شیمی پلیمر های صنعتی
در حوزه شیمی پلیمر های صنعتی به ساختار و ترکیب مواد شیمیایی ساخته شده از مولکول های زنجیر وار و بلند پرداخته می شود. موضوعی که باعث می‌شود تا پلیمرها از سایر انواع ترکیبات موجود متمایز شوند اندازه بسیار بزرگ مولکولهای آنهاست. اندازه یک مولکول توسط وزن مولکولی آن اندازه گیری می‌شود و برابر است با جمع وزن اتمی تمامی اتم هایی که در واقع یک مولکول را تشکیل می دهند. وزن اتمی با واحد جرم اتمی شناخته می شود و به عنوان مثال یک مولکول آب از یک اتم اکسیژن با جرم مولکولی ۱۶ و همچنین دو اتم هیدروژن با جرم مولکولی یک برای هرکدام تشکیل شده است و به طور کلی وزنی برابر با ۱۸ دارد. از طرف دیگر پلیمرها دارای وزن مولکولی میانگین بین ۱۰ هزار تا چندین میلیون واحد جرمی دارند. در حقیقت خواص ویژه پلیمری به دلیل اندازه بسیار بزرگ آنها است. شیمیدان آلمانی با نام Hermann Staudinger بنابر همین موارد در سال ۱۹۲۲ به پلیمرها نام مولکول های غول پیکر و یا مولکول ماکرو را داد. اتم هایی که مولکول های غول پیکر را می سازند توسط پیوندهای شیمیایی کووالانسی به یکدیگر متصل شده اند و در واقع تقسیم الکترون در این پیوند ها باعث شکل‌گیری آنها شده است. هر یک از مولکول ها نیز توسط نیروهای الکترواستاتیک به یکدیگر متصل شدند که در مقایسه با پیوندهای کووالانسی بسیار ضعیف تر می باشند. با افزایش اندازه مولکول ها در این مواد نیروهای الکترواستاتیک نیز افزایش پیدا خواهند کرد. مولکول های پلیمری به اندازه ای قوی میباشند که می‌توان انواعی از آنها را گردآوری کرد و به صورت ها و اشکال بسیار متفاوتی قالب گیری نمود همانند پلاستیک ها و یا آنها را به فیبر تبدیل کرد همانند آنچه که در صنعت پارچه استفاده می شود. ترکیب شیمیایی و ساختار پلیمرها باعث می شود تا گزینه بسیار مناسبی برای تولید محصولات صنعتی باشند. خواص متمایز پلیمر ها و شکل گیری آنها از مواد اولیه شیمیایی گزینه ای است که در این مقاله به آن می پردازیم.
ساختار مولکول های غول پیکر
مولکول های غول پیکر می توانند در سه نوع خطی، شاخه دار و یا شبکه ای داشته باشند. پلیمرها در طی واکنش های بسپارشی از ترکیباتی با وزن مولکولی بسیار پایین ساخته می‌شوند که به آنها مونومر گفته می‌شود که در آنها میزان بسیار زیادی از مولکولهای مونومری به یکدیگر متصل شده اند. مولکول های پلیمری می‌توانند انواعی از معماری های ساختاری را داشته باشند و این موضوع نیز وابسته به ساختار مونومر و یا مونومرها و همچنین روش‌های بسپارشی به کار برده شده است. همانطور که پیش از این یاد شد از دید تجاری پلیمرها دارای سه نوع ساختار شبکه ای، شاخه دار و یا خطی می باشند. نوع خطی پلیمرها می‌توانند با پلی اتیلن سنگین وزن نشان داده شوند که نوعی مولکول زنجیری ساخته شده از بسپارش اتیلن می باشد و فرمول شیمیایی آن نیز برابر با CH2=CH2 است. اتیلن به دو عدد اتم کربن گفته می‌شود که با پیوندهای دوتایی به یکدیگر متصل شدند و در کنار خود هر کدام دارای دو اتم هیدروژن نیز می باشند. زمانی که واحدهای تکراری