آشنایی با پلیمر ها(خواص،انواع،کاربرد)

نویسنده: فاطمه حاجی محمدی

 

پلیمر چیست:

 

ترکیبات آلی بر پایه کربن،هیدروژن و عناصر غیر فلزی دیگری مانند کلر،فلوئور،اکسیژن و نیتروژن هستند.

پلیمر از دو واژه یونانی poiy به معنای زیاد و meros  به معنای بخش تشکیل شده است.

پلیمر یک ملکول بزرگ است که از بخش های کوچک زیادی که مونومر نام دارد و به طور تکرار شونده به هم متصل شده اند تشکیل شده است.

یونومر ها بوسیله نیروی کووالانسی به هم متصل شده اند اما خود این زنجیره ها بوسیله نیروی واندر والس به یکدیگر متصل شده اند پس این امر موجب می شود خواص پلیمر ها در جهت عرضی و طولی متفاوت باشد زیرا پیوند در جهت طولی و عرضی متفاوت است.

 

 

تاریخچه پلیمر:

 

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.

 

مشخصه پلیمر ها:

 

۱- با توجه به داشتن عناصر سبک چگالی کمی دارند.

۲- استحکام پایینی دارند ولی به دلیل داشتن وزن کم استحکام ویژه نسبتا بالایی دارند.

۳- ساختار غیر کریستالی یا مخلوطی از کریستال و غیر کریستالی دارند.

۴- از نظر شیمیایی خنثی و غیر فعال هستند و به همین دلیل دارای پایداری در بسیاری از محیط های شیمیایی هستند.

 

ضعف پلیمر ها:

 

۱- عدم قابلیت تحمل دماهای بالا و امکان واکنش بااکسیژن یا سایر گازها در این دماها

۲- امکان ترد یا شکننده شدن در درجه حرارت پایین

۳- سختی کم

 

-پلیمر ها از لحاظ ساختاری به دو دسته تقسیم بندی می شوند:

 

۱- ترمو پلاستیک ها

۲- ترموست ها

 

۱- ترمو پلاستیک: ترموپلاستیک یا گرمانرم به پلیمرهایی گفته می‌شود که با افزایش دما، بدون تغییر شیمیایی ذوب می‌شوند. این پلیمرها را می‌توان به دفعات ذوب و دوباره جامد نمود.

ترموپلاستیک ها دانسیته پایینی دارند و در دماهای پایین انعطاف زیادی دارند.

ترمو پلاستیک ها مانند پلی اتیلن، نایلون،پلی استر ها ،پلی استایرن ها، پلی پروپیلن و پلی کربنات ها هستند.

 

 

۲- ترموست ها: ترموست یا گرماسخت به پلیمرهایی گفته می‌شود که در اثر اعمال حرارت در آن‌ها پیوندهای عرضی با واکنش‌های شیمیایی ایجاد می‌شود و در نتیجه وزن مولکولی متوسط آن‌ها بالا رفته و به حالت یکپارچه صلب درمی‌آیند.

پلیمرهای ترموست نسبت به پلیمرهای ترموپلاستیک قابلیت و عملکرد تحمل بار در درجه حرارت و فشار بالاتر را دارند.

ترموست ها معمولا شکننده هستند و پایداری حرارتی مناسبی دارند.

ترموست ها به دو دسته پلی اورتان و پلاستیک های فوران تقسیم شده اند.

 

 

-دسته بندی پلیمر ها بر اسای منشا تولیدشان:

 

پلیمر ها بر اساس منشا تولید به دو دسته طبیعی (گیاهی و حیوانی) و مصنوعی تقسیم می شوند.

پلیمر های طبیعی گیاهی مانند سلولز و حیوانی مانند پروتئین ها

 

 

پلیمر های مصنوعی می توانیم به پلی اتیلن که ساده ترین هیدروکربن است اشاره کنیم.

پلیمر های طبیعی ساختار پیچیده ترین نسبت به مصنوعی دارند.

