Bài tiểu luận Lịch sử phát triển, tính chất đặc trưng, ưu điểm – nhược điểm và ứng dụng của Polymer môn Kỹ thuật gia công vật liệu Polymer | Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HOÁ HỌC BÀI TIỂU LUẬN
MÔN KỸ THUẬT GIA CÔNG VẬT LIỆU POLYMER
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN, TÍNH CHẤT ĐẶC
TRƯNG, ƯU ĐIỂM – NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA POLYMER
Giảng viên hướng dẫn : TS. ĐỖ VĂN CÔNG
Lớp tín chỉ :
CHEM477CN-K72 Hoá học.01_LT
Sinh viên thực hiện : NHÓM 1 Hà Nội, 2025
DANH SÁCH THÀNH VIÊN
Nhóm 1 bao gồm 11 thành viên có tên trong danh sách như sau: 1. Phạm Ngọc Anh – 725202008 2. Nguyễn Minh Ngọc Ánh – 725202012 3. Lê Thị Bắc – 725202013 4. Nguyễn Thị Bông – 725202015 5. Lê Ánh Dương – 725202021 6. Nguyễn Thu Hà – 725202028 7. Lê Bảo Hàn – 725202029 8. Nguyễn Thị Diệu Lan – 725202049 9. Nguyễn Khánh Linh – 725202050 10. Dương Thị Ngọc – 715202063
11. Dương Thị Như Quỳnh – 715202079 i MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... iii
ĐÁNH GIÁ ĐIỂM CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ................................ iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................. v
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
NỘI DUNG CHÍNH .......................................................................................... 3
I. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA POLYMER............... 3
I.1. Giai đoạn sơ khai – Polymer tự nhiên trong lịch sử cổ đại ................. 3
I.2. Thế kỉ XIX – Khái niệm “Polymer” và những khám phá đầu tiên ..... 3
I.3. Thế kỷ XX – Lý thuyết đại phân tử và Polymer tổng hợp .................. 4
I.4. Thế chiến thứ II – Thúc đẩy sản xuất polymer .................................... 4
I.5. Giai đoạn hậu chiến (1950 – 1970) – Polymer trong đời sống ........... 4
I.6. Từ cuối thế kỉ XX đến nay – Polymer chức năng và công nghệ cao .. 4
II. Tính chất đặc trưng của polymer .............................................................. 5
II.1. Tính chất vật lý ................................................................................... 5
II.2. Tính chất hoá học ............................................................................... 6
II.3. Tính chất môi trường và sinh học ...................................................... 8
III. ƯU ĐIỂM – NHƯỢC ĐIỂM CỦA POLYMER ..................................... 9
III.1. Ưu điểm của Polymer ....................................................................... 9
III.2. Nhược điểm của Polymer ............................................................... 10
IV. ỨNG DỤNG CỦA POLYMER ............................................................. 11
IV.1. Ứng dụng trong đời sống và công nghiệp tiêu dùng ....................... 11
IV.2. Ứng dụng trong xây dựng và kiến trúc ........................................... 12
IV.3. Ứng dụng trong y học và dược phẩm.............................................. 12
IV.4. Ứng dụng trong nông nghiệp và môi trường .................................. 12
IV.5. Ứng dụng trong điện – điện tử ........................................................ 13
IV.6. Ứng dụng trong giao thông – vận tải .............................................. 13
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 14
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 15 ii LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, nhóm sinh viên chúng em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến
thầy – TS. Đỗ Văn Công, giảng viên phụ trách môn học Kỹ thuật gia công vật liệu
Polymer, người đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn và truyền đạt cho chúng em những
kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập và thực hiện bài tiểu luận này. Những
kiến thức lý thuyết và thực tiễn mà các thầy đã truyền đạt không chỉ giúp chúng em
hoàn thành tốt bài tiểu luận mà còn tạo nền tảng vững chắc cho việc học tập và nghiên cứu sau này.
Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Sư phạm Hà Nội,
Khoa Hoá học, cùng các thầy cô và bạn bè đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho
nhóm trong suốt quá trình thực hiện báo cáo.
Trong khả năng và thời gian có hạn, mặc dù đã cố gắng hết mình, song bài tiểu
luận chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung, cách trình bày hoặc
phương pháp triển khai. Nhóm rất mong nhận được những nhận xét, góp ý quý báu
từ quý thầy, các bạn sinh viên đồng học để rút kinh nghiệm và hoàn thiện hơn trong
những lần thực hiện tiếp theo.
Một lần nữa, nhóm xin chân thành cảm ơn tất cả những sự hỗ trợ và đồng hành
trong suốt quá trình thực hiện báo cáo này.
Nhóm sinh viên thực hiện iii
ĐÁNH GIÁ ĐIỂM CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
1. Thái độ làm việc của sinh viên
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
2. Hình thức bài tiểu luận
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
3. Nội dung bài tiểu luận
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
.............................................................................................................................. 4. Đánh giá chung
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
Hà Nội, ngày 06 tháng 07 năm 2025
Giảng viên hướng dẫn iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Mô tả nhựa mủ của cây cao su .............................................................. 3
Hình 2. J.J. Berzelius (1779 – 1848) ................................................................. 3
Hình 3. Hermann Staudinger (1881-1965). ....................................................... 4
Hình 4. Polymethyl Methacrylate – PMMA (xometry.com) ............................. 6
Hình 5. Poly(vinyl axetat) (PVA) tác dụng với dung dịch NaOH ..................... 7
Hình 6. Phản ứng thủy phân polieste ................................................................. 7
Hình 7. Hấp nóng cao su thô với lưu huỳnh thu được cao su lưu hóa .............. 7 v MỞ ĐẦU
Trong bối cảnh khoa học công nghệ phát triển ngày càng mạnh mẽ, việc tìm
kiếm và phát triển các vật liệu mới để đáp ứng nhu cầu sản xuất, tiêu dùng và bảo vệ
môi trường đã trở thành xu hướng tất yếu. Trong số các vật liệu hiện đại, polymer nổi
lên như một nhóm chất có ảnh hưởng sâu sắc và ứng dụng cực kỳ đa dạng trong hầu
hết các lĩnh vực của đời sống và công nghệ − từ công nghiệp chế tạo, điện tử, y học
đến nông nghiệp và hàng không vũ trụ.
