پلیمرها (Polymers):
پلیمرها ، ابرمولکول هایی با وزن مولکولی بسیاربالا هستند .که از واحدهای تکرار شونده تشکیل شده اند .پلیمرها ممکن است آلی (organic ) ،غیرآلی (inorganic)یا آلی ـ فلزی (organometallic )باشند .و ازدیدگاه نحوه ی به وجود آمدن ممکن است مصنوعی یا طبیعی باشند .پلیمرها ازجمله ی مواد ضروری برای بسیاری از صنایع از جمله :چسب ها (adhesives ) ، مصالح ، ساختمانی ، کاغذ، لباس ، الیاف ، پوشش ها ، پلاستیک ها ، سرامیک ، بتون ، کریستال مایع ، مقاومت های نوری و ...هستند .پلیمرها درعلومی همچون :تغذیه ،مهندسی ، بیولوژی ، داروسازی ، کامپیوتر ،اکتشافات فضایی ، بهداشت و محیط زیست اهمیت دارد .
پلیمرهای غیرآلی که به صورت طبیعی وجود دارند شامل :الماس ها ، گرافیت ، آزبست (پنبه ی نسوز )،شن،عقیق ، فلدسپار ،میکا ،کوارتز ،تالک و ... می شوند .
پلیمرهای آلی که به صورت طبیعی یافت می شود عبارت اند از :پلی ساکاریدها (پلی کربوهیدرات ها )مانند :نشاسته و سلولز ،نوکلئیک اسیدها و پروتئین ها .
پلیمرهای غیرآلی ،مصنوعی عبارت اند از :نیترید بور (Boron nitride )، بتون (Concrete )،بسیاری از ابر رسانه های دما بالا و شماری از شیشه ها .
پلی سیلوکسین ها (Polysi loxanes )که به سیلوکسین نیز معروف اند .نمونه ای از پلیمرهای آلی ـ فلزی محسوب می شود که به صورت مصنوعی تهیه می گردد .
پلیمرهای مصنوعی که برای در ساختار برخی وسایل استفاده می شود به طور قابل ملاحظه ای از فلزات سبک ترند .این مواد به کاهش میزان مصرف سوخت در وسایل نقلیه و سفینه های فضایی کمک می کند .زمانی که به نسبت برابر وزنی ازپلیمر به جای فلز استفاده کنیم مواد پلیمری حتی از فلز نیز بهتر کار می کنند .مثلاً :(درمورد کشش ).مواد پلیمری باپیشرفت های انجام شده توانایی استفاده برای اهداف مهندسی به عنوان مثال :یراق آلات ، بلبرینگ ها و غشاهای ساختاری را پیدا کرده اند .
شکل 1 : به سیاره ی پلیمر خوش آمدید
نام گذاری (Nomenclature ):
بسیاری از پلیمرها هم دارای نام معمولی ()و هم نام برپایه ی ساختارشان هستند .نام گذاری بر پایه ی ساختار به وسیله ی سازمان بین المللی شیمی محض و کاربردی (International Union of Pure and Applied Chemistry )که به اختصار IUPAC نامیده می شود .پایه گذاری شده است .
بعضی از پلیمرها به وسیله ی علامت اختصاری شان (واژه ای که از حروف اول چند واژه ایجاد شده )شناخته می شوند .بعضی از شرکت های تولید کننده ی مواد پلیمری ،نام های تجاری را برای تولیدات پلیمری خاصی که خود تولید کرده اند تعریف می کنند .برای مثال پلی استر فرترل ( FortreL@polyester)شامل الیاف پلی اتیلن کرفتالات ( PET)است .پلیمرها معمولاً با نامگذاری سنتی دیده می شوند .مثلاً دایون ، پلی استر ، نایلون و ...
ساختار (Composition):
ساختارهای پلیمری را می توان به وسیله ی ساختارهای ساده تر که در کل پلیمر تکرار می شوند، معرفی کرد .این ساختارهای شبیه به هم که در طی زنجیره ی پلیمری تکرار شده اند را واحد تکرار شونده گویند .این واحدهای تکرار شونده را مونومریتر گویند .مونومرها با هم واکنش داده و پلیمررا تولید می کنند .واحد تکرار شونده ی پلی پروپیلن در شکل 2 نشان داده شده است .
