پلی آستیلن به چه موادی گفته می شود و چه خواصی دارد؟
پلی آستیلن که با نام پلی اتین نیز شناخته می شود نوعی پلیمر ارگانیک است که دارای واحدهای تکراری می باشد. این ماده از بسپارش استیلن به وجود آمده و باعث تولید زنجیره های گروه های الفین تکراری میشود. پلیمرهای یاد شده دارای اهمیت بسیاری است زیرا کشف آن و همچنین رسانایی بالای این ماده در پی ناخالص سازی باعث شده است که فیلدی با نام پلیمرهای رسانا و ارگانیک به وجود آید. رسانایی بالای الکتریکی ان باعث شد تا به کار گیری ترکیبات ارگانیک در نیمه رسانا های ارگانیک افزایش پیدا کند و در واقع این اقدام طرفداران بیشتری یافت. کشف این ماده و در واقع پلیمرهای رسانا منجر به اهدای جایزه نوبل در شیمی در سال ۲۰۱۰ به دانشمندان این حوزه شد. اقدامات اولیه که در خصوص این پلیمر صورت گرفت با هدف استفاده از پلیمرهای ناخالص شده به عنوان فلز های پلاستیکی سبک و قابل فراوری بود. اگرچه پلیمرها یاد شده یکی از مهم‌ترین انواع موجود در بین پلیمرهای رسانا می باشد ولی تعداد زیادی از خواص آن مانند ناپایداری در برابر هوا و دشواری در فراوری باعث شده‌اند تا نتوان از آن در تولید محصولات تجاری استفاده کرد. ترکیبات پلی آستیلن در طبیعت نیز یافت می شوند ولی در این صورت با نام polyynes شناخته میشوند. این ترکیبات بیشتر حاوی گروه های آستیلن می باشند تا گروه های الفین.
پلی آستیلن از چگونه ساختاری برخوردار است؟
این ماده از زنجیره ای بلند از اتمهای کربن تشکیل شده است که در بین آنها پیوند های تکی و دودویی به صورت یکی در میان قرار می‌گیرند و همچنین هر کدام از آنها دارای یک اتم هیدروژن می باشد. پیوند های دوتایی می توانند دارای شکل گیری یک طرفه و یا ترانس باشند. میتوان ترکیب کنترلی هر یک از آنها را با استفاده از ایجاد تغییراتی در دمای اعمال شده در واکنش بوجود اورد. ایزومر های یک طرفه در مقایسه با ایزومرهای ترانس دارای پایداری ترمودینامیکی کمتری می باشند. اگرچه پیکره اصلی پلی‌استیلن از طبیعت تزویجی برخوردار است ولی تمام پیوند های کربن-کربن در این ماده با یکدیگر مساوی نیستند و در آن انواع تکی و یا دو تایی هم وجود دارند. هر یک از اتم های هیدروژن می توانند توسط گروه‌های وظیفه ای جایگزین شوند. پلی آستیلنهای جایگزین شده نسبت به پلیمر های اشباع شده دارای سختی بیشتری می باشند. علاوه بر آن قرارگیری گروه‌های وظیفه ای متفاوت به عنوان جایگزین در پیکره اصلی پلیمر باعث ایجاد نوعی شکل بندی پیچیده در زنجیره پلیمری خواهد شد و حالت تزویجی یاد شده را از بین میبرد.