Polymer là các hợp chất cao phân tử, được tạo thành từ hàng ngàn đến hàng
triệu đơn vị lặp lại (monomer) liên kết với nhau thông qua các phản ứng hóa học đặc
trưng như trùng hợp, trùng ngưng,... Sự phong phú trong thành phần cấu trúc, khả
năng biến đổi hóa học linh hoạt, cũng như các tính chất vật lý độc đáo như độ bền cơ
học cao, tính đàn hồi, cách điện và khối lượng riêng nhỏ đã khiến polymer trở thành
một nhóm vật liệu có giá trị vượt trội.
Lịch sử phát triển của polymer kéo dài từ thời kỳ cổ đại, khi con người bắt đầu
sử dụng các polymer tự nhiên như cao su, nhựa cây và sáp ong, cho đến thời hiện đại
với sự xuất hiện của hàng loạt polymer tổng hợp nổi bật, bao gồm polystyren,
polyethylen, nylon, và Teflon. Một dấu mốc đặc biệt trong lĩnh vực này được thiết
lập vào năm 1920, khi nhà hóa học Hermann Staudinger giới thiệu khái niệm
"macromolecule" (phân tử khổng lồ), tạo nền tảng khoa học cho ngành hóa học
polymer hiện đại. Kể từ đó, ngành công nghiệp polymer đã chứng kiến sự phát triển
vượt bậc, trở thành một trong những cột trụ quan trọng của công nghiệp vật liệu trong thế kỷ XX và XXI.
Tuy vậy, bên cạnh những lợi ích đáng kể mà polymer mang lại, vấn đề liên quan
đến tính bền vững và tác động tiêu cực đối với môi trường ngày càng trở thành mối
quan tâm cấp bách. Các polymer tổng hợp, đặc biệt là nhựa nhiệt dẻo có khả năng
phân hủy sinh học thấp, đang góp phần tạo ra cuộc khủng hoảng rác thải toàn cầu,
gây ô nhiễm đất đai và nguồn nước, đồng thời đe dọa môi trường sống của các sinh
vật biển. Hơn nữa, một số polymer cùng với các phụ gia đi kèm còn tiềm ẩn nguy cơ
ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người khi chúng xâm nhập vào thực phẩm, nước
uống và không khí. Những vấn đề này đặt ra yêu cầu cấp thiết phải nghiên cứu toàn
diện về cấu trúc, tính chất, ưu điểm cũng như hạn chế của polymer, đồng thời định
hướng ứng dụng chúng theo cách thức bền vững và có trách nhiệm hơn. Trong phạm
vi bài tiểu luận này, chúng tôi sẽ trình bày một cách có hệ thống các nội dung sau đây:
1. Lịch sử hình thành và phát triển của polymer – từ các vật liệu tự nhiên
đến thế hệ polymer tổng hợp hiện đại;
2. Các tính chất đặc trưng của polymer – bao gồm những đặc tính liên quan
đến vật lý, hóa học và cơ học; 1
3. Đánh giá ưu điểm và nhược điểm của polymer – làm rõ những yếu tố
khiến polymer trở thành vật liệu phổ biến rộng rãi, đồng thời phân tích các
hạn chế và hệ quả tiêu cực mà chúng mang lại;
4. Ứng dụng của polymer trong các lĩnh vực khác nhau – từ đời sống thường
nhật và công nghiệp đến y sinh học và công nghệ cao.
Bằng cách tổng hợp và phân tích các dữ liệu khoa học đáng tin cậy, bài tiểu luận
này không chỉ làm sáng tỏ vai trò then chốt của polymer trong thế giới hiện đại mà
còn nhấn mạnh sự cần thiết phải đổi mới và phát triển công nghệ sản xuất polymer
theo hướng thân thiện với môi trường hơn. Phương pháp tiếp cận này nhằm hướng
tới một tương lai "xanh hóa" sản phẩm polyme, đảm bảo an toàn cho con người và hệ sinh thái toàn cầu. 2 NỘI DUNG CHÍNH
I. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA POLYMER
I.1. Giai đoạn sơ khai – Polymer tự nhiên trong lịch sử cổ đại
Từ thời tiền sử, con người đã biết khai thác và sử dụng các vật liệu có bản chất
polymer mà không hề có nhận thức về cấu trúc phân tử của chúng. Những chất như
cellulose trong sợi bông, tinh bột trong thực phẩm, protein trong lụa và len, hay cao
su thiên nhiên từ nhựa cây là các minh chứng rõ rệt cho sự hiện diện và ứng dụng của
polymer tự nhiên. Điển hình là vào thế kỷ XVI, các nền văn minh cổ đại như Olmec
và Maya ở khu vực Trung Mỹ đã khai thác nhựa mủ từ cây cây cao su để chế tạo bóng
và những vật phẩm chống thấm nước. [1]
Hình 1. Mô tả nhựa mủ của cây cao su
Tuy nhiên, phải đến thế kỷ XIX, polymer mới bắt đầu được tiếp cận và nghiên
cứu dưới góc độ khoa học. Trước giai đoạn này, con người chỉ dựa vào kinh nghiệm
thực tiễn và tri thức dân gian để sử dụng các vật liệu polymer trong đời sống thường nhật.
