مهم ترین پلیمر های صنعتی کدامند؟
مهم ترین پلیمرهایی صنعتی همان ترکیبات شیمیایی هستند که برای تولید مواد ترکیبی استفاده میشوند. برای تولید تجاری پلاستیکها، الاستومرها، فیبر های ساخته شده توسط انسان، چسب و پوشش های سطحی از انواع متفاوتی از پلیمرها استفاده میشود.
این ترکیبات را با روش های متفاوتی میتوان طبقه بندی کرد ولی در این مقاله ترکیبات یاد شده با توجه به نوع شکل گیری (زنجیری یا مرحله ای) دسته بندی میشوند. در مجموعه ی پلاستیکها هم (ترموست و ترموپلاستیک) پلیمر ها به دو دسته ی تقسیم میشوند . نوع اول ترموپلاستیک است که در حلالهای انتخابی حل میشوند و میتوان مجددا انها را با حرارت نرم کرد. نوع دوم نیز شبکه های سه بعدی را تشکیل میدهند که محلول نیستند و و بدون تجزیه نمیتوان شکل انها را تغییر داد و به انها ترموست گفته میشود.
در این مقاله انواع پلیمرهایی که به صورت صنعتی به کار برده میشوند، با توجه به ترکیب پیکره اصلی (زنجیره ای از واحدهای تکراری متصل به هم که مولکولهای غول پیکر را می سازد) دسته بندی میشوند.
اگر پلیمرهای صنعتی را با توجه به ترکیبات انها دسته بندی کنیم، در دسته ی پلیمرهای زنجیره کربنی (ونیل ها) و پلیمر با زنجیره های نا مشابه (غیر ونیلی یا زنجیره های غیر کربنی) دسته بندی میشوند. در پلیمرهای زنجیره کربنی، پیکره اصلی از پیوند بین اتمهای کربن تشکیل میشود ولی در پلیمرهایی که زنجیره های نامشابهی دارند، تعدادی از سایر عناصر به یکدیگر متصل شده اند مانند اکسیژن، نیتروژن، سولفور و سیلیکون.
پلیمرهای دارای زنجیره کربنی
1. پلی الفین و سایر پلیمرهای مرتبط : مهم ترین پلیمر صنعتی که تا به امروز مورد استفاده قرار گرفته است، الفین های بسپارش شده میباشد. الفینها نوعی هیدروکربن هستند که در اتم آن یک جفت کربن با پیوند های دو تایی به هم متصل شده اند. این مواد در اغلب حالات از گازهای طبیعی و یا ذرات کم وزن نفت گرفته میشوند مانند اتیلن، پروپیلن و بوتن یا بوتیلن.
2. پلی اتیلن یا PE: اتیلن که به طور معمول از ترک برداری گاز اتان بدست می اید، پایه ی یک گروه بزرگ از پلاستیکها را تشکیل میدهد که به آن پلی اتیلن می گویند. ترکیب شیمایی مونومر اتیلن CH2=CH2 میباشد. ساختار ساده این ماده میتواند به صورت خطی یا شاخه دار شکل گیرد. انواع شاخه دار با نام پلی اتیلن های کم چگالی یا پلی اتیلن های کم چگالی باریک شناخته میشوند. انواع خطی نیز پلی اتیلنهای با چگالی بالا یا پلی اتیلنهای سنگین وزن نامیده میشوند. در سال 1899 یک شیمی دان المانی به نام Hans von Pechmann شاهد شکل گیری رسوب سفیدی در طی تجزیه خودکار دیازومتان در اتر بود. در سال 1900 این ماده با نام پلی اتیلن شناخته شد. در سال 1953، شیمی دان های بریتانیایی در حال انجام واکنش بین اتیلن و بنزالدهید در فشار بالا به پلی اتیلن چسبناک دست یافتند. از انجایی که مصارف این ماده در ان زمان کم بود، توسعه ان هم به کندی سرعت می گرفت. در نتیجه اولین پلی اتیلن صنعتی (در واقع یک پلی اتیلن کم چگالی با شاخه های نامنظم) تا سال 1939 تولید نشد. پلی اتیلن های کم چگالی از اتیلن گازی ودر معرض فشار خیلی بالا ( تا 350مگا پاسکال یا 50 هزار پوند بر اینچ مربع) و دمای بالا(تا 350 درجه سانتی گراد و یا 660 درجه فارنهایت) در حضور اغازگر های پراکسیدی تولید میشوند.