 

-دسته بندی پلیمر ها از نظر ساخار فضایی(شکل):

 

۱- خطی:  زنجیره کربن گروه اصلی است و بقیه فقط یک ردیف به زنجیره متصل هستند و مونومر ها کاملا پشت سر هم قرار گرفته اند.

اگر ظرفیت مولکول برای ایجاد پیوند ۲ باشد ساختار خطی می شود و واحد های مونومر بصورت خطی به هم متصل می شوتد.

 

۲- شاخه ای: اگر تعدادی از مونومر ها در زنجیره اصلی یک دست سوم آزاد داشته باشند و امکان ایجاد یک پیوند اضافه تر داشته باشند ممکن است یک شاخه در برخی قسمت ها بوجود بیاید و ساختار شاخه ای شود.

در حالت خطی هیچ مزاحمتی بین زنجیره ها نیست و به راحتی می‌توانند زنجیره‌ها روی یکدیگر فیکس بشود پس در نتیجه تراکم بیشتری دارند اما در حالت شاخه شدن تراکم نسبت به خطی کمتر است تراکم روی خواصی مانند استحکام اثر می‌گذرد.

 شاخه های جانبی روی مدول الاستیک، خزش و انعطاف‌پذیری اثر می گذارند. یکی از مهمترین اثرات شاخه های جانبی روی انعطاف پذیری است وقتی به صورت خطی هستند خیلی راحت می توانند روی هم بلغزند در نتیجه انعطاف پذیرتر هستند ولی در حالت شاخه ای در واقع شاخه ها مثل مانع عمل می‌کنند و انعطاف پذیری کاهش می‌یابد.

هرچه پیوند بین شاخه ها بیشتر باشد استحکام بیشتری خواهیم داشت و سختی بیشتری مشاهده می‌شود و شکست آن ها ترد تر می شود و مدول الاستیک افزایش می یابد چون با انرژی پیوند ها مدول الاستیک نیز افزایش پیدا می‌کند‌.

 یکی از عواملی که بر روی شاخه شدن اثر می‌گذارد شرایط تولید است مثلاً جرم تجاری پلی اتیلن حدود سه شاخه جانبی در هر ۱۰۰ اتم کربن زنجیره اصلی دارد با تغییر فرآیند تولید می توان شرایطی را ایجاد کرد که تعداد شاخه های جانبی کمتر از یکی در هر ۱۰۰ اتم کربن زنجیره اصلی شود که اصولاً به عنوان پلی اتیلن خطی شناخته می‌شود.

 

۳- شبکه ای: وقتی شاخه های زنجیره اصلی به هم متصل شود اتصالات عرضی یا شبکه ای شدن اتفاق می افتد .

به ترکیبی از مولکول هایی با ظرفیت بیشتر از ۲ که به صورت شیمیایی با یکدیگر ترکیب شدند و یا به واسطه گروه های جانبی با زنجیره های دیگر واکنش دادند تشکیل یک شبکه سه بعدی می‌دهند مثلاً واحدهای پلیمری سه عاملی قابلیت تشکیل سه پیوند کووالانسی را دارند و در نتیجه تشکیل شبکه سه بعدی می دهند.

 به روش های مختلفی می توان پلیمر شبکه تولید کرد مثلاً ساده ترین راه در مورد پلی اتیلن با تاباندن اشعه گاما به مذاب پلیمر است زنجیره ها به هم متصل می شود به طوری که  یک شبکه مولکولی بزرگ‌می شود.

 شبکه ای شدن مانع جریان یابی در حالت مایع می شود و سبب می‌شود پلیمر خاصیتی شبیه لاستیک داشته باشد.

 

نام گذاری پلیمر ها:

 

نام گذاری پلیمرها معمولاً بر اساس واحد مونومری آن انجام می‌شود به عنوان مثال در پلیمر پلی اتیلن که از مولکول های اتیلن تولید شده است در واقع پلی به اضافه اتیلن تبدیل شده است به پلی اتیلن.