I.2. Thế kỉ XIX – Khái niệm “Polymer” và những khám phá đầu tiên
Năm 1833, nhà hóa học người Thụy Điển Jöns
Jacob Berzelius đã giới thiệu thuật ngữ "polymer" nhằm
mô tả các chất có cùng thành phần nguyên tố nhưng
khác biệt về khối lượng phân tử. [2] Dù vậy, vào thời
điểm này, quan niệm phổ biến vẫn cho rằng các chất như
cao su hay gelatin chỉ là tập hợp của những phân tử nhỏ
được liên kết bởi lực tương tác yếu, thay vì tồn tại dưới
dạng một phân tử lớn duy nhất.
Một cột mốc quan trọng sau đó là sự ra đời của
Hình 2. J.J. Berzelius
celluloid – loại nhựa đầu tiên được sản xuất trên quy (1779 – 1848)
mô thương mại – do John Wesley Hyatt sáng chế năm
1869 để thay thế ngà voi trong chế tạo bi-a. Trước đó, Alexander Parkes đã phát minh 3
ra Parkesine vào năm 1856, một chất liệu đi đầu được tạo thành từ cellulose nitrate
và chính là tiền thân của celluloid [1].
I.3. Thế kỷ XX – Lý thuyết đại phân tử và Polymer tổng hợp
Năm 1920, nhà hóa học người Đức Hermann
Staudinger đã giới thiệu lý thuyết đại phân tử
(macromolecular theory), khẳng định rằng polymer
là các chuỗi dài được cấu thành từ những đơn vị lặp
lại, liên kết bằng liên kết cộng hóa trị. Ông đã chứng
minh lý thuyết này thông qua các nghiên cứu về
polystyrene và cao su, dù vấp phải nhiều sự phản đối
từ giới khoa học lúc bấy giờ. Đến năm 1953, đóng
góp của ông được ghi nhận khi ông nhận Giải Nobel
Hóa học cho công trình xuất sắc này. [3] Hình 3. Hermann
Trong khoảng thời gian đó, các polymer tổng Staudinger (1881-1965)
hợp đầu tiên cũng bắt đầu xuất hiện và phát triển mạnh mẽ:
- Bakelite (1907): Loại nhựa nhiệt rắn đầu tiên, được phát minh bởi Leo Baekeland. [4]
- Nylon (1935): Polymer tổng hợp đầu tiên có tính chất sợi, do Wallace
Carothers phát triển tại DuPont. [4]
- Các loại polymer khác như polystyrene, PVC, PMMA (Plexiglas) cũng được
nghiên cứu và mở rộng trong thập niên 1930. [3]
I.4. Thế chiến thứ II – Thúc đẩy sản xuất polymer
Chiến tranh thế giới thứ hai làm gia tăng mạnh mẽ nhu cầu về các vật liệu thay
thế. Nylon được sử dụng để sản xuất dù, dây thừng và áo giáp; Plexiglas trở thành
vật liệu thay thế kính trong các máy bay. Sản lượng polymer tăng đột biến, đặt nền
móng cho sự phát triển của ngành công nghiệp nhựa hiện đại. Polyethylene mật độ
thấp (LDPE) cũng lần đầu tiên được sản xuất quy mô lớn tại Anh, đóng vai trò là lớp
cách điện cho hệ thống radar. [3]
I.5. Giai đoạn hậu chiến (1950 – 1970) – Polymer trong đời sống
Sau chiến tranh, polymer nhanh chóng trở thành vật liệu phổ biến trong đời sống
hàng ngày. Những loại nhựa như polyethylene, polypropylene và polyester được sử
dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như bao bì, dệt may và đồ gia dụng. Đây là giai đoạn
mà polymer lên ngôi, dần thay thế các vật liệu truyền thống như kim loại, thủy tinh
và gỗ. Các tập đoàn như DuPont, BASF và Dow Chemical cũng nổi lên như những
đơn vị hàng đầu trong ngành công nghiệp hóa chất toàn cầu. [3]
I.6. Từ cuối thế kỉ XX đến nay – Polymer chức năng và công nghệ cao
Kể từ thập niên 1980, polymer không chỉ đóng vai trò là vật liệu cấu trúc mà
còn đảm nhận nhiều chức năng quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm: 4
- Y học: Polymer được sử dụng làm vật liệu cấy ghép, hệ thống dẫn truyền
thuốc, và sản xuất các polymer sinh học như polylactide (PLA) và polycaprolactone (PCL).
- Điện tử: Sự ra đời của polymer dẫn điện (ví dụ: polyaniline, polythiophene)
đã cách mạng hóa ngành sản xuất OLED và pin linh hoạt, mở ra nhiều ứng
dụng tiên tiến trong công nghệ điện tử.
- Môi trường: Các polymer phân hủy sinh học, vật liệu tái chế và màng lọc ở
quy mô nano đang góp phần quan trọng vào việc phát triển các giải pháp bền
vững và thân thiện với môi trường.
- Công nghệ nano: Sự phát triển của polymer tự lắp ráp và vật liệu thông minh
có khả năng phản ứng với nhiệt độ, ánh sáng và độ pH đã tạo nên những bước
tiến mới trong ngành công nghệ nano.
Bên cạnh đó, các polymer thuộc "thế hệ mới" như hydrogel thông minh,
polymer tự phục hồi và polymer sinh học lai đang đánh dấu một bước ngoặt quan
trọng, mở ra một kỷ nguyên mới cho sự phát triển của vật liệu chức năng. [5]
II. Tính chất đặc trưng của polymer
II.1. Tính chất vật lý
Polymer sở hữu cấu trúc phân tử cực kỳ lớn, thường là những chuỗi dài bao gồm
hàng trăm đến hàng nghìn đơn vị monomer lặp đi lặp lại. Chính cấu trúc này đóng
vai trò quan trọng trong việc quyết định nhiều tính chất vật lý đặc trưng của chúng.
