شاید بتوان گفت از آغاز حیات، انسان‌ها بدون آگاهی از اینکه پلیمر چیست، از مواد پلیمری استفاده می کردند. واژه پلیمر که از تکواژ پلی گرفته شده، به معنی چند است. پلیمر از دو واژه “پلی” و “مر” ساخته شده است. پلی یعنی چند و مر یعنی جز. در واقع پلیمرها موادی هستند که ساختمان مولکول آنها از تعداد زیادی اجزا تکرار شونده تشکیل شده است. امروزه کاربردهای مختلف مواد پلیمری در صنایع گوناگون به گونه ای است که تقریبا هیچ صنعتی را نمی توان یافت که در آن ردپایی از این مواد نباشد.
در سال ۱۸۳۳ برزلیوس شیمیدان سوئدی برای اولین بار کلمه پلیمر(Polymer) را مطرح کرد. بعد از چندین سال هرمان استادینگر به اصطلاح ماکرومولکول اشاره کرد، بدین خاطر در سال ۱۹۵۳ موفق به دریافت جایزه نوبل شد. در سال ۱۹۳۰ والاس هیوم کاروتز شیمیدان امریکایی نظریه های استادینگر را بر مبنای آزمایشگاهی بنا نهاد. در سال های بعد کشف کاتالیست جهت شروع واکنش پلیمریزاسیون توسط کارل زیگلر انجام گرفت.
پلیمرها یا ماکرومولکول ها، درشت مولکول هایی هستند که از واحدهای تکراری ساده تشکیل شده اند. ماهیت و ساختار پلیمر به مونومر یا مونومرهایی که در آن بکار رفته، بستگی دارد. اگر تعداد کمی از واحدهای مونومری در ساخت پلیمر بکار روند، پلیمری با وزن مولکولی کم حاصل می شود که الیگومر نامیده می شود.
تقسیم بندی پلیمرها:
پلیمر ها را به شیوه های گوناگون تقسیم بندی می کنند.
پلیمرها از لحاظ صنعتی به ۴ دسته اصلی پلاستیک ها، الیاف، لاستیک ها (الاستومرها)، پوشش ها و چسب ها طبقه بندی می شوند.
همچنین ملاک های دیگری هم برای تقسیم بندی پلیمر ها وجود دارد که در زیر به آنها اشاره می کنیم:
۱- پلیمرهای طبیعی و پلیمرهای مصنوعی
الف) پلیمرهای طبیعی (Natural Polymers): تهیه این گونه پلیمرها با تغییر دادن و به عمل آوردن مواد طبیعی بزرگ مولکول مانند نشاسته، سلولوز، لاستیک طبیعی، کائوچو و … امکان پذیر است.
ب) پلیمرهای مصنوعی (Synthetic Polymers): تهیه این گونه پلیمرها با به هم آمیختن مواد پایه کوچک مولکول (مونومر) و تبدیل آنها به مواد بزرگ مولکول امکان پذیر است؛ پایه اصلی این مواد نفت، گاز طبیعی، زغال و … است و در ساختمان آنها کربن و هیدروژن به وفور یافت می شود.
۲- ساختار پلیمر
الف) خطی (Linear)
ب) شاخه دار (Branched)
پ) شبکه ای (Cross-Linked)
۳- آرایش یافتگی زنجیره ها
الف) بلوری (کریستالی): هرگاه زنجیره های پلیمر از حالت مذاب، سرد و یا از حالت محلول، تغلیظ شوند و به آرایش منظمی برسند به آن پلیمر، بلوری (کریستالی) گویند؛ البته باید گفت به علت طولانی بودن زنجیره ها امکان دستیابی به آرایش ۱۰۰% کریستالی وجود ندارد.
ب) بی شکل (آمورف): هرگاه زنجیره های پلیمری از حالت مذاب، سرد و یا از حالت محلول، تغلیظ شوند و نتوانند به آرایش منظمی برسند و به اصطلاح مانند کلاف کاموا شوند به آن پلیمر، بی شکل (آمورف) گویند.