تاریخچه پلی‌آستیلن
بنا بر گزارشات موجود، کوپرین یکی از اولین پلیمرهای استیلن است. از آنجایی که پیوند های عرضی بسیاری در ساختار این ماده وجود دارند، مطالعات بیشتری در خصوص آن انجام نگرفته است. پلیمر های پلی آستیلن خطی اولین بار توسط گیولیون ناتا و در سال ۱۹۵۸ تولید شدند و در نهایت پلیمر به وجود آمده حالت خطی داشته و سنگین وزن بود. حالت نیمه بلورین و ساختار منظم همگی از خواص این ماده می باشد. مطالعاتی که بر پایه انکسار اشعه ایکس صورت گرفتند، نشان می دهند که ماده نهایی از نوع ترانس می باشد. پس از ترکیبات اولیه انجام شده، تعدادی از شیمیدان ها علاقه بیشتری به این پلیمر پیدا کردند زیرا محصولی که ناتو ساخته بود نوعی پودر سیاه غیر قابل انحلال و مقاوم در برابر هوا بود که که قابلیت ذوب شدن ندارد. گام مهم بعدی که در جهت توسعه این ماده برداشته شد توسط گروه شیراکاوا صورت گرفت که توانستند فیلم های نقره ای مانند از پلی آستیلن را تولید نمایند. در همین حال عده دیگری در حال انجام مطالعاتی به روی خواص فلزی یک پلیمر با نام polythiazyl بودند که مشابه ماده یاد شده است ولی حالت غیر ارگانیک دارد. تا اوایل دهه ۷۰ مشخص شد که این پلیمر دارای خواص رسانایی خیلی بالا در دمای پایین می باشد. ناخالص سازی پلیمر یاد شده به کمک ید باعث شد تا رسانایی این ماده به مقدار خیلی زیادی افزایش پیدا کند و همچنین نتایج مشابه با استفاده از کلر و برم برای این ماده مشاهده شد. این مواد دارای رسانایی بالایی در گستره بزرگی از دماهای متفاوت در اتاق می باشند و این گزارش نقش کلیدی در بهبود توسعه پلیمرهای رسانای ارگانیک داشته است. مطالعات بعدی در خصوص کنترل بهتر نسبت ایزومر های ترانس بر یکطرفه صورت گرفت و نتایج به دست آمده نشان می دهند که نا خالص سازی پلی استیلن یک طرفه باعث افزایش رسانایی این ماده خواهد شد و این مقدار بالاتر از نوع دوم این ماده یعنی نوع ترانس می باشد. علاوه بر آن نیز مشخص شد که اعمال گرما به کاتالیزگر کاربردی در بسپارش منجر به تولید فیلم‌هایی میشود که دارای رسانایی بالاتری هستند.
ترکیب پلی آستیلن چگونه صورت میگیرد ؟
از روش های متفاوتی به منظور سنتز و یا ترکیب این نوع پلیمر استفاده شده است که شامل استیلن خالص و یا سایر مونومرها می شود.
یکی از کاربردی ترین روشهای موجود استفاده از کاتالیزگر زیگلر ناتا با استیلن گازی است. روش یاد شده با ایجاد تفاوت هایی در دما و محتوای کاتالیزوری باعث می شود تا کنترل بیشتری بر روی ساختار و خواص پلیمر آنها وجود داشته باشد. بنابر مطالعات مکانیکی این نوع از بسپارش شامل قرار گیری فلز در پیوند سه تایی مونومر میشود.
شیراکاوا و همکارانش توانستند با ایجاد تغییراتی در دستگاه و بارگذاری کاتالیزی، به جای پودر های سیاه غیر قابل انحلال نوعی از فیلم های نازک را از این پلیمر بسازند. این فیلم ها با پوشش دهی دیواره های ظرف واکنشی در شرایطی ساکن با یک محلول از کاتالیزور زیگلر ناتا و استفاده از آستیلن گازی تولید شدند. روش یاد شده باعث تولید ناگهانی یک فیلم میشود. پلیمر نام برده شده را میتوان با سایر روش ها مانند بسپارش تابشی آستیلن نیز تولید کرد. تخلیه تابشی, تابش اشعه فرابنفش و تابش گاما هم همگی در همین دسته قرار می گیرند. در روش های یاد شده از کاتالیزور و حلال استفاده نمی شود ولی باید واکنش در دمای پایین صورت گیرد تا بتوان پلیمرهایی را تولید نمود که دارای ساختار منظم هستند. بسپارش فاز گازی به طور معمول باعث تولید کوپرین نامنظم می شود و این در حالی است که بسپارش فاز مایع که در دمای منفی ۷۸ درجه سانتیگراد انجام می گیرد باعث تولید پلی اتیلن یک طرفه خطی می شود. بسپارش فاز جامد نیز که در دمای پایین صورت می گیرد به تولید پلی آستیلنهای ترانس منجر می شود.