1. Trạng thái tự nhiên và nhiệt độ nóng chảy
Polymer là các hợp chất có khối lượng phân tử cao, với chuỗi dài các đơn vị
monomer lặp lại, đem lại khả năng tạo hình linh hoạt thành sợi, màng hoặc khối.
Nhiều polymer thuộc loại bán tinh thể (semicrystalline), như PE hay PET, có độ bền
và độ cứng cao, trong khi các polymer vô định hình như PC hoặc PMMA lại linh hoạt và trong suốt.
Hầu hết các polymer tồn tại ở trạng thái rắn trong điều kiện thường, không bay
hơi và không có nhiệt độ nóng chảy cụ thể. Thay vào đó, chúng chuyển từ trạng thái
rắn sang lỏng trong một khoảng nhiệt độ rộng do sự phân bố khối lượng phân tử không đồng đều.
Polymer được chia thành hai loại chính:
- Polymer nhiệt dẻo (thermoplastics): Khi được gia nhiệt, loại này nóng chảy và
có thể tái chế nhiều lần. Ví dụ: PE, PP, PVC.
- Polymer nhiệt rắn (thermosets): Không nóng chảy khi gia nhiệt mà sẽ bị phân
hủy. Ví dụ: nhựa epoxy, bakelite. [6]
Ngoài ra, polymer có tỉ trọng thấp (0,8–2,0 g/cm³), làm cho chúng là vật liệu nhẹ,
phù hợp cho ngành đóng gói, ô tô, may mặc và điện tử. [7] 5
2. Tính chất cơ học
Polymer sở hữu độ bền kéo cao, tính dẻo dai vượt trội, cùng khả năng chịu va
đập và đàn hồi hiệu quả. Một số loại polymer như nylon và polyester có thể được kéo
thành sợi, ứng dụng phổ biến trong ngành dệt may.
Tính chất đàn hồi là một đặc điểm tiêu biểu của các vật liệu polyme, đặc biệt
được quan sát rõ ràng ở các loại cao su như cao su thiên nhiên (polyisoprene) và cao
su tổng hợp (SBR, NBR). Những vật liệu này sở hữu cấu trúc phân tử đặc trưng, với
các chuỗi polyme linh hoạt có khả năng thay đổi hình dạng và chiều dài mà không
làm mất đi tính ổn định của cấu trúc. Đặc tính này cho phép các loại cao su có thể
chịu được sự biến dạng lớn dưới tác động của lực bên ngoài và nhanh chóng quay trở
lại hình dạng ban đầu sau khi lực được loại bỏ, một yếu tố rất quan trọng trong nhiều
ứng dụng kỹ thuật và công nghiệp. [7]
3. Tính cách điện và cách nhiệt
Hầu hết các loại polymer là chất cách điện hiệu quả, không truyền điện cũng
như không dẫn nhiệt. Vì thế, chúng thường được sử dụng để làm vỏ bọc dây điện, vật
liệu cách nhiệt trong ngành xây dựng và điện tử. [6]
4. Tính chất quang học và màu sắc
Polymer có thể tồn tại ở dạng trong suốt, như polymethyl methacrylate (PMMA
– thường được biết đến là thủy tinh hữu cơ), hoặc ở dạng mờ đục. Ngoài ra, chúng dễ
dàng được tạo màu thông qua việc sử dụng các chất tạo màu hữu cơ hoặc vô cơ. [7]
Hình 4. Polymethyl Methacrylate – PMMA
II.2. Tính chất hoá học
Tính chất hóa học của polymer phụ thuộc vào kiểu liên kết trong mạch chính
cũng như các nhóm chức được gắn trên mạch.
1. Tính trơ hoá học
Nhiều loại polymer như PE, PP, PS và PVC có khả năng chống chịu tốt trước
các tác nhân hóa học như axit loãng, bazơ nhẹ và các dung môi thông thường. Điều
này là nhờ vào liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ trong cấu trúc chính và các nhóm không 6
phân cực. Đặc tính này giúp chúng duy trì sự ổn định trong nhiều điều kiện môi
trường khác nhau, nên rất thích hợp để sử dụng trong bao bì thực phẩm, ống dẫn hóa
chất và vật liệu xây dựng,… [8]
2. Phản ứng giữ nguyên mạch (side-group reactions)
Polymer có khả năng tham gia các phản ứng tại nhóm chức như phản ứng este
hóa, thủy phân, amin hóa mà vẫn bảo toàn được cấu trúc mạch chính. Điều này cho
phép chúng trở thành vật liệu linh hoạt trong nhiều ứng dụng. Chẳng hạn, polyvinyl
axetat (PVA) khi trải qua quá trình thủy phân sẽ chuyển hóa thành polyvinyl alcohol
(PVA); tương tự, cellulose acetate có thể biến đổi thành cellulose triacetate. Những
biến đổi này thường được áp dụng để chế tạo các loại polymer biến tính, nhằm đáp
ứng các mục đích chuyên biệt như cải thiện độ kết dính, tăng độ bền của màng hay
tạo khả năng dẫn điện. [9]
Hình 5. Poly(vinyl axetat) (PVA) tác dụng với dung dịch NaOH
3. Phản ứng cắt mạch (depolymerization)
Khi chịu tác động của nhiệt độ cao, tia UV, độ ẩm hoặc enzyme, một số polymer
có thể bị phân hủy thành các đoạn ngắn hơn hoặc thành monomer. Ví dụ, cellulose
có thể thủy phân thành glucose, trong khi polyamide (nylon) phân hủy thành axit
amin. Đây có thể là một quá trình không mong muốn trong nhiều ứng dụng, nhưng
đồng thời cũng mang lại lợi ích trong việc tái sinh hoặc tái chế polymer sinh học và xử lý chất thải. [9]
Hình 6. Phản ứng thủy phân polieste
4. Phản ứng tạo liên kết chéo (cross-linking)
Polymer có khả năng hình thành mạng lưới không gian ba chiều nhờ vào quá
trình phản ứng cross-linking, thường được xúc tác bằng nhiệt hoặc các chất hóa học.