برخی از پلیمر ها با نام های سنتی و یا اسامی تجاری که توسط شرکت های مختلف مشخص شده شناخته می‌شوند مثل نایلون و پلی استر.

 

کاربرد پلیمر ها:

 

۱-کاربرد پلیمرها در صنعت بسته بندی:

 

شاید بتوان گفت یکی از بزرگترین صنایعی که از مواد پلیمری استفاده می کنند و مورد تحول بسیاری قرار گرفته اند، صنعت بسته بندی هستند. بسته بندی یکی از صنایعی است که به طور گسترده در صنایع غذایی و دیگر صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرید. از موارد تبلور بکارگیری مواد پلیمری در صنعت بسته بندی در حوزه‌ی مواد غذایی می توان به جایگزین شدن بطری های پلی اتیلن به جای ظروف فلزی، بسته بندی انواع مواد شیمیایی نظیر اسیدها، سموم و… اشاره کرد. از دیگر موارد مصرف آنها می توان به بسته بندی مواد غذایی اشاره کرد. به طور کلی مصارفی مانند بسته بندی نوشابه، بسته بندی روغن، ساخت انواع بطری ها، ساخت درب‌های پلاستیکی بطری‌ها و… همه و همه از کاربردهای مواد پلیمری در بسته‌بندی است که  این امرعلاوه بر اینکه باعث افزایش چشم گیر بهداشت و کاهش هزینه‌ها شده، همچنین باعث رونق و افزایش مصرف در این صنایع شده است.

 

۲- کاربرد پلیمرها در صنعت کشاوزی:

 

بدون شک یکی از عوامل توسعه کشاورزی، کاربرد روزافزون مواد پلیمری در این صنعت است. یکی مزایای استفاده از محصولات پلیمری در صنایع کشاورزی، بهینه‌سازی مصرف آب است. استفاده از لوله‌ها و فیلم‌های پلی‌اتیلنی انقلابی در این صنعت ایجاد کرده‌است که علاوه بر اینکه توانسته تا حدود زیادی بر هدر رفت آب کمک کند، همچنین بسیاری از مناطقی که کشاورزی در آن رونقی ندارد را توانسته با روش‌های مختلف تبدیل به مکانی برای بهره‌برداری محصولات مختلف کند.

 

۳- کاربرد پلیمرها در صنعت حمل نقل:

 

یکی دیگر از کاربردهای مواد پلیمری که امروزه موردتوجه بسیاری قرار گرفته و همچنان در حال توسعه است، بکارگیری آن‌ها در صنعت حمل و نقل است. استفاده از آن‌ها در صنایع حمل و نقل عمومی، ریلی، هوایی و… بیش از گذشته مورد استفاده است. از جمله دلایل بکارگیری مواد پلیمری در این صنعت این است که این وسایل را مقرون به صرفه‌تر، سبک‌تر، ایمن‌تر و… می‌توان ایجاد کرد.

 

۴- کاربرد پلیمرها در صنعت پزشکی:

 

مزایای استفاده از مواد پلیمری نسبت به سایر مواد شیمیایی در صنعت پزشکی، آنها را به یکی از پراستفاده‌ترین موادها در این صنعت تبدیل کرده‌است. یکی از کاربردهای مواد پلیمری در صنایع پزشکی، استفاده آن‌ها در ساخت انواع تجهیزات پزشکی و بیمارستانی مانند تجهیزات تصویربرداری، تجهیزات انواع اتاق عمل و… است. از کاربردهای دیگر آن استفاده در کاشتنی‌های پزشکی است و همچنین استفاده در ظروف دارویی از جنس مواد پلیمری توانسته است هم تولید این ظروف را نسبت به ظروف پلاستیکی راحت‌تر کند، هم باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی بشود.

