شاید تا حالا بهش فکر نکرده باشیم ولی اطرافمون از پلیمرهای مختلف پر شده است. اسباببازیها، لباسها، محصولات پلاستیکی، چیزایی که میخوریم و… همهجا پلیمرها هستند. سوال این است که پلیمر چیست؟ آیا مفهوم پلیمر و پلاستیک یکسان است؟ پلیمرها چطور ساخته میشوند؟ به تمامی این سوالات در ادامه این مقاله به زبان ساده پاسخ خواهیم داد (مقاله فعلی در حقیقت ترجمه یک مقاله به زبان انگلیسی است که توسط کارشناسان تحقیق و توسعه آریا پلیمر ترجمه و بررسی شده است. برای مشاهده مقاله اصلی، روی این لینک کلیک کنید).
پلیمر چیست؟
پلیمر (Polymer) مجموعهای از مولکولهایی است که خود از ملکولهای کوچکتری به نام مونومر (Monomer) تشکیل شدهاند. (Poly به معنای زیاد و mer به معنای اجزا است. منومر به معنای یک جز است. پلیمر از به هم پیوستن تعداد زیادی منومر تشکیل شده است) پلیمر را میتوان به تعدادی گیره کاغذ بهم پیوسته تشبیه کرد. از دید شیمی، منومرها به وسیله اشتراک الکترون، با همدیگر پیوند کوالانسی برقرار میکنند تا زنجیره پلیمر را کنار یکدیگر نگه دارند.
پلیمرهای طبیعی و سنتزی
وقتی نام پلیمر به گوش میرسد، اینطور به نظر میآید که مادهای ساختگی توسط انسان در آزمایشگاه یا کارخانه باشد ولی باید بدانیم که بسیاری از پلیمرها به طور طبیعی وجود دارند. به طور مثال نشاسته موجود در ذرت و سیب زمینی، ابریشم، مو، الیاف سلولز، حتی پروتئینی که ما از آن ساخته شدهایم و… پلیمر هستند. جالب است که بدانید حتی DNA هم یک پلیمر و ساخته شده با منومرهایی به نام Nucleotide است!
در حقیقت اولین پلیمرهای سنتزی که ساخته شدند، ورژن اصلاح شده پلیمرهای طبیعی بودند. به طور مثال Celluloid یکی از اولین پلیمرهای ساخته بشر بود که از دستکاری آزمایشگاهی سلولز ایجاد شده بود. یکی از مهمترین کاربردهایی که Celluloid داشت، استفاده به عنوان نوار فیلمبرداری در تهیه فیلمهای صامت قدیمی (مثل فیلمهای چارلی چاپلین) بود.
اولین پلیمر سنتزی در اوایل قرن 18 میلادی ساخته شد. نام این پلیمر Bakelite بود که احتمالا این نام از نام مخترع آن یعنی Leo Baekeland الگوبرداری شده است. این پلیمر با واکنش فنول و فرمالدئید تحت فشار و دمای بالا بدست میآمد. جالب است که بدانید این پلیمر زمانی که مخترع آن به دنبال یافتن یک ماده جایگزین برای Shellac (یک پلیمر طبیعی که از پوست یک نوع سوسک آسیایی بدست میآید) بود، اختراع شد.
در حال حاضر پلیمرهای سنتزی زیادی وجود دارد، از پلیاتیلن (پر کاربردترین و سادهترین پلیمر جهان) تا پلیاستر و… . این پلیمرها تقریبا برای تولید هر محصولی استفاده میشوند. تفاوت در چینش و طول زنجیره پلیمری، باعث ایجاد پلیمرهای متفاوتی با خواص مختلف میشود. در نتیجه پلیمر میتواند براساس خواصی که در تولید یک محصول پلاستیکی مورد نیاز است (خواصی مانند دوام، سختی، انعطافپذیری و…) تولید شود.