Một ví dụ điển hình là quá trình lưu hóa cao su bằng lưu huỳnh, nhằm tạo cấu trúc
mạng giúp cải thiện độ đàn hồi, tăng khả năng chống nhão và chịu nhiệt. Tương tự,
epoxy và phenolic resin cũng được xử lý bằng phương pháp cross-linking để tạo nên
Hình 7. Hấp nóng cao su thô với lưu huỳnh thu được cao su lưu hóa 7
mạng lưới bền vững, đóng vai trò quan trọng trong các kết cấu thuộc ngành dầu mỏ,
điện tử và vật liệu xây dựng. [9]
II.3. Tính chất môi trường và sinh học
Polymer có tác động sâu sắc đến môi trường tự nhiên và hệ sinh thái, bao gồm
cả những ảnh hưởng tích cực và tiêu cực. Về mặt tích cực, polymer có thể đóng vai
trò như vật liệu thay thế hữu ích và có khả năng phân hủy sinh học, góp phần giảm
thiểu tác động xấu đến môi trường. Tuy nhiên, về mặt tiêu cực, cần lưu ý vấn đề ô
nhiễm rác thải nhựa cùng với việc thải ra các khí độc hại, điều này đặt ra những thách
thức lớn đối với sự bền vững của hệ sinh thái.
1. Khả năng tái chế và tái sử dụng
Nhiều loại polymer nhiệt dẻo, chẳng hạn như polyethylene (PE), polypropylene
(PP) và polyethylene terephthalate (PET), có khả năng tái chế nhiều lần thông qua
các phương pháp cơ học hoặc gia nhiệt. Quá trình này bao gồm việc thu gom, phân
loại, làm sạch, nấu chảy và sau đó tái tạo thành những sản phẩm mới. Tuy nhiên, hiệu
quả của hoạt động tái chế phụ thuộc đáng kể vào nhiều yếu tố, bao gồm mức độ tinh
khiết của nguồn nguyên liệu đầu vào, công nghệ được áp dụng trong quá trình xử lý
và lợi ích kinh tế mang lại. Một số loại polymer, điển hình như polystyrene (PS) và
polyvinyl chloride (PVC), gặp khó khăn trong việc tái chế. Khó khăn này chủ yếu
xuất phát từ việc chúng có xu hướng phát sinh khí độc hại khi gia nhiệt hoặc dễ bị lẫn
tạp chất, làm giảm tính khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế của quy trình tái chế. [10]
2. Khả năng phân hủy sinh học
Một số polymer tổng hợp đã được phát triển với mục tiêu có khả năng phân hủy
sinh học thông qua sự tác động của vi sinh vật hoặc enzyme trong môi trường. Các
loại polymer điển hình bao gồm:
- Polylactic acid (PLA): Được tổng hợp từ acid lactic, một sản phẩm thu được
thông qua quá trình lên men tinh bột. Loại polymer này có khả năng phân
hủy nhanh chóng trong các điều kiện công nghiệp được kiểm soát.
- Polyhydroxyalkanoates (PHA): Đây là sản phẩm do vi khuẩn tổng hợp tự
nhiên, có khả năng phân hủy trong đất và nước biển, đồng thời không tạo ra
các hạt vi nhựa sau quá trình phân hủy.
- Hợp chất polymer pha trộn trên nền tinh bột (starch-based blends): Là sự kết
hợp giữa nhựa sinh học và tinh bột, mang lại khả năng phân hủy ở mức độ trung bình.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các yếu tố môi trường thực tế như nhiệt độ, độ ẩm
và sự hiện diện của vi sinh vật có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ cũng như mức độ
phân hủy của các loại polymer này. [11]
3. Tác động đến môi trường và hệ sinh thái
Polymer có thể gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường như sau: 8
- Ô nhiễm từ rác thải nhựa: Phần lớn các loại polymer truyền thống như PE, PP,
PS... không có khả năng phân hủy tự nhiên, tồn tại trong thời gian dài ở đất và
đại dương. Điều này không chỉ gây cản trở hệ tiêu hóa của nhiều loài động vật
mà còn làm hủy hoại môi trường sống.
- Vi nhựa (microplastic): Là các mảnh polymer nhỏ hơn 5 mm, hình thành từ
quá trình phân rã cơ học của nhựa lớn. Những hạt vi nhựa này dễ dàng xâm
nhập vào chuỗi thức ăn, dẫn đến sự mất cân bằng sinh học.