بسپارش جانشینی حلقه گشا
این امکان وجود دارد که پلیمر های یاد شده را با استفاده از بسپارش جانشینی حلقه گشا و از cyclooctatetraene ساخت, ماده ای که در مقایسه با مونومرهای آستیلن دارای کاربری راحت تر می باشد. روش ترکیبی یاد شده باعث ایجاد سیستمی ساده برای اضافه سازی گروه های حل کننده به پلیمر و در عین حال حفظ آمیختگی آنها می شود. Rubert Grubbs و همکارانش انواعی از مشتقات این پلیمر را با زنجیره های آلکیل شاخدار و خطی سنتز کردند. پلیمرهای که در دسته خطی قرار می‌گیرند دارای رسانایی بالایی بودند ولی انحلال پذیری کمی داشتند و این در حالی است که پلیمرهای قرار گرفته در گروه های شاخه دار, تزویج کمتر و انحلال پذیری بیشتری نشان دادند که ناشی از ایجاد حالت پیچشی در پلیمر و جلوگیری از ازدحام فضایی صورت می گیرد.
تولید پلی آستیلن از پلیمر های اولیه
این امکان نیز وجود دارد که پلیمر یادشده را از انواع اولیه تولید کرد. در این روش فرآوری پلیمر قبل از تغییر آن به پلی استیلن غیر قابل انحلال انجام می گیرد. میتوان با هیدرو هالوژن زدایی پلی وینیل کلراید به بخش‌هایی نامنظم و کوتاه از این پلیمر دست یافت.
تبدیل گرمایی پلیمر های اولیه روش موثر برای سنتز زنجیره های طولانی پلیمر یادشده می باشد.
پلی آستیلن چه خواص و ویژگی هایی دارد؟
ساختار فیلمهای این ماده با طیف سنجی رامان و مادون قرمز بررسی شده‌اند و نتایج نشان می دهند که ساختار این مواد وابسته به شرایط ترکیبی و یا سنتز است. زمانی که دمای اعمال شده در واکنش کمتر از منفی ۷۸ درجه سانتیگراد باشد نوعی از ماده با نام یک طرفه به وجود می‌آید و زمانی که دما بالاتر از ۱۵۰ درجه سانتیگراد باشد حالت ترانس دیده خواهد شد. این نوع از پلیمر در دمای اتاق دارای ۶۰ درصد ایزومر یکطرفه به ۴۰ درصد ایزومر ترانس است. فیلم هایی که حالت قالب ایزومر یک طرفه را دارند بیشتر مسی مانند هستند ولی در نوع ترانس حالت نقره ای دیده می شود. علاوه بر آن پلی آستیلن های یک طرفه بسیار انعطاف پذیر می باشند و می توان به سادگی آنها را کشید ولی این مورد در خصوص انواع ترانس صدق نمی کند زیرا شکنندگی بالایی دارند. سنتز وفرآوری فیلم های این نوع از پلیمر بر خواص آن موثر است. هر چقدر میزان کاتالیزگر کاربردی در این واکنش ها بیشتر باشد فیلمهای ضخیم تری به وجود می‌آیند که قابلیت کشسانی بالاتری خواهند داشت. در صورتی که محتوای کاتالیزی این مواد کمتر باشد ژل های قرمز رنگی تولید می شوند که می توان آنها را با استفاده از برش و اعمال فشار بین صفحات شیشه‌ای به فیلم تبدیل کرد. چگالی این پلیمرها حدود 0.4 گرم بر سانتی متر مکعب است ولی این مقدار برای فوم پایین تر بوده و برابر با 0.02–0.04 گرم بر سانتی متر مکعب میباشد. در ظاهر این پلیمر نیز فیبریلها دیده می شوند که نوعی شبکه وب مانند و نامنظم را می‌سازند و پیوندهای عرضی نیز بین زنجیره های آنها وجود دارد.
پلی آستیلن برای تولید چه محصولاتی به کار برده می شود؟
همانطور که قبلا نیز اشاره شد این ماده دارای مصارف تجاری و پرکاربرد نمی باشد اگرچه کشف آن به عنوان یک پلیمر ارگانیک رسانا باعث توسعه حوزه علم مواد شده است. بنابراین سایر پلیمرهای قرار گرفته در گروه رسانا مانند پلی تیوفن و پلی آنیلین برای تولید محصولات متفاوت مورد توجه قرار گرفته اند.
