tinh
Ứng dụng: làm kính râm
e. Thuỷ tinh bor silicat hoặc nhôm silicat
Được tạo thành bằng cách thêm tương ứng B2O3 hay Al2O3 vào silica nóng chảy, tạo cấu trúc
có nguyên tử Bo hoặc Al thay thế Si trong mạch polyme silicat.
Ứng dụng: làm dụng cụ thuỷ tinh Pyrex trong phòng thí nghiệm (thuỷ tinh bor silicat, ngoài
ra còn chứa thêm natri và canxi). Do có hệ số dãn nở nhiệt rất thấp nên khó vỡ khi gia nhiệt
hay làm lạnh, và có khả năng kháng hoá chất cao.
Nếu cần thuỷ tinh có tính kháng hoá chất cao thì sử dụng thuỷ tinh bor silicat có hàm lượng
silica cao (99,6%). Thông thường, pyrex chỉ chứa silica khoảng 70-80%.
Thuỷ tinh nhôm silica có chứa canxi và magie được dùng làm dụng cụ nhà bếp.
3. Gốm sứ
Vật liệu gốm sứ có độ bền nhiệt cao hơn thủy tinh.
Gồm có 2 loại: gốm sứ truyền thống, gốm sứ cao cấp.
Gốm sứ truyền thống:
Nguyên liệu: đất sét, là vật liệu dị thể có các vi tinh thể phân tán trong nền thủy tinh.
Đất sét được tạo thành khi phong hóa khoáng feldspar (là một silicat nhôm có chứa ion natri và kali)sẽ
tạo thành cao lanh (kaolinite) công thức Al2Si2O5(OH)4 có dạng phiến mỏng nhỏ. Đất sét là hỗn hợp chứa
cao lanh với lượng nhỏ khoáng feldspar, cát và các dạng khoáng khác.
feldspar :
Al2Si2O5(OH)4
Vật liệu gốm được tạo thành bằng cách:
+ Trộn đất sét với nước giúp cho các phiến cao lanh có thể trượt lên nhau, giúp định dạng sản
phẩm. Thêm vào các loại silicat khác.
+ Nung làm mất nước, và các phiến cao lanh không thể trượt lên nhau được nữa. Ngoài ra còn
tạo thành mạng lưới thủy tinh silicat nhôm cùng với các cation đi cùng.
Kết quả: gốm chứa phiến cao lanh phân tán trong nền thủy tinh silicat nhôm, có độ cứng, bền, chiệu
nhiệt cao hơn thủy tinh.
Ứng dụng: làm chai lọ, gạch xây dựng, bugi xe, đồ dùng nhà bếp…
Gốm sứ cao cấp:
Chứa nhiều oxit , cacbua, nitrua, borua, silicua ( BeO, ZrO, α-Al2O3, α-SiC, B4C, TiC, BN, AlN, Si3N4, ZrB2,
TaB2) dưới dạng tinh chất hay hỗn hợp.
Vật liệu hầu như được kết tinh hoàn toàn, các loại khác chứa tinh thể phân tán trong nền thủy tinh
nhưng phần pha kết tinh lớn hơn nhiều so với gốm truyền thống.
Có 2 phương pháp tạo sản phẩm:
-
Phương pháp polime preceramic.
Phương pháp sol-gel: Tạo silica in situ (tại chỗ) bằng cách thủy phân tetrametoxy, tetraetoxy,
tetraaxetoxy silan, xúc tác axit hoặc bazơ trong hỗn hợp alcol – nước.
Có thể thay đổi điều kiện phản ứng ( nhiệt độ, nồng độ tác chất, xúc tác) để thời gian phản ứng
trong vài phút, vài giờ hay vài ngày. Quá trình được xúc tác bằng axit xảy ra chậm và dễ kiểm
soát hơn xúc tác bazơ
Phản ứng polymer hóa bắt đầu từ nhiệt độ phòng rồi già hóa ở 50 – 80oC. Sau đó cô đặc dung dịch bằng
cách cho dung môi bay hơi tạo silicat có tỉ trọng thấp, vi xốp gọi là Xerogel hoặc Aerogel tùy thuộc điều
kiện phản ứng.


Xerogel tạo thành khi cho bay hơi thông với không khí.
Aerogel tạo thành khi xả dung môi chậm từ hệ phản ứng kín với điều kiện hơi dung môi ở trên
điều kiện tới hạn.
Aerogel có tỉ trọng thấp hơn xerogel nhưng cả 2 dều có tỉ trọng rất thấp và được dùng làm vật liệu cách
điện nhẹ hoặc vật liệu xây dựng.
Tổng hợp sol-gel phi thủy phân là một cải tiến mới của phương pháp sol-gel. Người ta dùng một
halogenua kim loại phản ứng với một dẫn xuất chứa oxy của kim loại
-RCl
Si(OR)4 + SiCl4
(SiO2)n
Phản ứng thực hiện với xúc tác axit Lewis FeCl3, sản phẩm phụ là alkyl halogenua. Phản ứng dùng để
tổng hợp Al2O3, TiO2, silica
Ứng dụng: gốm cao cấp được dung khi cần độ bền cao ở nhiệt độ cao, chi tiết trong động cơ khí, lò phản
ứng hạt nhân, bình phản ứng hóa học…