در این فرایند پلیمری با زنجیره های کوتاه و بلند ساخته میشود. در نتیجه این ماده حالتی نیمه بلورین داشته و دارای انعطاف زیاد میباشد. پلی اتیلنهای کم چگالی خطی مشابه مورد قبل میباشند و با هم بسپارش اتیلن و 1- بوتان و مقادیر کمتری از 1-هگزان و 1-اکتین ساخته میشوند و در طی مراحل ان کاتالیزورهای متالوسن یا Ziegler-Natta هم وجود دارند. ساختار نهایی دارای پیکره ای خطی بوده ولی شاخه های ان کوتاه و منسجم هستند و همین شاخه ها، همانند شاخه های بلند تر پلیمر کم چگالی باریک مانع از ان میشوند که زنجیره پلیمری خیلی بهم فشرده شود. مزیت اصلی پلیمرهای کم چگالی باریک این است که شرایط بسپارشی انها دارای انرژی کمتری است و خواص پلیمر را میتوان با استفاده از تغییر نوع و مقدار هم بسپارها دگرگون کرد. پلیمرهای کم چگالی باریک و انواع کم چگالی دارای خواص مشابهی بوده و در بازار با هم رقابت دارند. پلی اتیلنهایی که چگالی بالایی دارند، در دما و فشار پایین و با استفاده از کاتالیزورهای Ziegler-Natta، متالوسن و اکسید کرومیوم فعال (یا کاتالیزور فیلیپ) تولید میشوند. کمبود شاخه ها باعث میشود تا زنجیره پلیمری به هم فشرده شود و در نهایت ماده ای سخت و بسیار بلورین با استحکام بالا تولید شود. پلی اتیلنهای سنگین وزن نیز دارای وزن مولکولی 3 تا 6 میلیون واحد اتمی هستند و این در حالی است که مقدار یاد شده برای انواعی با چگالی بالا، 500 هزار واحد اتمی میباشد. میتوان این مواد را به فیبر تبدیل کرد و یا کشید و حالتی بسیار بلورین به انها بخشید. در نهایت ماده ای بسیار سخت با مقاومت کششی بالا تولید خواهد شد.
3. پلی پروپیلن یا PP: این رزین ترموپلاستیک بسیار بلورین از بسپارش زنجیره ای پروپیلن ساخته میشود (نوعی ترکیب گازی که از ترک برداری گرمایی متان، پروپان، بوتان و سایر مواد بوجود می اید.) این ماده خواصی مشابه پلی اتیلن دارد ولی محکم تر بوده، دمای ذوب ان بالاتر است و همچنین حساسیت ان در برابر اکسیداسیون بالاتر میباشد. حجم بالایی از پلی پروپیلن به فیبر تبدیل میشود که خود یکی از بخش های اصلی تشکیل دهنده لوزم خانگی است. ماده یاد شد مصارف صنعتی متفاوتی دارد که از ان جمله میتوان به این موارد اشاره کرد: طناب، پارچه های بافته نشده یکبار مصرف برای پوشک و محصولات پزشکی. اگرچه از انجایی که پلی پروپیلن رطوبت خیلی کمی را به خود جذب میکند و به راحتی رنگ نمی‌گیرد ودر دمای پایین حالتی نرم پیدا میکند، یک فیبر پارچه ای مهم به حساب نمی اید. این ماده به عنوان یک پلاستیک، با روش روزن رانی بادی به ظروف غذا، شامپو وبسته بندی های سایر مایعات خانگی تبدیل میشود. با روش روزان رانی نیز این ماده را به وسایل خانگی، اسباب بازی، محل قرار گیری باطری خودرو و وسایل خارج از خانه تبدیل میکنند. زمانی که بخشی کوچک از این ماده به طور مکرر خم شود، نوعی ساختار مولکولی ایجاد میشود که قادر به تحمل انحنای خیلی بیشتری است بدون انکه این استقامت را از دست بدهد. پلی پروپیلن همانند سایر انواع ترموپلاستیکها میتواند ذوب شود و به قرص های پلاستیکی تبدیل شود که پس از ان برای تولید محصولات متفاوت استفاده میشوند. در واقع، بطری های ساخته شده از این ماده و ظروف مواد غذایی از مناطق مختلف جمع اوری میشوند. در حقیقت بازیافت ماده یاد شده باعث میشود تا ظروف مواد غذایی، صافی، صفحه های ویژه خرد کردن، قالیچه های خارج خانه (داخل حیاط یا پشت در)، بخش های داخل خودرو وبسیاری از موارد دیگر مجددا تولید شوند.
