پلیمر و مونومر

شرحی کامل از پلیمر، مونومر و الیگومر ها

مقدمه

پلیمر مولکولی است با وزن مولکولی بالا و ساختار ان متشکل از چندین واحد تکراری  از مولکولهایی است که به صورت حقیقی و یا مفهومی دارای وزن کمی میباشند. پلیمرها انواع متفاوتی را شامل میشوند از پلیمرهای ترکیبی تا انواع طبیعی مانند DNA و پروتئین ها. الیگومر نیز به مولکولی گفته میشود که دارای واحدهای مونومری کمتری است. ماکرومولکول و یا مولکولهای غول پیکر به انواعی از مولکولهای تکی می گویند که وزن بالایی دارند و پلیمر نیز ماده ای است که از همین مولکولهای غول پیکر تشکیل شده است.

توصیفات اولیه

مواد پلیمری از زمانهای خیلی دور، به عنوان  یکی از اجزای اصلی در گیاهان و حیوانات وجود داشتند. انسانها از سالها قبل، از این مواد پلیمری طبیعی برای غذا، پوشاک و خانه های خود استفاده  میکردند وپس از ان نیز پلیمرهای ترکیبی مانند سلولوئید، باکلین، رایون و لاستیک را بوجود اوردند. اما ما تا قبل از اغاز این قرن، هنوز اطلاعاتی در خصوص ماهیت  واقعی پلیمرها نداشتیم. در سال 1920 فردی با نام Staudinger   یک تئوری پیشرو در حوزه پلیمر پیشنهاد کرد که بر طبق ان پلیمرها از مولکولهای خطی و یا باریکی تشکیل شده اند و دارای  وزن بالایی میباشند و وزن کم هر کدام از زیر واحدها با یکدیگر جمع نمیشوند. بنابراین شیمی پایه ی پلیمری مانند مطالعه ی بسپارش رادیکال و ترکیب نایلون در سال 1940 پایه ریزی شد. کشفیات مهمی مانند شیمی فیزیکی پلیمر توسط Flory, Ziegler-Natta و بسپارش زنده توسط Szwarc باعث پیشرفت و بهبود وضعیت علم و صنعت پلیمر شدند. پلیمرها به عنوان پلاستیک و الاستومر ها، فیلمها، فیبر در حوزه های متفاوتی مانند لباس، تایر خودرو، دیسک های فشرده، مواد بسته بندی و پروتز  به کار برده میشوند. علاوه بر ان این مواد کاربردهای مهمی در حوزه ی دستگاه های بصری مجهز به نورافشانی الکتریکی و مواد پزشکی مانند ارگانهای داخلی مصنوعی دارند. رشد سریع در مصرف مواد پلیمری در 70 سال گذشته ممکن است با عواملی همانند سادگی در اماده سازی، طبیعت سبک وزن وسادگی منحصر بفرد در تولید مرتبط باشد. سادگی در اماده سازی مواد پلیمری ناشی از به کار گیری واکنش های تثبیت شده شیمی آلی است.

مونومر چیست؟

یک پلیمر از بسپارش یا پلیمریزاسیون مونومرها به حالتی منظم و مکرر بوجود میاید. مونومر مولکولی کوچک است که میتواند بسپارش شود و به موجب ان مشارکتی را بین واحدهای فرعی با ساختار اصلی مولکولهای غول پیکر بوجود میاورد. بنابراین نامگذاری پلیمر ناشی از بقایای نوعی مونومر است که پلیمر را می سازد. به عنوان مثال، پلی استرین و پلی اتیلن اکسید با بسپارش استرین و اتیلن اکسید بوجود می ایند. همچنین پلیمرهایی که  در زنجیره خود دارای  یک نوع مونومر مکرر میباشند، جوربسپار نامیده میشوند ولی پلیمرهایی متشکل از واحدهای مونومری ترکیبی ، کوپلیمر و یا هم بسپار نام دارند.