- Khí thải độc hại: Khi đốt các loại polymer, đặc biệt là PVC, có thể tạo ra khí
độc như dioxin và furan. Những chất này gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng
và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. [12] [10]
4. Xu hướng phát triển polymer bền vững
Trước áp lực ngày càng gia tăng từ môi trường, ngành công nghiệp polymer
đang hướng đến các mục tiêu sau:
- Thiết kế polymer thân thiện với khả năng tái chế
- Phát triển polymer có khả năng phân hủy sinh học và ủ phân
- Sử dụng nguyên liệu tái tạo như cellulose, tinh bột, hoặc protein
- Áp dụng đánh giá vòng đời sản phẩm bền vững (LCA)
Các chính sách toàn cầu như Chương trình Nhựa của UNEP, Hiệp định Giảm
Nhựa Dùng Một Lần, và Luật Rác Thải Bao Bì của EU đang đóng vai trò quan trọng
trong việc thúc đẩy quá trình chuyển đổi này. [12]
III. ƯU ĐIỂM – NHƯỢC ĐIỂM CỦA POLYMER
Polymer đã khẳng định vai trò không thể thiếu trong đời sống hiện đại nhờ sở
hữu các đặc tính vượt trội như tính linh hoạt, hiệu quả sử dụng và chi phí sản xuất
thấp. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm nổi bật này, polymer cũng tồn tại những
nhược điểm đáng lưu ý, đặc biệt liên quan đến tác động môi trường cũng như các hạn
chế về đặc tính cơ lý.
III.1. Ưu điểm của Polymer
1. Tính linh hoạt và đa dạng cấu trúc
Polymer có thể được thiết kế với sự đa dạng về cấu trúc và tính chất, từ mềm
dẻo đến cứng rắn, trong suốt đến mờ đục, hay từ cách điện cho đến dẫn điện. Sự
phong phú này chủ yếu bắt nguồn từ việc điều chỉnh:
- Loại monomer (như styrene, etylen, vinyl chloride…),
- Độ dài của chuỗi polymer,
- Mức độ phân nhánh hoặc liên kết chéo,
- Các nhóm chức (OH, COOH, Cl…) xuất hiện trên mạch chính hoặc mạch nhánh. 9
Chẳng hạn, PVC dạng cứng thường được sử dụng để sản xuất ống dẫn nước,
trong khi polyurethane mềm (PU) lại thích hợp để làm mút xốp và đệm ghế. [13]
2. Khối lượng riêng thấp
Phần lớn các loại polymer có khối lượng riêng dao động từ 0,85 đến 2,0 g/cm³,
thấp hơn nhiều so với thép (7,8 g/cm³), đồng (8,9 g/cm³) hay nhôm (2,7 g/cm³). Đặc
điểm này không chỉ giúp giảm trọng lượng sản phẩm mà còn góp phần tiết kiệm chi
phí vận chuyển, đặc biệt mang ý nghĩa quan trọng trong các lĩnh vực như ô tô và hàng không. [10]
3. Dễ gia công và tạo hình
Polymer, đặc biệt là loại polymer nhiệt dẻo, có thể được gia công qua nhiều
phương pháp như ép phun, ép đùn, kéo sợi, thổi màng... với tốc độ cao, chi phí khuôn
thấp, và mức tiêu thụ năng lượng ít hơn so với kim loại hoặc gốm. Do đó, polymer
chiếm ưu thế trong sản xuất hàng loạt và tiêu dùng nhanh. [13]
4. Khả năng cách điện, cách nhiệt tốt
Các polymer như PTFE (teflon), PE, và PS đều là những chất cách điện xuất
sắc nhờ vào đặc tính không chứa các electron tự do. Ngoài ra, khả năng dẫn nhiệt
kém giúp chúng trở thành vật liệu lý tưởng để sử dụng làm lớp vỏ bọc dây điện, vật
liệu lót cách nhiệt, hoặc các lớp màng chắn nhiệt trong ngành xây dựng. [10]
5. Khả năng chống ăn mòn và trơ hóa học
Nhiều loại polymer có khả năng chống ăn mòn khi tiếp xúc với các axit hoặc
bazơ nhẹ và không bị rỉ sét như kim loại. Nhờ đặc tính này, chúng trở nên đặc biệt
hữu ích trong việc bảo vệ bề mặt, tạo lớp phủ chống hóa chất, sản xuất thiết bị phòng
thí nghiệm và làm vật liệu xây dựng. [13]
6. Giá thành rẻ và hiệu quả kinh tế cao
Polymer được tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu phong phú như khí đốt tự
nhiên, dầu mỏ (ví dụ: ethylene, propylene) hoặc từ các nguồn gốc sinh học như axit
polylactic (PLA) chiết xuất từ tinh bột. Nhờ chi phí sản xuất thấp cùng quy trình công
nghệ đơn giản, polymer đã trở thành một lựa chọn phổ biến, được ưa chuộng rộng rãi
ở cả các quốc gia phát triển lẫn đang phát triển. [14]
III.2. Nhược điểm của Polymer
1. Không phân hủy sinh học (với hầu hết polymer truyền thống)
Các loại polymer phổ biến như PE, PP, PS và PVC đều có liên kết hóa học cực
