Bài học

Chất dẻo: PE, PP, PVC, PS

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em định nghĩa được chất dẻo, nêu được tính chất chung của nhựa nhiệt dẻo, và nhận diện, so sánh được ứng dụng thực tế của bốn loại chất dẻo phổ biến nhất: PE, PP, PVC, PS.

Kiến thức nền cần nhớ

Chương 2 đã cho em công thức và phương trình trùng hợp của PE, PP, PVC, PS; Chương 3 vừa định nghĩa nhựa nhiệt dẻo là loại nhựa mạch thẳng/nhánh, hóa mềm khi đun và hóa rắn khi nguội, tái chế được nhiều lần. Bài này ghép hai mảnh kiến thức đó lại, đi sâu vào tính chất và ứng dụng thực tế của từng loại nhựa trong đời sống — từ công thức phân tử tới lý do vì sao đúng loại nhựa đó lại được chọn cho đúng vật dụng đó, chứ không phải một lựa chọn ngẫu nhiên của nhà sản xuất.

Khởi động

Cùng là "nhựa", nhưng vì sao túi nilon mềm dai không rách, còn ống nước lại cứng chắc không biến dạng, trong khi hộp xốp đựng cơm lại nhẹ và giòn, dễ vỡ vụn? Ba đặc điểm hoàn toàn khác nhau, nhưng đều xuất phát từ cùng một nguyên lý: mỗi loại nhựa mang một mắt xích khác nhau, quyết định tính chất vật lí riêng của nó.

Kiến thức trọng tâm

Chất dẻo là vật liệu polymer có tính dẻo — có thể tạo hình dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, rồi giữ nguyên hình dạng đó sau khi làm nguội hoặc giảm áp suất. Phần lớn chất dẻo dùng phổ biến trong đời sống là nhựa nhiệt dẻo: mạch thẳng hoặc phân nhánh, hóa mềm/nóng chảy khi đun, hóa rắn khi nguội — quá trình lặp lại được nhiều lần, nên tái chế bằng cách nung chảy và đúc lại là khả thi.

Polietilen (PE) mềm, dẻo, không mùi, không độc, cách điện tốt và trơ với nhiều hóa chất — dùng làm túi nilon, màng bọc thực phẩm, chai lọ mềm, ống dẫn nước cỡ nhỏ. Polipropilen (PP) có cấu trúc mạch giống PE nhưng thêm nhóm $-CH_3$ ở mỗi mắt xích, khiến mạch sắp xếp khít và bền nhiệt hơn PE một chút — dùng làm ống hút, hộp đựng thực phẩm chịu được nhiệt độ cao hơn PE, dây thừng, thảm, đồ gia dụng. Poli(vinyl clorua) (PVC) cứng, cách điện rất tốt, chịu được nhiều loại hóa chất nhờ nguyên tử clo phân cực trong mắt xích làm tăng lực hút giữa các mạch — dùng làm ống nước, vỏ dây điện, tấm lợp, giả da. Polistiren (PS) trong suốt nhưng khá giòn do mạch mang vòng benzen cồng kềnh cản trở các mạch trượt lên nhau — dùng làm hộp xốp cách nhiệt (dạng bọt, PS phồng), đồ chơi, vỏ thiết bị điện tử.

Ở Việt Nam, các nhà sản xuất bao bì thường in mã số tái chế (từ 1 đến 7, trong hình tam giác ba mũi tên) lên sản phẩm nhựa để phân loại khi tái chế: PET (mã 1), HDPE — PE tỉ trọng cao (mã 2), PVC (mã 3), LDPE — PE tỉ trọng thấp (mã 4), PP (mã 5), PS (mã 6). Đọc đúng mã số giúp phân loại rác nhựa chính xác hơn, tránh trộn lẫn các loại nhựa có nhiệt độ nóng chảy khác nhau khi tái chế công nghiệp.