شکل 2 : مونومر پلی اتیلن
به جز درپایان زنجیره های پلیمری ، پلی پروپیلن از واحدهای کاملاً تکرار شونده و شبیه به هم تشکیل شده اند .
عدد واحدها (The Namber of units )دریک زنجیره ی پلیمری درجه ی پلیمریزاسیون (degree of polymerization )نامیده می شود که با DP نمایش داده می شود .
ساختار ابتدایی (Primary Structure ):
ترتیب واحدهای تکرار شونده در یک پلیمرساختار ابتدایی Primary Structure نامیده می شود .عوامل واکنش دهنده ی نامتقارن ، به عنوان مثال جانشینی مونمرهای وینیل ، صرفاً تولیداتی به صورت سر به ته ( head-to-tail)می دهد ،که عامل جانشینی R ، بر روی کربن های یکی در میان (متناوب )قرار می گیرد .هراتم کربن دارای عامل R ، مرکز چیرال (Chiral center )با احتمال ژئومتری مختلف است .(هراتم در مولکول با 4 اتم واکنش می دهد ).
آرایش های جایی که جانشین بر روی کربن چیرال به صورت رندوم است ساختارهای اتاکتیک (Atactic structures )نامیده می شود .
ساختارهایی که دراطراف کربن چیرال هستند .هندسه ی یکسانی دارند که به آنها ایزوتاکتیک (Isotactic )یا استرورگیولر (Stereo regular)گویند.
ـ پلیمرها می توانند خطی (Linear )یا شاخه ای ( Branched )با مقدار طول شاخه ی متفاوت باشند .که اکثر پلیمرها شامل تعدادی شاخه می شوند .
ـ کوپلیمرها (Copolymers )ازدو نوع مختلف مونومر مشتق شده اند .که ممکن است به صورت نمادهای AوB نمایش داده بشوند .براین اساس ساختارهای مختلفی در کوپلیمرها رخ می دهد که هرساختار خواص خاص خود را دارد .این تنوع در نحوه ی قرارگیری مونومرهای مختلف در کوپلیمر شامل :یکی در میان (Alternating )،راندوم ( Random )، بلوک (block )و گرافت (graft )می شود .
ساختارثانویه (Secondary Structure ):
ساختار ثانویه به شکل محلی پلیمر برمی گردد .که معمولاً برآیند و حاصل پیوند هیدروژنی است .بیشتر زنجیره های پلیمرهای خطی انعطاف پذیر تا نیمه انعطاف پذیر منجر به ایجاد دو ساختار مارپیچ (helical ) و چین دار (pleated skirt )می گردد .برای هردو نوع قطبی و غیر قطبی از زنجیره های پلیمری ، تمایل به گرفتن حالت مارپیچ با اجتماع مرکزدار وجود دارد که در داخل آن ها نیروهای پیوند ثانویه وجود دارد .
سومین ساختار (Tertiary Structure ):
سومین ساختاریک پلیمر به شکل سرتا سر یک پلیمر اشاره دارد .به عنوان مثال در هم گیرکردن پلی پپتاید (poly peptide ).پروتئین های کروی شبیه گوی های ناهموارند که علت آن ترکیب پیچیده ی محیطی و محدودیت های مولکولی و فرصت های پیوندی است .
خیلی از پلیمرهای طبیعی و مصنوعی دارای ابرساختارند (Super structures )،به عنوان مثال :پروتئین های کروی و تجمع زنجیره های پلیمری ، که ایجاد کلاف و دسته بندی هایی می کند .
چهارمین ساختار (Duaternary structune ):
چهارمین ساختار به نحوه ی قرارگیری درفضای دو یا بیشتر زیر واحدهای پلیمر است .که اغلب از تجمع سومین ساختار حاصل می شود .برای مثال : هموگلوبین (چهارمین ساختار )ترکیبی ضروری از چهار واحد میوگلوبین ( سومین ساختار )است .بسیاری از پلیمرهای مصنوعی به حالت کروی فورم می گیرند .
تولید (Synthesis ):
برای اینکه پلیمریزاسیون اتفاق بیفتد ، مونمرها باید حداقل 2 نقطه ی واکنش پذیر یا گروه های عاملی داشته باشند .دو راه اصلی در ایجاد پلیمرهای مصنوعی وجود دارد که یکی از روش ها ، روش افزایشی و دیگری روش تراکمی است .در سینتیک شناسی نوع زنجیری ،آغاز واکنش با ترکیب یک سری از مونومرها شروع می گردد که نتیجه ی آن مخلوطی از تعداد زیادی مونومر واکنش نداده و پلیمر است .