kỳ bền vững, khó bị phân hủy bởi enzyme hoặc vi sinh vật tự nhiên. Vì vậy, chúng
có thể tồn tại trong môi trường đất và nước biển suốt hàng trăm năm, gây ra ô nhiễm
rác thải nhựa – một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng nhất hiện nay. [12] 10
2. Hạn chế về tính chất cơ lý và khả nằn chịu nhiệt
Polymer thường có khả năng chịu lực thấp hơn so với kim loại hoặc gốm. Nhiều
loại polymer trở nên mềm hoặc biến dạng khi tiếp xúc với nhiệt độ cao trên 150 °C,
hoặc dễ giòn khi gặp nhiệt độ thấp. Chẳng hạn, PS có tính giòn và dễ vỡ, trong khi
PE mềm đi ở khoảng 100 °C. Những đặc tính này làm hạn chế phạm vi ứng dụng của
polymer trong các môi trường đòi hỏi khả năng chịu tải hoặc điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt. [13]
3. Dễ bị oxy hoá bởi điều kiện môi trường
Khi chịu tác động lâu dài từ ánh sáng mặt trời (UV), không khí (O₂), độ ẩm hoặc
hóa chất, các polymer dễ xảy ra hiện tượng oxy hóa, phân tách chuỗi và hình thành
khuyết tật như mất màu, trở nên giòn hoặc xuất hiện các vết nứt vi mô. Để hạn chế
tình trạng này, cần thêm vào các chất ổn định UV hoặc chất chống oxy hóa, tuy nhiên,
điều này đồng nghĩa với việc chi phí sản xuất sẽ tăng lên. [10]
4. Khó phân loại và tái chế thực tế
Mặc dù về mặt lý thuyết có thể tái chế nhiều loại polymer, nhưng các yếu tố như
lẫn lộn loại nhựa, ô nhiễm (do dầu, màu, thực phẩm...), và thiếu hệ thống phân loại
đã khiến tỷ lệ tái chế thực tế rất thấp. Chỉ có khoảng 9% lượng nhựa thải trên toàn
cầu được tái chế thành công. [14]
5. Phát thải độc hại khi cháy
Một số loại polymer, đặc biệt là những loại chứa halogen (như PVC), khi bị đốt
cháy không hoàn toàn sẽ tạo ra khí HCl, dioxin và furan – các chất có khả năng gây
ung thư và làm suy yếu hệ miễn dịch. Vì thế, việc xử lý chất thải polymer cần được
thực hiện dưới sự kiểm soát chặt chẽ và không nên tự ý đốt bỏ. [14]
Như vậy, Polymer là một loại vật liệu quan trọng nhờ sở hữu nhiều ưu điểm như
trọng lượng nhẹ, độ bền cao, tính linh hoạt và khả năng gia công dễ dàng, giúp chúng
được ứng dụng phổ biến trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống và công nghiệp. Tuy
nhiên, loại vật liệu này cũng tồn tại những hạn chế lớn, đặc biệt liên quan đến vấn đề
môi trường như khó phân hủy, khó tái chế và nguy cơ phát thải chất độc hại. Do đó,
cần tập trung vào việc phát triển các loại polymer thân thiện với môi trường và cải
tiến công nghệ xử lý để hướng tới một tương lai sử dụng bền vững hơn.
IV. ỨNG DỤNG CỦA POLYMER
Polymer đã trở thành nhóm vật liệu có phạm vi ứng dụng rộng lớn và quan trọng
hàng đầu trong đời sống hiện đại, nhờ vào tính linh hoạt trong cấu trúc, độ bền, khả
năng chế tạo và chi phí thấp.
IV.1. Ứng dụng trong đời sống và công nghiệp tiêu dùng
Polymer được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày nhờ vào những đặc
điểm như nhẹ, bền, không thấm nước và dễ dàng tạo hình. Chúng thường xuất hiện
trong việc sản xuất bao bì thực phẩm như túi nilon, màng bọc, chai lọ PET; đồ gia 11
dụng như thau chậu, bàn ghế nhựa; và đồ dùng văn phòng như vỏ bút, thước kẻ, hộp
đựng tài liệu. Ngoài ra, trong ngành dệt may, các loại sợi tổng hợp như polyester và
nylon cũng sử dụng polymer. Tính linh hoạt trong thiết kế và khả năng sản xuất hàng
loạt với chi phí thấp khiến polymer trở thành vật liệu chủ yếu trong ngành tiêu dùng nhanh và đóng gói. [13]
IV.2. Ứng dụng trong xây dựng và kiến trúc
Trong lĩnh vực xây dựng, polymer đã được ứng dụng phổ biến nhằm thay thế
các vật liệu truyền thống, với mục tiêu giảm trọng lượng, nâng cao độ bền và tăng
khả năng chống ăn mòn. Các loại ống nhựa như PVC và HDPE được sử dụng rộng
rãi để thay thế kim loại trong hệ thống cấp thoát nước, góp phần cải thiện hiệu quả và
độ bền của hệ thống. Tấm lợp nhựa polycarbonate, nhờ khả năng truyền ánh sáng tự
nhiên, không chỉ hỗ trợ chiếu sáng mà còn giảm đáng kể mức độ tiêu thụ điện năng.