مهم ترین خصوصیت این گونه پلیمرها این است که به علت عبور نور از بین زنجیره ها این پلیمرها شیشه ای و شفاف هستند. البته باید گفت که اغلب پلیمرها چیزی ما بین این دو با درصد بیشتر زنجیره های بی شکل (آمورف) هستند.
۴- چیدمان مونومرها در زنجیره پلیمری
همو پلیمر: اگر تنها یک واحد تکرار شونده (مونومر) در مولکول پلیمر وجود داشته باشد، همو پلیمر گویند.
کو پلیمر: اگر بیشتر از یک نوع واحد تکرار شونده (مونومر) در مولکول پلیمر وجود داشته باشد، کو پلیمر گویند.
کو پلیمرها نیز بسته به طرز قرار گرفتن مونومرها در طول زنجیره پلیمری به متناوب، اتفاقی ، دسته ای و یا پیوندی تقسیم می شوند.
در شکل زیر به ترتیب:
۱) همو پلیمر (Homopolymer)
۲) کوپلیمر متناوب (Alternating Copolymer)
۳) کوپلیمر اتفاقی (Random Copolymer)
۴) کوپلیمر دسته ای (Block Copolymer)
۵) کوپلیمر پیوندی (Graft Copolymer)
۵- مکانیسم پلیمر شدن یا پلیمریزاسیون
پلیمریزاسیون فرآیندی است که طی آن ترکیباتی با وزن مولکولی کم با هم ترکیب شده و یک ترکیب پیچیده با وزن مولکولی بالا تشکیل می دهند.
الف) پلیمریزاسیون زنجیره ای (Chain Polymerization)
پلیمریزاسیون زنجیره ای از سه مرحله اصلی تشکیل شده است: ۱. شروع ۲. انتشار ۳. اختتام
در این روش مولکول های مونومر در یک حالت خود به خودی و خیلی سریع در طول یک واکنش زنجیری به هم اضافه می شوند؛ این واکنش محصول فرعی ندارد.
ب) پلیمریزاسیون مرحله ای (Step Polymerization)
در این روش پلیمر در طول فرآیند به وسیله واکنش بین گروه های عاملی مونومر ساخته می شود؛ واکنش به طور مرحله ای اتفاق می افتد (یعنی مرحله به مرحله) بنابراین سرعت تشکیل پلیمر کند است.
این روش نیز به ۲ مکانیسم تقسیم می گردد:
۱. پلیمریزاسیون تراکمی (Condensation Polymerization)
در پلیمریزاسیون تراکمی که اکثرأ برای ساخت ترموست ها بکار می رود در طی فرآیند چیزی متراکم یا فشرده در اثر واکنش حاصل می شود و آب در اثر تراکم از محیط خارج می شود.
۲. پلیمریزاسیون افزایشی (Addition Polymerization)
در پلیمریزاسیون افزایشی هر مونومر به مونومر بعدی متصل می شود و به این ترتیب پلیمر تشکیل می شود.
۶- رفتار حرارتی(گرمایی)
از دیدگاه علمی مفید ترین تقسیم بندی پلیمرها بر اساس رفتار حرارتی (گرمایی) آنها است (یعنی پاسخ ترمودینامیکی) که در این صورت پلیمرها به ۲دسته ترموپلاست (گرما نرم) و ترموست (گرما سخت) تقسیم بندی می شوند.
تعریفی ساده از ترمو پلاستیک ها (Thermoplastic): همان طور که از نامشان پیداست در اثر گرما و فشار نرم می شوند و جریان می یابند و در اثر سرما سخت می شوند و شکل قالب را به خود می گیرند و این چرخه می تواند چندین بار بدون کاهش خواص پلیمر تکرار شود.
تعریفی کامل از ترمو پلاستیک ها: موادی هستند که به طور کامل واکنش دادهاند یا پلیمریزه شده اند. این مواد وقتی در معرض حرارت قرار می گیرند نرم می شوند و اعمال فشار باعث جریان یافتن آنها می شود و می توان آنها را شکل دهی کرد و پس از سرد شدن، شکل آنها تثبیت می شود. همچنین اشکال ناقص و ضایعاتی را می توان دوباره ذوب و شکل دهی کرد.
