Trùng hợp đồng trùng hợp (Copolymerization)

Khác với homopolymer (chỉ chứa một loại monome), copolymer có thể có cấu trúc và tính chất đa dạng hơn, phụ thuộc vào tỉ lệ, sự phân bố và cách sắp xếp của các monome trong mạch. Điều này cho phép điều chỉnh các tính chất vật lý, hóa học, cơ học của vật liệu để phù hợp với các ứng dụng cụ thể.

Ví dụ, styrene và acrylonitrile có thể đồng trùng hợp để tạo thành nhựa SAN, kết hợp độ cứng của polystyrene và khả năng kháng hóa chất của polyacrylonitrile.

Vật liệu polyme được tạo ra từ quá trình này được gọi là copolymer. Khác với quá trình trùng hợp thông thường chỉ sử dụng một loại monome (tạo ra homopolymer), copolymerization mang lại sự đa dạng về cấu trúc và tính chất của vật liệu cuối cùng do sự kết hợp của các monome khác nhau. Ví dụ, nếu ta dùng monome A và B, sản phẩm trùng hợp có thể có dạng chuỗi như ~A-B-B-A-A-B-A~, hoặc các dạng sắp xếp khác tùy thuộc vào loại đồng trùng hợp. Sự sắp xếp này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của copolymer.

Tại sao lại cần copolymerization?

Thông thường, việc sử dụng một loại monome duy nhất có thể dẫn đến một polymer có tính chất hạn chế, không đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu sử dụng. Copolymerization cho phép các nhà khoa học và kỹ sư “tinh chỉnh” tính chất của vật liệu bằng cách kết hợp các ưu điểm của các monome khác nhau. Ví dụ, một monome có thể mang lại độ bền cao trong khi monome khác lại tạo ra tính linh hoạt. Kết hợp chúng thông qua copolymerization sẽ tạo ra một vật liệu vừa bền vừa dẻo, hoặc có thể kết hợp các tính chất khác như độ cứng, khả năng chịu nhiệt, kháng hóa chất…

Các loại copolyme:

Cấu trúc của copolyme phụ thuộc vào cách thức các monome được sắp xếp trong chuỗi polymer. Dựa vào sự sắp xếp này, ta có thể phân loại copolyme thành các loại sau:

• Copolyme ngẫu nhiên (Random copolymer): Các monome được sắp xếp một cách ngẫu nhiên trong chuỗi polymer. Ví dụ: ~A-B-A-A-B-B-A-B~.
• Copolyme xen kẽ (Alternating copolymer): Các monome được sắp xếp xen kẽ nhau một cách đều đặn trong chuỗi polymer. Ví dụ: ~A-B-A-B-A-B-A-B~.
• Copolyme khối (Block copolymer): Các monome được sắp xếp thành các khối (block) của từng loại monome riêng biệt. Ví dụ: ~A-A-A-A-B-B-B-B~. Các khối này có thể có độ dài khác nhau.
• Copolyme ghép (Graft copolymer): Một chuỗi polymer chính được tạo thành từ một loại monome (backbone), và các chuỗi nhánh được tạo thành từ một loại monome khác được ghép vào chuỗi chính.

Ví dụ về copolymerization:

Một ví dụ phổ biến của copolymerization là sản xuất cao su styrene-butadiene (SBR). Trong đó, styrene ($C_8H_8$) và butadiene ($C_4H_6$) được copolymer hóa để tạo ra một loại cao su tổng hợp có độ bền và độ đàn hồi tốt, được sử dụng rộng rãi trong lốp xe.

Phương pháp copolymerization:

Có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện copolymerization, tương tự như các phương pháp trùng hợp thông thường. Một số phương pháp phổ biến bao gồm:

• Trùng hợp gốc tự do: Sử dụng chất khơi mào gốc tự do để bắt đầu phản ứng.
• Trùng hợp ion: Sử dụng cation hoặc anion để bắt đầu phản ứng. Có thể là trùng hợp anionic hoặc cationic.
• Trùng hợp phối trí: Sử dụng xúc tác (thường là các phức kim loại chuyển tiếp) để kiểm soát quá trình trùng hợp, tạo ra các copolymer có cấu trúc đặc biệt.