Bên cạnh đó, các sản phẩm từ epoxy và polyurethane, trong dạng keo, sơn hay vật
liệu chống thấm, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ bề mặt công trình khỏi
ảnh hưởng của độ ẩm, hóa chất và các yếu tố thời tiết khắc nghiệt. Hơn nữa, việc sử
dụng các vật liệu cách âm và cách nhiệt như xốp PS và PU foam ngày càng trở nên
phổ biến, đặc biệt trong thiết kế nhà ở hiện đại và các tòa nhà cao tầng, nhằm nâng
cao chất lượng không gian sống cũng như hiệu quả sử dụng năng lượng. [10]
IV.3. Ứng dụng trong y học và dược phẩm
Polymer giữ vai trò quan trọng trong lĩnh vực y học nhờ vào những đặc tính
vượt trội như an toàn sinh học, khả năng khử trùng dễ dàng và khả năng phân hủy
sinh học dưới các điều kiện sinh lý. Vật liệu này được ứng dụng rộng rãi trong sản
xuất các vật tư y tế dùng một lần, bao gồm ống truyền, găng tay và bơm tiêm, vốn
thường được làm từ các loại polymer như PVC, latex và PP. Ngoài ra, polymer cũng
được sử dụng trong việc chế tạo bao gói thuốc, giúp kiểm soát tốc độ giải phóng dược
chất một cách hiệu quả. Đặc biệt, các polymer có nguồn gốc sinh học như PLA
(polylactic acid), PCL (polycaprolactone) và PHA (polyhydroxyalkanoate) đã chứng
minh tiềm năng to lớn trong lĩnh vực kỹ thuật mô. Cụ thể, chúng được dùng làm giá
đỡ cho sự phát triển của tế bào hoặc chế tạo khung xương nhân tạo, với lợi thế phân
hủy sinh học an toàn trong cơ thể mà không gây độc tính. Điều này mở ra hướng đi
mới đầy triển vọng cho y học tái tạo và các phương pháp cấy ghép tiên tiến không
cần can thiệp phẫu thuật để loại bỏ thiết bị. [15]
IV.4. Ứng dụng trong nông nghiệp và môi trường
Polymer đang trở thành một vật liệu được ứng dụng ngày một rộng rãi trong
lĩnh vực nông nghiệp và bảo vệ môi trường. Trong canh tác, polymer được sử dụng
làm màng phủ nông nghiệp, có vai trò quan trọng trong việc giữ ẩm, hạn chế cỏ dại
phát triển và điều hòa nhiệt độ của đất. Các vật liệu giữ nước siêu hấp thụ
(superabsorbent polymers) cũng được áp dụng để duy trì độ ẩm cần thiết cho cây
trồng, đặc biệt trong điều kiện khô hạn. 12
Không chỉ dừng lại ở nông nghiệp, trong ngành xử lý nước, các hạt polymer đã
được biến tính có khả năng hấp phụ hiệu quả các ion kim loại nặng, dư lượng thuốc
trừ sâu hoặc dầu mỡ từ nguồn nước thải, giúp cải thiện chất lượng nguồn nước. Đặc
biệt, các loại polymer phân hủy sinh học như PLA, PHA, hoặc các loại nhựa làm từ
tinh bột đang được sử dụng để sản xuất bao bì thân thiện với môi trường. Điều này
góp phần giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhựa truyền thống, một bước tiến quan trọng
trong bối cảnh ô nhiễm nhựa đang trở thành vấn đề nghiêm trọng toàn cầu. [12]
IV.5. Ứng dụng trong điện – điện tử
Với khả năng cách điện tuyệt vời và dễ dàng tạo hình, polymer là vật liệu lý
tưởng cho ngành điện và điện tử. Chúng được sử dụng trong sản xuất vỏ bọc dây
điện, công tắc, ổ cắm, và lớp cách điện cho tụ và bảng mạch. Các vật liệu nền như
PET và polyimide thường được dùng làm lớp đế linh hoạt trong mạch in mềm. Trong
lĩnh vực công nghệ cao, một số polymer đặc biệt có khả năng dẫn điện và được ứng
dụng trong chế tạo cảm biến, thiết bị điện tử mềm, và màn hình dẻo OLED. Hơn nữa,
lớp phủ polymer còn bảo vệ các linh kiện điện tử khỏi độ ẩm và ăn mòn. [10]
IV.6. Ứng dụng trong giao thông – vận tải
Trong lĩnh vực giao thông vận tải, polymer đóng vai trò quan trọng trong việc
giảm trọng lượng, nâng cao hiệu suất năng lượng và tăng cường độ bền của phương
tiện. Đặc biệt, nội thất ô tô được sản xuất từ nhiều loại polymer khác nhau như PVC,
ABS và PU, được ứng dụng để chế tạo bảng điều khiển, ghế ngồi và ốp cửa. Bên cạnh
đó, lốp xe thường sử dụng cao su tổng hợp, điển hình như SBR hoặc NBR, kết hợp
với các chất độn như carbon black nhằm cải thiện độ bền và gia tăng khả năng ma
sát. Trong ngành hàng không và hàng hải, các vật liệu composite có nền polymer
được gia cường bằng sợi carbon hoặc sợi thủy tinh được áp dụng để sản xuất cánh
máy bay và vỏ tàu. Những vật liệu này không chỉ nhẹ mà còn vượt trội về độ bền so
với các kim loại truyền thống. [13] 13 KẾT LUẬN
Polymer là một nhóm vật liệu đặc biệt, đóng vai trò quan trọng trong sự phát
triển của khoa học kỹ thuật và đời sống hiện đại. Khởi nguồn từ polymer tự nhiên và
bán tổng hợp như cao su, cellulose, đến sự bùng nổ của polymer tổng hợp vào thế kỷ
XX, lịch sử tiến hóa của loại vật liệu này phản ánh những bước tiến vượt bậc trong
tư duy và công nghệ hóa học. Với những tính chất nổi bật về cơ học, hóa học, cùng
khả năng thích ứng với môi trường, polymer đã trở thành vật liệu không thể thiếu
trong các lĩnh vực như công nghiệp tiêu dùng, xây dựng, y tế, điện tử, nông nghiệp và hàng không.
Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội như nhẹ, bền, linh hoạt và dễ sản xuất,
polymer cũng đặt ra không ít thách thức, đặc biệt nằm ở khía cạnh môi trường. Các
vấn đề như khả năng phân hủy sinh học thấp, khó tái chế và ô nhiễm kéo dài đã gây
áp lực lớn đến hệ sinh thái. Do đó, xu hướng phát triển polymer hiện nay tập trung
vào các giải pháp bền vững hơn, bao gồm việc sử dụng nguyên liệu tái tạo, chế tạo
polymer dễ phân hủy và nâng cao công nghệ tái chế.
Nhìn chung, chúng ta có được sự hiểu biết sâu sắc về lịch sử hình thành, đặc
tính, ưu nhược điểm và ứng dụng của polymer không chỉ giúp tối ưu hóa việc sử dụng
vật liệu mà còn định hình hướng đi cho các nghiên cứu và chính sách phát triển các
dòng vật liệu bền vững trong tương lai. 14