Bốn loại chất dẻo trên đều là polymer trùng hợp từ monomer dạng vinyl $CH_2=CH-X$ — chỉ khác nhau ở nhóm $X$ gắn trên mắt xích ( $X = H$ với PE, $X = CH_3$ với PP, $X = Cl$ với PVC, $X = C_6H_5$ với PS). Một thay đổi tưởng nhỏ ở cấp độ phân tử — thêm một nguyên tử clo hay một vòng benzen — lại kéo theo sự khác biệt lớn về độ cứng, khả năng cách điện, độ trong suốt và nhiệt độ chịu đựng của vật liệu cuối cùng. Đây chính là nguyên lý chung của hóa học vật liệu: cấu trúc phân tử ở quy mô nanomet quyết định tính chất vĩ mô mà em cầm trên tay.

**Chất dẻo** là vật liệu polymer có tính dẻo — có thể tạo hình dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, rồi giữ nguyên hình dạng đó sau khi làm nguội hoặc giảm áp suất. Phần lớn chất dẻo dùng phổ biến trong đời sống là **nhựa nhiệt dẻo**: mạch thẳng hoặc phân nhánh, hóa mềm/nóng chảy khi đun, hóa rắn khi nguội — quá trình lặp lại được nhiều lần, nên tái chế bằng cách nung chảy và đúc lại là khả thi. **Polietilen (PE)** mềm, dẻo, không mùi, không độc, cách điện tốt và trơ với nhiều hóa chất — dùng làm túi nilon, màng bọc thực phẩm, chai lọ mềm, ống dẫn nước cỡ nhỏ. **Polipropilen (PP)** có cấu trúc mạch giống PE nhưng thêm nhóm $-CH_3$ ở mỗi mắt xích, khiến mạch sắp xếp khít và bền nhiệt hơn PE một chút — dùng làm ống hút, hộp đựng thực phẩm chịu được nhiệt độ cao hơn PE, dây thừng, thảm, đồ gia dụng. **Poli(vinyl clorua) (PVC)** cứng, cách điện rất tốt, chịu được nhiều loại hóa chất nhờ nguyên tử clo phân cực trong mắt xích làm tăng lực hút giữa các mạch — dùng làm ống nước, vỏ dây điện, tấm lợp, giả da. **Polistiren (PS)** trong suốt nhưng khá giòn do mạch mang vòng benzen cồng kềnh cản trở các mạch trượt lên nhau — dùng làm hộp xốp cách nhiệt (dạng bọt, PS phồng), đồ chơi, vỏ thiết bị điện tử. Ở Việt Nam, các nhà sản xuất bao bì thường in **mã số tái chế** (từ 1 đến 7, trong hình tam giác ba mũi tên) lên sản phẩm nhựa để phân loại khi tái chế: PET (mã 1), HDPE — PE tỉ trọng cao (mã 2), PVC (mã 3), LDPE — PE tỉ trọng thấp (mã 4), PP (mã 5), PS (mã 6). Đọc đúng mã số giúp phân loại rác nhựa chính xác hơn, tránh trộn lẫn các loại nhựa có nhiệt độ nóng chảy khác nhau khi tái chế công nghiệp. Bốn loại chất dẻo trên đều là polymer trùng hợp từ monomer dạng vinyl $CH_2=CH-X$ — chỉ khác nhau ở nhóm $X$ gắn trên mắt xích ($X = H$ với PE, $X = CH_3$ với PP, $X = Cl$ với PVC, $X = C_6H_5$ với PS). Một thay đổi tưởng nhỏ ở cấp độ phân tử — thêm một nguyên tử clo hay một vòng benzen — lại kéo theo sự khác biệt lớn về độ cứng, khả năng cách điện, độ trong suốt và nhiệt độ chịu đựng của vật liệu cuối cùng. Đây chính là nguyên lý chung của hóa học vật liệu: cấu trúc phân tử ở quy mô nanomet quyết định tính chất vĩ mô mà em cầm trên tay.