تفاوت پلیمر و پلاستیک
اگرچه واژه پلاستیک و پلیمر معمولا به جای همدیگر به کار میروند ولی در مفهوم با هم تفاوت دارند. پلاستیکها یک نوع خاص از پلیمرها هستند. به بیان دقیقتر، پلاستیک نوعی از پلیمر است که خاصیت Plasticity دارد. این جمله به این معنا است که پلاستیکها پلیمرهایی هستند که توسط یک عامل مثل گرما میتوانند شکل داده شوند.
اکثر پلاستیکها از مواد نفتی و پتروشیمی بدست میآیند ولی نه همه آنها! بعضی از آنها از گیاهان یا حتی باکتریها نیز قابل تولید هستند.
به صورت خلاصه میشود گفت که فرایند تبدیل نفت به پلاستیک به این صورت است: ابتدا در پالایشگاه، نفت به ذرات کوچکی به نام hydrocarbon (هیدروکربن در اینجا نقش منومر پلیمر حاصل از نفت را دارد) تجزیه میشود و سپس در پتروشیمی، منومرها تحت یک فرایند به پلیمر پلاستیک تبدیل میشوند. در ادامه، پلیمرها به کارخانههای تولید پلاستیک برده میشوند تا هم افزودنیهایی به آنها اضافه شود و هم به محصول نهایی تبدیل شوند.
نحوه تشکیل پلیمر
فرایند بهم پیوستن مولکولها برای تشکیل زنجیره پلیمری، پلیمریزاسیون (Polymerization) نام دارد. پلیمریزاسیون انواع مختلفی دارد. به طور مثال پلیمریزاسیون افزایشی (Addition Polymerization) یکی از این انواع است که در آن منومرها طبق یک الگو خاص بهم متصل میشوند. در این روش ماده جدیدی تولید نمیشود و فقط پلیمر به وجود میآید. پلیمریزاسیون تراکمی (Condensation Polymerization) نوع دیگری از پلیمریزاسیون میباشد که در این روش هر منومری که به زنجیره پلیمری اضافه میشود، یک مولکول کوچک (مثل مولکول آب) نیز به وجود میآید که محصول جانبی پلیمریزاسیون میباشد. نایلون، پلیاستر، پلییورتان و … پلیمرهایی هستند که به روش تراکمی تولید میشوند.
اجازه بدهید تشکیل پلیاتیلن (Polyethylene) را مورد بررسی قرار دهیم. این پلیمر سادهترین پلیمر موجود در جهان است که دو اتم کربن و دو هیدروژن در یک منومر (به منومر پلیاتیلن، اتیلن – Ethylene گویند) تشکیل شده است. پلیاتیلن زمانی تشکیل میشود که هزاران اتیلن به هم متصل میشوند. پروسه تولید پلیاتیلن با حرارت دادن هیدروژن پراکسید (Hydrogen Peroxide) شروع میشود:
مولکول هیدروژن پراکسید با دریافت حرارت به دو قسمت شکافته میشود و در نتیجه یک رادیکال آزاد ایجاد میکند. رادیکال آزاد مولکولی است که یک الکترون جفت نشده (آماده پیوند) دارد. از منظر علم شیمی، وقتی یک مولکول یک الکترون آزاد دارد، این مولکول کاملا ناپایدار است و آماده پیوند میباشد:
از طرف دیگر ما مولکول اتیلن را داریم:
در هنگام فرایند، رادیکال آزاد که به دنبال پیوند با یک مولکول دیگر میگردد، پیوند دوگانه بین دو اتم کربن موجود در اتیلن را هدف قرار میدهد و با آن جفت میشود:
در این مرحله یکی از کربنهای اتیلن که پیوند دوگانه خودش را با کربن قبلی از دست داده، باعث میشود کل ساختار تبدیل به یک مولکول رادیکال آزاد شود:
این مولکول با یک مولکول اتیلن دیگر پیوند برقرار کرده و به همین ترتیب زنجیره پلیمری تشکیل میشود:
این زنجیر آنقدر جلو میرود تا یک رایکال آزاد پلیاتیلن به یک رادیکال آزاد حاصل از هیدروژن پراکساید برخورد کند و زنجیره بسته شود:
پلیمرهای متفاوت برای کاربردهای متفاوت
نحوه چیدمان ملکولهای یک پلیمر، باعث ایجاد خواص متفاوت در هر پلیمر میشود. به طور مثال در پلیاتیلن، نحوه قرارگیری زنجیرهها را میتوان به یک بشقاب ماکارونی تشبیه کرد. این زنجیرهها با دریافت حرارت، به راحتی در کنار هم به حرکت در میآیند و این باعث میشود پلیاتیلن دارای انعطافپذیری باشد. به عبارت دیگر وقتی به زنجیره پلیمر حرارت میدهیم، پلیمر به شکلی که نیاز داریم درمیآید و زمانی هم که پلیمر سرد میشود، مولکولها دوباره به حالت ماکارونی درمیآیند. این خاصیت باعث میشود که پلیاتیلن را بتوان بارها ذوب و به آن قالب داد. به این نوع پلیمرها Thermoplastic گویند. مثالهای دیگر از این نوع پلیمر، پلیپروپیلن (Polypropylene) و پلیاستایرن (Polystyrene) است.
در مقابل پلیمرهای ترموپلاستیک، پلیمرهای Thermosetting قرار دارند. این نوع پلیمرها، در هنگام حرارتدهی نرم نمیشوند و یکبار که به آنها قالب داده شود، دیگر تغییر شکل نخواهند داد. دلیل این موضوع این است که ملکولهای این نوع پلیمرها به شکل شبکهای و متصل بهم هستند و همین باعث سختی آنها میشود. چسبها و قطعات الکتریکی مثالهایی از این نوع پلیمر هستند.
فاکتور تعیینکننده بعدی در خواص پلیمر، طول زنجیره است. به صورت خلاصه طول زنجیره بلندتر، باعث سختی و قدرت بیشتر پلیمر میشود. دلیل این موضوع این است که هر چه طول زنجیره بیشتر باشد، نیروی کششی بین زنجیرها بیشتر است و در نتیجه مقاومت پلیمر هم بالاتر میرود.
افزودنی پلیمری
اشاره کردیم که وقتی پلیمر به کارخانه تولید پلاستیک میرود با افزودنیهایی ترکیب شده و سپس به محصول نهایی تبدیل میشود، به این مواد، افزودنی پلیمری گویند. به طور مثل فرض کنید قرار است یک صندلی پلاستیکی تولید شود. این صندلی لازم است که در برابر فشار مقاومت کافی داشته باشد تا در هنگام نشستن روی آن نشکند! اگر صندلی صرفا با استفاده از پلیمر تنها تولید شود، مقاومت لازم را نخواهد داشت، برای همین هنگام تولید آن، به پلیمر مادهای به نام ایمپکت مدیفایر (Impact Modifier) اضافه میشود تا مقاومت به ضربه پلیمر را افزایش دهد. این ماده یک افزودنی پلیمری محسوب میشود.
هر افزودنی برای ایجاد یک یا چند خاصیت در محصول نهایی به پلیمر پایه محصولات پلاستیکی اضافه میشود. از خواصی مانند افزایش مقاومت به ضربه و حفاظت در مقابل اشعه یووی گرفته یا حتی رنگدهی به محصولات. به عنوان مثال مستربچ مشکی افزودنیای است که به محصول رنگ مشکی میدهد.
آریا پلیمر تولیدکننده انواع افزودنیهای پلیمری است، شما میتوانید با بازدید از صفحه محصولات ما، لیست افزودنیهای آریا پلیمر را مشاهده کنید. همچنین برای آشنایی بیشتر با آریا پلیمر از صفحه لینکدین ما بازدید فرمایید.