 

۵- کاربرد پلیمرها در صنایع الکتریکی و الکترونیک:

 

امروزه کاربردهای لوازم الکترونیکی بیش از هر زمانی با جهش کاربرد و تولید روبرو است و این امر به گونه‌ای است که تقریبا در هیچ جایی نمی‌توان نمونه هایی از آن‌ها را ندید. در خانه‌ها، ادارات، صنایع و…انواع کامپیوترها، تجهیزات کامپیوتری و… به وفور استفاده می‌شوند. در تولید برخی از قطعات این وسایل و تجهیزات از مواد پلیمری استفاده می‌شود که بستگی به نوع آن از پلیمرهای مختلفی استفاده می‌شود.

 

۶- کاربرد پلیمرها در صنعت خودروسازی:

 

امروزه کاربرد مواد پلیمری و پلاستیکی در صنایع خودروسازی آنقدر گسترش یافته که می‌توان گفت بیش از ۵۰ درصد قطعات صنعت خودروسازی از مواد پلیمری ساخته می شود و تحولی عظیم در این صنعت ایجاد کرده است. مزایای استفاده از این مواد به جای قطعات دیگر مواردی همچون پایین آمدن هزینه ها، اتصالات یکپارچه‌تر، مونتاژ آسان‌تر و… را برای این صنعت به ارمغان آورده است. استفاده از مواد پلاستیکی در بسیاری از بخش‌های داخلی مانند کنسول، آینه‌ها، صندلی‌ها و… به منظور افزایش ایمنی، افزایش فضای قابل استفاده و… بیش از گذشته به چشم می‌خورد. همچنین استفاده از آن‌ها در بخش‌های خارجی مانند سپر، بدنه، چراغ ها و… علاوه بر زیبایی، کارایی بهتری را ایجاد کرده‌است. علاوه بر این‌ها، تحقیقات روی ساخت قسمت‌های مختلف خودرو با بکارگیری این مواد با هدف سبک سازی، ایمنی بالاتر، کاهش هزینه‌ها، زیبایی بیشتر و… انجام می‌شود و به عنوان بحث‌های تحقیقاتی روز، مورد پژوهش هزاران محقق است.

 

۷- کاربرد پلیمرها در صنعت ساختمان:

 

یکی دیگر از صنایعی که امروزه بسیار تحت تاثیر گسترش کاربرد پلیمرها قرار گرفته است، صنعت ساختمان است. مزایای بکارگیری این مواد در ساختمان‌ها مضاف بر اینکه زیبایی خاصی را به بخش‌های مختلف آن می‌دهد، همچنین بسیاری از مشکلاتی که مواد سنتی دارند را برطرف کرده است. تقریبا در بیشتر مراحل ساخت ساختمان شما می‌توانید از این مواد استفاده کنید. عایق‌های حرارتی و رطوبتی، لوله‌های پلاستیکی، پنجره‌ها و ده‌ها بخش دیگر از کاربردهای بکارگیری این مواد در صنعت ساختمان هستند.

 

 

۸- کاربرد پلیمرها در صنعت نساجی:

 

صنعت نساجی، که می‌توان گفت یکی از قدیمی‌ترین صنایع است، به تولید الیاف مختلف، تبدیل الیاف به نخ، نخ به پارچه و همچنین بسیاری از موارد دیگر می‌پردازد. استفاده از پلیمرها، تولید الیاف با ویژگی‌هایی مثل مقاومت حرارتی بالا، استحکام بالا و… را در این صنعت میسر ساخته است.

 

۹- کاربرد پلیمرها در صنعت نظامی:

 

فرمولاسیون پیشرفته مواد پلیمری باعث شده‌است بکارگیری آن‌ها در صنایع نظامی نیز گسترش بیابد و مورد توجه محققان و طراحان این حوزه قرار بگیرد. کاربردهای گسترده این مواد مانند ساخت وسایل حمل و نقل نظامی، ساخت تجهیزات نظامی، ساخت ایستگاه های عملیاتی و … به دلایل مقرون به صرفه بودن، ایمنی بسیار بیشتر، سبکتر بودن و… بیش از گذشته گسترش یافته‌است که بکارگیری آن‌ها مانند بسیاری از صنایع دیگر، این صنعت را هم با تحولی شگرف روبرو کرده است.