این امکان وجود دارد که از سه نوع متفاوت از مونومر ها با نامهای مونومرهای دو وظیفه ای، مونومرهای اشباع نشده و انواع حلقه های سایکلیک برای بسپارش استفاده نمود. مونومرهای دو وظیفه ای مانند دیامین ها و دیول ها توسط بسپارش تراکمی و بسپارش افزایشی انجام میگیرند که شامل تشخیص گروه وظیفه ای شیمیایی مولکول آلی می شود. مونومرهای اشباع نشده همانند ونیل ها،دین ها و استیلن ها برای بسپارش افزایشی گزینه مناسبی هستند. در این نوع از بسپارش، دو پیوند تکی کربن-کربن به جای پیوندهای کربنی اشباع نشده ی پیشین بوجود می ایند. حلقه های سایکلیک یا دوری مانند اتیلن اکسید و پروپیلن اکسید  نیز برای بسپارش حلقه گشایی استفاده میشوند. در دو مونومر اخری، نمونه های  مداخله گر با واکنش پذیری بالا مانند رادیکال ازاد، کربانیون و کربوکاتیون وجود دارند که که زیر مجموعه ی مونومرها نبوده  و توسط پایانه های انتشاری پلیمرها تولید میشوند. در جهت عکس، گروه نهایی حاصل از بسپارش تراکمی و بسپارش افزایشی  در پلیمرها و مونومرها با هم یکسان است.

پلیمر و ماکرومولکولها

معمولا دو واژه ی پلیمر و ماکرومولکول با معنی یکسانی استفاده میشوند. اما باید به این موضوع توجه کنیم که عبارت پلیمر خود به تنهایی کمی مبهم است زیرا هم به مولکولهای پلیمری و هم به مواد پلیمری اشاره میکند. ماکرومولکول و یا مولکولهای غول پیکر به انواعی گفته میشود که وزن بالایی دارند و پلیمرها نیز از همین مولکولهای غول پیکر ساخته شده اند. مولکول پلیمر هم میتواند برای مولکولهایی استفاده شود که ساختار انها از چندین واحد مکرر مونومری بوجود امده است. وزن بالای مولکولی این اجزای کوچک خود مولد ویژگی های فیزیکی منحصر بفردی است مانند نرمی (قابلیت ارتجاعی لاستیک) در الاستومر ها و رفتار شبه شیشه (ساختار شبه مایع در وضعیت جامد) در پلاستیک ها .

بیشتر ویژگی های فیزیکی پلیمرها بر وزن مولکولی انها وابسته است. تعدادی از پلیمرها ترکیبی قادرند تا کریستالین را تشکیل دهند و توانایی پلیمر در ایجاد شفافیت ارتباط نزدیکی با نظم فضایی انها دارد. به عنوان مثال پلی استرین فاقد چنین نظمی است و به دلیل ساختار های زنجیره ای طولانی اش گزینه ای نامطلوب به شمار می اید. میزان این شفافیت بین  10 تا 80 درصد متغیر است. اگرچه انواع شفاف پلیمر ها با نام نیمه شفاف شناخته میشوند.

دمای گذار شیشه یکی از مهم ترین ویژگی هایی است که در حوزه ی پلیمرهای بی نظم و بی شکل و یا فاز بی نظم  پلیمرهای نیمه شفاف  مطرح میشود. در این پلیمرها، فاز بی نظم تغییری از مایعات لاستیکی و یا چسبناک به مواد جامد شیشه ای را در هنگام کاهش دما تجربه میکند. دمای تغییر شکل پلیمر به وزن مولکولی ان وابسته است زیرا پایانه های زنجیری  تحرک بیشتری دارند. این موضوع به طور ویژه ای برای برای بخش هایی با وزن مولکولی پایین صدق میکند (وقتی که این وزن کمتر از 10⁴ باشد) و دمای تغییر شکل هم با وزن مولکولی رابطه مستقیم دارد. اما در صورتی که این وزن بالا باشد، دو مورد یاد شده با هم نسبت عکس داشته و در واقع دمای گذار از وزن مولکولی تاثیری نمی پذیرد.