Tóm lại:

Copolymerization là một kỹ thuật quan trọng trong khoa học polymer, cho phép tạo ra các vật liệu với tính chất đa dạng và đáp ứng được nhiều ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn loại monome, tỉ lệ monome, và phương pháp copolymerization phù hợp là yếu tố quyết định đến cấu trúc và tính chất của copolyme cuối cùng.

Phương trình copolymerization:

Để hiểu rõ hơn về quá trình copolymerization, ta có thể sử dụng phương trình copolymerization, mô tả tỉ lệ kết hợp của các monome vào chuỗi polymer. Xét trường hợp copolymerization của hai monome $M_1$ và $M_2$. Tốc độ kết hợp của $M_1$ và $M_2$ vào chuỗi polymer đang phát triển được cho bởi các hằng số tốc độ phản ứng:

• $r1 = k{11}/k_{12}$
• $r2 = k{22}/k_{21}$

Trong đó:

• $k_{11}$: hằng số tốc độ phản ứng của gốc tự do $M_1^.$ với monome $M_1$
• $k_{12}$: hằng số tốc độ phản ứng của gốc tự do $M_1^.$ với monome $M_2$
• $k_{22}$: hằng số tốc độ phản ứng của gốc tự do $M_2^.$ với monome $M_2$
• $k_{21}$: hằng số tốc độ phản ứng của gốc tự do $M_2^.$ với monome $M_1$

$M_1^.$ và $M_2^.$ đại diện cho chuỗi polymer đang phát triển với đơn vị cuối cùng là $M_1$ và $M_2$ tương ứng. Các giá trị $r_1$ và $r_2$ được gọi là hệ số phản ứng (reactivity ratio).

Tỉ lệ kết hợp của hai monome trong copolyme ($F_1$ và $F_2$) có liên quan đến nồng độ của các monome trong hỗn hợp phản ứng ($f_1$ và $f_2$) thông qua phương trình Mayo-Lewis (còn gọi là phương trình copolymerization):

$F_1 = \frac{r_1 f_1^2 + f_1 f_2}{r_1 f_1^2 + 2f_1 f_2 + r_2 f_2^2}$

Trong đó:

• $F_1$: phần mol của $M_1$ trong copolyme
• $F_2$: phần mol của $M_2$ trong copolyme ($F_2 = 1 – F_1$)
• $f_1$: phần mol của $M_1$ trong hỗn hợp monome
• $f_2$: phần mol của $M_2$ trong hỗn hợp monome ($f_2 = 1 – f_1$)

Phương trình Mayo-Lewis cho phép dự đoán thành phần của copolyme tạo thành dựa trên thành phần ban đầu của hỗn hợp monome và các hệ số phản ứng.

Ứng dụng của Copolyme:

Copolyme có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống, bao gồm:

• Vật liệu đóng gói: Tạo ra các màng phim có tính chất cơ học và rào cản tốt.
• Keo dán: Cung cấp độ bám dính mạnh mẽ trên nhiều loại bề mặt.
• Sơn phủ: Tạo lớp phủ bảo vệ và trang trí.
• Vật liệu y sinh: Sử dụng trong các ứng dụng như implant, ống thông, và hệ thống phân phối thuốc.
• Nông nghiệp: Ứng dụng trong màng phủ nông nghiệp, hệ thống tưới tiêu.
• Chất đàn hồi (Elastomer): Như cao su tổng hợp, dùng trong lốp xe, gioăng, đệm…
• Nhựa kỹ thuật: Với các tính chất cơ lý đặc biệt, dùng trong các chi tiết máy, ô tô, điện tử…

• George Odian, “Principles of Polymerization”, 4th Edition, Wiley-Interscience, 2004.
• Young, Robert J., and Peter A. Lovell. Introduction to polymers. CRC press, 2011.
• Cowie, J. M. G. Polymers: chemistry and physics of modern materials. CRC press, 2008.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài phương trình Mayo-Lewis, còn phương pháp nào khác để dự đoán thành phần của copolyme?