زنجیره پلی اتیلن های سنگین وزن را به وجود بیاورند این فرمول را در براکت نشان خواهند داد. زنجیره پلی اتیلنی که واحدهای تکراری اتیلن از آن خارج می شود با نام پلی اتیلن های سبک وزن شناخته می شود. یکی از ساختارهای شبکه ای که در این قسمت به آن اشاره شده است، رزین فنول فرمالدهید میباشد. رزین یاد شده از پیوند بین مولکولهای فنول و فرمالدهید به وجود می‌آید تا در نهایت یک شبکه پیچیده از شاخه های متصل شده به همدیگر را ایجاد نمایند. اما مولکولهای پلیمرهای شاخه دار نمی توانند همانند مولکول های خطی به همان اندازه به یکدیگر نزدیک شوند و این در حالی است که نیروهای بین مولکولی که این پلیمرها را به یکدیگر متصل می‌کند بسیار ضعیف تر می باشد و به همین دلیل پلی اتیلن های سبک وزن و با شاخه های بسیار زیاد دارای انعطاف پذیری بسیار زیادی بوده و برای تولید مواد بسته بندی به کار برده می شوند ولی از پلیمرهای سنگین وزن پلی اتیلنی که به صورت خطی می باشند به سختی می توان به منظور تولید محصولات متفاوت مانند بطری و یا اسباب بازی استفاده کرد. خواص پلیمرهای شبکه ای نیز بر چگالی شبکه وابسته است. پلیمرهای که از شبکه‌های متراکمی برخوردارند همانند رزین های فنولیک فرمالدهید بسیار سخت بوده و در عین حال شکننده می باشند و این در حالی است که پلیمرهای شبکه ای شامل شاخه های بسیار انعطاف پذیر و بلندی می باشند که فقط به چندین بخش از زنجیره پلیمری متصل شده اند و حالت ارتجاعی دارند.
پلیمرهای غیر متبلور و نیمه بلورین
پلیمرها دارای دو شکل ظاهری متفاوت در وضعیت جامد می باشند: غیر متبلور و نیمه بلورین. در حالت غیر متبلور پلیمر دارای مولکول هایی است که به صورت متناوب در کنار یکدیگر قرار گرفته اند و بیشتر ظاهری شبیه اسپاگتی پخته شده دارند و این پلیمردارای ظاهری شفاف و شیشه مانند است. اما در پلیمرهای نیمه بلورین مولکولها به یکدیگر به صورتی منظم متصل شده اند. همان طور که انتظار می رود پلیمرهای خطی دارای ساختار بسیار منظمی می باشند و به همین دلیل به احتمال بسیار بالاتری می توانند نیمه بلوری نیز باشند. پلیمرهای نیمه بلوری ساختاری بسیار سخت و مستحکم داشته و همانند پلاستیک های سخت میباشند زیرا نیروی بین مولکولی قوی بین آنها به دلیل فاصله بسیار کم زنجیره های مولکولی در این مواد است. همچنین از آنجایی که این حالت بلورین باعث پخش نور می شود، آن ها بسیار کدر تر میباشند. با کشیدن مولکول ها و ایجاد حالت توازن بین مولکول ها که به آن عملیات کشیدگی نیز گفته می‌شود می‌توان این حالت بلورین را افزایش داد. در صنعت پلاستیک فیلم های پلیمری معمولاً کشیده می شوند تا استحکام آنها افزایش پیدا کند. هر چقدر دمای مولکولها در یک پلیمر نیمه بلورین و یا غیر متبلور کمتر باشد آنها با انرژی کمتری می لزرند بنابراین امکان انجماد آن ها در یک وضعیت مشخص با نام وضعیت شیشه وجود خواهد داشت. زمانی که پلیمر در معرض حرارت قرار می‌گیرد، مولکولها با انرژی بسیار بیشتری خواهند لرزید و این حالت تا زمانی ادامه پیدا می کند که وضعیت گذار از حالت شیشه