این امکان برای زنجیره های بلند پلیمری وجود دارد که در هم تنیده شوند . در هم تنیدگی و یا پیچیدگی مفهومی مهم در حوزه ی علم پلیمر است که به کمک ان به خوبی میتوان ویژگی های مکانیکی پلیمر را تشخیص داد. به عنوان مثال وابستگی وزن مولکولی به حالت چسبندگی مایعات پلیمری بر شدت در هم تنیدگی وابسته است و این مقدار میتواند از وضعیت کاملا در هم رفته یا در هم تنیده تا حالت کاملا باز متفاوت باشد. این موضوع ناشی از ان است که پدیده در هم تنیدگی به طور خاصی دایره حرکت زنجیره پلیمری را  با توجه به طول ان محدود میکند و سرعت جریانها را کاهش میدهد. این ویژگی  در استحکام حالت شیشه نیز موثر است. پلیمرهایی با وزن پایین مولکولی که عاری از هر گونه در هم تنیدگی هستند، در وضعیت شیشه ای اسیب پذیری زیادی خواهند داشت.

الیگومر چیست؟

همانطور که قبلا نیز اشاره شد، پلیمر به موادی گفته میشود که دارای وزن مولکولی بالایی هستند- به طور معمول بیش از ده هزار. این موضوع بدین دلیل است که پلیمرهایی با وزن بالای مولکولی (بیش از ده هزار) ویژگیهای شبه پلیمری را از خود نشان میدهند مانند تشکیل فیلم و فیبر. افزودن یا حذف یکی یا چند عدد  از این واحدها ممکن است اثاری ناچیز بر این ویژگی ها داشته باشد. از سوی دیگر، ماده ای که دارای ساختاری منظم و مکرر است ولی وزن میانگین مولکولی کمی دارد، معمولا الیگومر نامیده میشود. علاوه بر ان الیگومر نوعی مولکول است که از تعداد کمی از واحدهای مونومری تشکیل شده است. دایمرها، تریمرها، تترامرها، همگی الیگومرهایی هستند که به ترتیب از دو، سه و چهار مونومر تشکیل شده اند. وزن مولکولی الیگومرها مقداری متوسط است واین موضوع در صورتی صدق میکند که ویژگی های ان با افزودن و یا حذف یک یا چند عدد از مونومرها ،به مقدار قابل توجهی تغییر نماید. اگرچه جرم مولکولی الیگومر به طور کلی چندین هزار و یا کمتر در نظر گرفته میشود، مرز بین الیگومر و پلیمر هنوز نامشخص و مبهم است.

ویژگی های مولکولهای پلیمری

مولکولهای پلیمرهای ترکیبی، در واقع مخلوطی از اجزایی هستند  که دارای واحدهای ساختاری یکسان میباشند ولی وزن مولکولی متمایزی دارند. اگرچه به عنوان مثال پلی اتیلن، دارای ساختار واحد مکرر است. معمولا توزیع وزن مولکولی مقداری میانگین دارد.

مولکولهای پلیمرهای ترکیبی نیز دارای ترکیبی از ساختارهای خطی و شاخه ای هستند. این موضوع شهرت زیادی دارد که ویژگی های مکانیکی پلی اتیلن بر موارد متفاوتی وابسته است مانند گستردگی و نوع شاخه های ان. پلی اتیلن هایی که وزن مولکولی پایینی دارند، با بسپارش رادیکال ازاد بوجود می ایند و و دارای شاخه پذیری زیادی در زنجیره های بلند و کوتاه خود هستند. این بدین معناست که زنجیره ها همگی در ساختاری شفاف قرار نمی گیرند. انواعی از پلی اتیلن ها که چگالی بالایی دارند، با کاتالیزورهای کرومیوم/سیلیکا، متالوسن یا  Ziegler- Natta تولید میشوند و دارای حالت شاخه ای کمی می باشند و به همین دلیل فشار بین مولکولی بیشتر و استحکام زیادی در برابر کشش دارند.

ساختار گروه های نهایی زنجیره های پلیمری معمولا مشخص نمیباشد زیرا انها اثر ناچیزی بر ویزگی ها ی تعیین کننده پلیمری دارند و ناشناس باقی می مانند. در صورتی خلاف این موضوع اثبات میشود که انواع خاصی از مولکولهای غول پیکر مانند پلیمرهایی با شاخه های زیاد وجود داشته باشند که در این صورت ویژگی های ماده به میزان زیادی از گروه های نهایی اثر می پذیرند. میتوان با پیشرفتهای اخیر در حوزه ی شیمی بسپارش، به توصیفی نوین  در خصوص گروه های وظیفه ای متفاوت در پایانه های  α- و ωمولکول پلیمر دست یافت.