پلیمرهای وینیلی (Vinil Polymers )ازمونومرهای وینیل مشتق می شوند .و دراسکلت اصلی آنها فقط اتم کربن وجود دارد .مثال هایی از پلیمرهای وینیلی شامل پلی استیرن (Polystyrene ) ، پلی اتیلن (Polyethylene )، پلی بوتادی ان (Poly buta diene )، پلی پروپیلن (poly propylene )و پلی وینیل کلراید (Poly vinid choloride )است .
شکل 3 : پلی اتیلن با دانسیته ی پایین (LDPE)
دومین روش عمده ی پلیمریزاسیون مرحله ای (step - wise polymerization )است .پلیمریزاسیون در مراحل دارای شکل جهت داراتفاق می افتد .که موجب ایجاد یک میانگین اندازه ی زنجیره ای می گردد .
که امکان دارد از مخلوط واکنش یک عدد یا درجه ی پلیمریزاسیون سر تاسری 2 ، سپس 5 ، سپس 10 و به همین منوال داشته باشیم تا همه ی مخلوط به پلیمرهای بزرگ تبدیل شوند که تعداد مونومرهای موجود اندک یا اصلاً وجود ندارد .پلیمرهایی که به طورخاص از این روش ایجاد می شوند .شامل : پلی کربنات ها ( polycarbonates )،پلی استرها ( polyesters )و پلی یوریتان ها (polyurethanes )هستند . شکل 4
شکل 4 : پلی کربنات
زنجیرهای پلیمری که به روش تراکمی تهیه شده اند دارای این خاصیت اند که اتم های غیرکربن نیز در ساختار آنها وجود دارد .برای پلی آمید ، نیتروژن در ساختار اصلی پلیمر وجود دارد .درحالی که برای پلی کربنات ها اکسیژن در ساختار اصلی اضافه شده است .
پلیمرهای تراکمی درحالت مذاب تولید می شوند (یعنی اینکه واکنش دهنده ها حرارت داده می شوند تا مذاب گردند ).یا اینکه در حالت محلول هستند ( یعنی واکنش دهنده ها درحلال حل شده اند )و درحالتی دیگر واکنش بین فازی است (یعنی اینکه واکنش دهنده ها در حلال های متفاوت از لحاظ امتزاج حل شده اند ).
خواص مولکولی (Molecular Properties ):
این بخش برای این مورد استفاده قرارگرفته تا کمک به فهم ساختار و رفتار پلیمرها بکند وزن مولکولی یک زنجیر پلیمر خاص به وسیله ی مجموع وزن مولکولی واحدهای تکرار شونده ایجاد می شود .درمیانگین آماری پلیمرها را توصیف می کند که یکی از آنها (وزن مولکولی میانگین شماره ای است و دیگری وزن مولکولی میانگین وزنی است .)
اندازه مهمترین خاصیت پلیمرهاست که به آنها اجازه ی انبارکردن اطلاعات را می دهد .(پروتئین های و نوکلئیک اسیدها )،مواد پلیمری هر عملی را که زنجیره های پلیمری یا اجزای پلیمر را کج و راست کند به خاطر می آورند . مثلاً خم کردن ،کشیده شدن ها ویا ذوب شدن ها.
اندازه ی همچنین به عنوان یک تجمع درون زنجیری ثانویه به شمار می آید که توسط نیروهای واندروالس ایجاد گشته اند .برای پلیمرهای غیرقطبی ، مثلاً پلی اتیلن ، نیروی جاذبه برای هر واحد تکرار شونده کمتر از پلیمرهای قطبی است .پلی وینیل کلراید که یک پلیمر قطبی است .شامل نیروهای جاذبه ای که منشا آنها گسیختگی ساختار و نیروهای دو قطبی ، است که مجموع این نیروها از نیروهای موجود در پلی اتیلن کمتر است .پلیمرهای حاوی پیوند هیدروژنی (مثلاً پلی ساکاریدها ، پروتیئن ها و نوکلئیک ها اسیدها و نایلون است ). نیروهای جاذبه ی حتی بزرگتری نسبت به حالات قبل دارند .پیوند هیدروژنی به قدری در سلولز قوی است که موجب عدم حلالیت آن درآب تا حدی که پیوندهای بین زنجیری هیدروژنی شکسته نشوند است .