4. پلی استرین یا PS: این رزین ترموپلاستیک سخت و نسبتا شکننده، از بسپارش استرین بدست می اید. استرین که با نام فنیل اتیلن نیز شناخته میشود، ازواکنش بین اتیلن و بنزین در حضور آلومینیوم کلراید بدست می آید. در نهایت اتیل بنزین تولید میشود که خود هیدروژنه شده و استرین مایع را تولید میکند. مونومر استرین با استفاده از آغازگرهای رادیکال های ازاد در فرایند های حجمی و معلق بسپارش میشود. اگرچه از متدهای محلول و امولوسیون هم استفاده میشود. حضور گروه های فنیل نقش مهمی در تعیین خواص پلی استرین دارد. این گروه های بزرگ و حلقه ای شکل از به هم فشردگی زنجیره پلیمری و ایجاد حالت بلورین جلوگیری میکنند. علاوه بر ان، حلقه های فنیل چرخش زنجیره به دور پیوندهای کربن- کربن را محدود میکنند و به پلیمر استحکام می بخشند. بسپارش استرین از سال 1839 شناخته شده بود یعنی زمانی که داروساز المانی با نام Eduard Simon گزارش کرد که این ماده را به استیرول جامد تبدیل کرده است و بعدها ان را متااستیرول نامید. در اواخر دهه 30، مصارف تجاری کمی برای این پلیمر یافت شد که ناشی از شکنندگی و ترک برداری لحظگی ان بود. این موضوع نیز به دلیل ناخالصی هایی بود که در پیوندهای عرضی این ماده وجود دارد. در سال 1937، Robert Dreisbach و سایرین در ازمایشگاه کمپانی شیمیایی Dow، مونومر را خالص کردند و برنامه ای مشخص برای پلیمر تعریف کردند که در نهایت منجر به تولید این ماده به صورت تجاری در سال 1938 شد. پلی استرین های فومی برای عایق سازی، بسته بندی و تولید ظروف مواد غذایی استفاده میشوند مانند فنجان های نوشیدنی ها، کارتونهای تخم مرغ و بشقابها و جعبه های یک بار مصرف. محصولات پلیمرهای جامد عبارتند از: لوازم غذاخوری که با روزن رانی تزریقی بدست می ایند، محفظه های نگه دارنده ی کاست های صوتی، بسته بندی دیسک های فشرده. تعداد زیادی از مواد غذایی در جعبه های شفاف پلی استرینی نگه داشته میشوند زیرا نفوذ پذیری گاز در انها بالا بوده و بخار اب ماده هم به خوبی انتقال می یابد. بیش از نیمی از محصولات پلی استرینی با 5 تا 10درصد پلی بوتادین ترکیب شده اند تا شکنندگی را کاهش دهند و استحکام ماده در برابر ضربه را افزایش دهند. این ترکیب با نام پلی استرین های مقاوم در برابر ضربه شناخته میشود.