چند نمونه ترمو پلاست: PE,PP,PS,PA
تعریفی ساده از ترموست ها (Thermoset): این پلیمرها هنگام گرم شدن در اثر واکنش شیمیایی، پیوند های عرضی در آنها ایجاد شده و پلیمر جامد می شود؛ این نوع پلیمرها معمولأ به صورت پودر، مایع و یا به صورت پیش پلیمر وجود دارند و آنها را می توان با اعمال حرارت و فشار به شکل دلخواه در آورد.
تعریفی کامل از ترموست ها: موادی هستند که معمولاً واکنش آنها به طور کامل انجام نمی شود و صد در صد پلیمریزه نمی شوند و به کمک عوامل مؤثر مانند حرارت واکنش آنها کامل می شود. محصولات تولید شده از این مواد دارای ساختار شبکه ای بوده و با حرارت دادن مجدداً نرم نمی شوند، بنابراین قابل فرایند مجدد و شکل دهی دوباره نیستند.
چند نمونه ترموست: اوره فرمالدهید UF) Urea Formaldehyde)، فنول فرمالدهید PF) Phenol Formaldehyde) یا (باکلیت Bakelite)، اپوکسی ها EP) Epoxies)، پلی استرهای اشباع نشده UP) Unsaturated Polyesters)، ملامین فرمالدهید MF) Melamine Formaldehyde).
کاربرد پلیمرها
پلیمرها طبقه بسیار متنوعی از مواد با کاردبرد در صنایع گوناگون هستند. از جمله این کاربردها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- حمل و نقل: حمل و نقل ریلی، حمل و نقل عمومی، حمل و نقل هوایی و حمل و نقل نظامی.
- غذایی: بطری های آبمیوه، ظروف یکبار مصرف و بسته بندی.
- نساجی: الیاف پلیمری، پلیمرهای مقاوم حرارتی ، چاپ، لباس فضانوردان، لباس های محافظ وکفش.
- خودروسازی: ساخت صندلی، شیشه ها، تایر، سپر، کفپوش و انواع درزگیرها.
- برق و الکترونیک: لوله های کامپوزیتی عبور کابل، تیرهای کامپوزیتی و پلیمرهای رسانای جریان الکتریسیته.
- پزشکی: نانوپلیمرها در مهندسی بافت، نانوپلیمرها در رهایش کنترل شده دارو، بازسازی بافت، پوشش دهی زخم و مهندسی پزشکی.
- پتروشیمی: تجهیزات صنایع پتروشیمی، رنگرزی و پوشش دهی.
- عمران: آسفالت پلیمری، قیر پلیمری، مهندسی سازه وبتن پلیمری.
- نظامی: اسلحه های شخصی، جنگ افزارهای بزرگ، موشک و هواپیما.
- ساختمان: بتن با عملکرد بالا، کاربرد در کاهش مصرف انرژی ساختمان، پوشش دهنده ساختمان و پوشش دهنده ضدحریق.
پلیمرهای پرکاربرد
پلیمرهای رایج که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:
- پلی پروپیلن (PP)
- پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE)
- پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE)
- پلی وینیل کلرید (PVC)
- پلی استایرن (PS)
- پلی تترا فلورو اتیلن (PTFE )
- پلی متیل متاکریلات (PMMA )
- پلی وینیل استات (PVAc)
- اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)
- پلی بوتیلن PB
- پلی اتر اتر کتون (PEEK)
- پلی وینیل استات (PVA)
- پلی وینیل الکل (PVAl)
- پلی لاکتیک اسید (PLA)،
در این مقاله با پلیمر ها آشنا شدیم. برای مطالعه سایر مطالب یا موضوعات مختلف نظیر مهندسی معدن، مهندسی برق، مهندسی مکانیک و … به قسمت مقالات سایت مراجعه کنید.
دیدگاه ها
امیر سلم
سلام. من دانش آموز سال دهم تجربی هستم و دنبال مقاله ای برای بسپار ها میگشتم مقاله شما بسیار کامل و مفید بود ممنونم.
گلوپ
سلام دوست عزیز. باعث افتخار ماست که توانستیم به شما کمک کنیم . موفق یاشید.