شکل 5 : مونومر وینیل
پلیمرها معمولاً ترکیبی از مناطق با آرایش منظم و نواحی بدون آرایش منظم هستند .
به نقاط با آرایش منظم بخش های کریستالی شده و به نواحی بی نظم بخش های آمورف گفته می شود .نواحی کریستالی زیادی صلب اند و به پلیمرها استحکام و مقاومت در برابر نیروهای خارجی را اعطا می کنند .نواحی آمورف، نیز به پلیمر خاصیت انعطاف پذیری می دهد .
اکثر پلیمرهای تجاری دارای تعادل در میزان نواحی آمورف و کریستالین هستند که به پلیمرخاصیتی می دهند که هم انعطاف پذیر و هم مستحکم باشند .
پلیمرها مواد ویسکوالا هستند .پلیمرهای نرم ، مثلاً پلی اتیلن و پلی پروپیلن دارای تحمل در برابر کشیدگی بالای دارند و درهنگام کشیدگی مقاومت و جهت گیری زنجیره ای پیدا می کنند .
پلیمرهای ترد ،مثلاً پلی استیرن ، استقامت کافی ندارند .و درکشش های کمتر شکسته می شوند .
شکل 6 : مونومر استیرن
ـ لیف (fiber )،یک ماده ی پلیمری است که بسیاربلند است و طول آن از ابعاد دیگرآن بسیار بزرگ تر است ، یک لیف یا رشته ی مقاومت کششی بالا ، سختی بالا و افزایش طول کمی درحین کشش دارد .
مواد (materials ):
الیاف(fibers )مواد پلیمری هستند که در یک جهت بسیار محکم اند و بیش از 100برابر عرضشان کوچکتر است .
ـ الاستومرها (elastomers )که به آنها رابرتیر می گویند مواد پلیمراند که درهنگام اعمال نیرو بر آنها تغییر شکل داده و هنگامی که نیرو برداشته شود .به شکل اولیه باز می گردند .
ـ پلاستیک ها ، موادی اند که خواصشان میان الیاف و الاستومرهاست .آنها سخت و انعطاف پذیر هستند .پوشش ها و چسب ها عمدتاً از مشتقات مواد پلیمری اند .البته از گروه های دیگر نیز می توانند کمک بگیرند به عنوان مثال ، پلی سیلوکسان (polysiloxanes )الاستومراست در حالی که به عنوان چسب نیزاستفاده می شوند .
چسب ها و پوشش های مورد استفاده درصنعت شامل :لامینات ها ( laminates )
ـ مواد لایه مانند ، درزگیرها و بتونه ها (Sealants and Caulks )، کامپوزیت ها (composites )،غشاها ( films)، کریستال های مایع (liquid crystals )، سرامیک ها ، سیمان ها و مواد *می شود .
افزودنی ها (additives ):
مواد پلیمری مورد استفاده معمولاً ترکیبی از یک پلیمر و یک یا چند جزء دیگر است .که به پلیمر اضافه شده اند .و نقش بهبود و خواص ، کمک به پروسه ی تولید و ایجاد خواص جدید را دارد .
مواد افزودنی می توانند جامد ، مایع و گاز باشند .افزودنی های جدید نیز مانند :پلاستیسایزها (plasticizers )، آنتی اکسیدان ها ( antioxydants )،مواد افزودنی رنگ زا ( colorants )، پرکننده ها (fillers )و تقویت کننده ها (reinforce ments )هستند .
بازیافت (Recycling ):
بسیاری از پلیمرها ترموپلاست (Thermoplastics )هستند. ازاین جهت این مواد را می توان پس از کاربرد دوباره ذوب و شکل دهی کرد .و با گرم کردن و فشار آنها دوباره محصولات جدید تولید کرد .بازیافت پلیمرهای ترموست (Thermosets)مشکل تر است .زیرا این پلیمرها ذوب نمی شوند و پیش از نرم شدن تخریب می شوند .این مواد در اکثر موارد آسیاب شده و به پودر نرم تبدیل می شوند .این پودر نرم با افزودنی ها (معمولاً چسب ها ، باندها (Binders )آمیخته شده و سپس شکل دهی می شوند.
منبع:
.jpg)
.jpg)