ای به حالت لاستیکی رخ دهد. آغاز وضعیت یاد شده با افزایش حجم نشان داده می شود که در واقع به دلیل افزایش حرکت مولکولی است. دمایی که در آن این تغییرات رخ می‌دهد با نام دمای تبدیل شیشه ای یاد می‌شود. یکی از تفاوت های اصلی بین پلاستیک ها و لاستیک ها و یا الاستومرها این موضوع می باشد که دمای تبدیل شیشه ای در لاستیک ها بسیار کمتر از دمای اتاق است و این در حالی است که آنها دارای قابلیت ارتجاعی بسیار خوبی در دمای اتاق می باشند. اما پلاستیک ها باید تا دمای تبدیل شیشه ای و یا بالاتر از آن تحت حرارت قرار بگیرند تا بتوان پس از آن آنها را قالب گیری کرد و به اشکال مختلفی تبدیل کرد. اگر این پلیمرها در معرض حرارت بسیار بالاتری قرار بگیرند مولکولهای آنها به روی هم جریان پیدا خواهد کرد و در واقع پلیمر به دمای ذوب خواهد رسید. در این وضعیت امکان تبدیل آنها به فیبر وجود خواهد داشت. پلیمرهایی که قابلیت ذوب شدن دارند با نام پلیمرهای ترموپلاستیک شناخته می شوند و این خاصیت نیز در پلیمر هایی با شبکه های شاخه دار و یا خطی دیده می‌شود که ساختار بازتر آنها اجازه می دهد تا آنها با سادگی بسیار بیشتری به روی هم بلغزند. اما ساختار شبکه ای از امکان بروز جریان های مولکولی جلوگیری می کند و به همین دلیل پلیمر های های شبکه ای ذوب نمی شود بلکه آنها پس از قرار گیری مجدد در معرض حرارت تجزیه می شوند و به همین دلیل به آنها ترموستینگ گفته می شود.
هم بسپار ها و ترکیبات پلیمری
زمانی که یک مونومر به یک مولکول بزرگ بسپارش می‌شود محصول نهایی به وجود آمده با نام جور بسپار شناخته می شود. از طرف دیگر هم بسپارها از دو و یا تعداد بسیار بیشتری از مونومر ساخته می شوند. از متدهای متفاوتی استفاده شده است تا هم بسپارهایی ساخته شود که در آنها واحدهای تکراری به صورت تصادفی، متناوب، بلوکی و یا پیوندی دار بروی زنجیره مولکولی دیگر توزیع شوند. ساختار متنوع و گوناگون پلیمری باعث می شود تا این امکان برای تولید کنندگان فراهم شوند تا بتوانند محصولات متنوع و متمایزی تولید نماید. در بازار صنعتی، پلیمرها ترکیب می شوند تا خواص متفاوتی را پیدا کنند و در واقع مشابه فلزهای آلیاژی شوند. ممکن است پلیمرهای یاد شده در یکدیگر حل شده و یا حل نشوند ولی در واقع بیشتر آنها حل نخواهد شد. در صورتی که آنها قابلیت ترکیبی داشته باشند خواص ترکیبات همگن معمولاً میانگینی از تک تک پلیمرها خواهد بود و اگر چه گاهی اوقات ارتباط همکار بین آنها وجود دارد که منجر به بهبود خواص نهایی خواهد شد. در خصوص ترکیبات پلیمری غیر قابل ترکیب نیز از انواعی از استراتژی های متفاوت استفاده می شود تا بتوان تحت فشار زیاد فاز های متفاوت این مواد را در کنار یکدیگر قرار داد. یکی از این روش ها ترکیب پلیمرهای شبکه های پیوندی با یکدیگر است که در واقع یک روش نظم دهی بوده و با نام شبکه پلیمری متداخل شناخته می شود. استراتژی دیگر افزودن هم بسپار های پیوندی و یا بلوکی ناشی از مونومر های پلیمرهای غیر قابل ترکیب می باشد تا بتوان چسبندگی را در مرز بین فازهای پلیمری افزایش داد.