Ví dụ

Nhận diện chất dẻo từ công thức mắt xích

1
Một mẫu nhựa có mắt xích công thức $-CH_2-CHCl-$ . Xác định tên chất dẻo này và nêu một ứng dụng phù hợp với tính chất của nó.
Một mẫu nhựa có mắt xích công thức $-CH_2-CHCl-$. Xác định tên chất dẻo này và nêu một ứng dụng phù hợp với tính chất của nó.
2
Mắt xích $-CH_2-CHCl-$ chứa nguyên tử clo, khớp với mắt xích của poli(vinyl clorua) (PVC).
Mắt xích $-CH_2-CHCl-$ chứa nguyên tử clo, khớp với mắt xích của poli(vinyl clorua) (PVC).
3
PVC cứng, cách điện tốt, chịu hóa chất nhờ nguyên tử Cl phân cực — phù hợp làm ống dẫn nước, vì cần độ cứng để chịu áp lực nước và chịu được hóa chất trong nước máy.
4
Vậy mẫu nhựa là PVC, phù hợp làm ống dẫn nước nhờ độ cứng và khả năng chịu hóa chất.

Ví dụ

Giải thích lựa chọn PP cho hộp đựng thực phẩm dùng lò vi sóng

1
Nhiều hộp đựng thực phẩm ghi kí hiệu tái chế số 5 (PP) và có thể dùng quay trong lò vi sóng, trong khi túi nilon PE mỏng thường được khuyến cáo không nên đựng thực phẩm nóng lâu. Giải thích sự khác biệt này dựa trên cấu trúc và tính chất vật lí của hai loại nhựa.
2
PE có mắt xích $-CH_2-CH_2-$ đơn giản; PP có mắt xích $-CH_2-CH(CH_3)-$ với thêm nhóm $-CH_3$ . Nhóm $-CH_3$ này làm các mạch PP sắp xếp có trật tự hơn, khít nhau hơn PE.
PE có mắt xích $-CH_2-CH_2-$ đơn giản; PP có mắt xích $-CH_2-CH(CH_3)-$ với thêm nhóm $-CH_3$. Nhóm $-CH_3$ này làm các mạch PP sắp xếp có trật tự hơn, khít nhau hơn PE.
3
Mạch sắp xếp khít làm tăng lực hút giữa các mạch, khiến PP có nhiệt độ hóa mềm cao hơn PE đáng kể. PE mỏng (loại làm túi nilon) hóa mềm ở nhiệt độ khá thấp, dễ biến dạng hoặc thôi nhiễm chất khi tiếp xúc thực phẩm nóng lâu.
4
PP chịu nhiệt tốt hơn PE nên an toàn hơn khi tiếp xúc nhiệt độ cao (như trong lò vi sóng), còn PE mỏng chỉ nên dùng ở nhiệt độ thường hoặc ấm nhẹ.
5
Vậy PP được chọn cho hộp đựng thực phẩm chịu nhiệt vì mạch sắp xếp khít hơn PE, cho nhiệt độ hóa mềm cao hơn, an toàn hơn khi đun nóng.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ mọi loại nhựa đều "giống nhau, chỉ khác màu sắc" nên dùng thay thế lẫn nhau tùy ý. Thực tế mỗi loại nhựa có mắt xích và tính chất chịu nhiệt/hóa chất khác nhau — dùng sai loại nhựa (ví dụ đựng thực phẩm nóng trong túi nilon PE mỏng không chuyên dụng) có thể gây biến dạng hoặc thôi nhiễm không an toàn.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Chất dẻo = polymer tạo hình được dưới nhiệt/áp suất. PE mềm dẻo (túi nilon); PP chịu nhiệt hơn PE (hộp đựng thực phẩm); PVC cứng, cách điện, chịu hóa chất (ống nước, vỏ dây điện); PS trong suốt nhưng giòn (hộp xốp, đồ chơi).

Bài tiếp theo chuyển từ chất dẻo sang cao su — vật liệu polymer nổi bật nhờ tính đàn hồi, và cách phản ứng lưu hóa biến cao su thiên nhiên mềm yếu thành vật liệu bền chắc dùng trong công nghiệp.