پلیمرهای بلورین و پلیمرهای بی نظم

دسته: مقالات منتشر شده در 25 فروردين 1399
نوشته شده توسط Admin بازدید: 3454

پلیمر های بلورین در برابر پلیمر های بی شکل (بی نظم)

 

پلیمرهای بلورین معمولاً از نظم بسیار زیادی برخوردارند و همین موضوع باعث می‌شود تا استحکام و سختی نسبتاً زیادی نیز داشته باشند. الماس و یا فولاد می تواند نمونه ای از پلیمرهای بلورین باشد. در این دسته از پلیمرها که مولکول ها به صورت بسیار نزدیک و منظمی در کنار یکدیگر قرار گرفتند ساختار مشابهی وجود دارد و در صورتی که در معرض فشار زیادی قرار بگیرند، به جای آن که خمیده شوند کاملا می شکنند. اما در مقابل آنها پلیمرهای بدون شکل و یا بی‌نظم قرار میگیرند که خاصیت های متفاوتی دارند و به جای آنکه سخت و مقاوم باشند دارای خاصیت مولکولی متناوب می باشند که به زنجیره اجازه می‌دهد تا در هنگام کشیدن و یا فشار اوردن به پلیمر، به روی زنجیره‌ای دیگر بلغزند. به صورت خلاصه می توان گفت که پلیمرهای بی نظم دارای خاصیت انعطاف پذیری و ارتجاعی بالایی می باشند. البته در تمام پلیمر ها ترکیبی از ساختار بلورین و بی نظمی وجود دارد و نسبت هر کدام نیز با توجه به نوع فرآوری پلیمر، ترکیبات آن و دمای فرآوری متفاوت خواهد بود. این امکان وجود دارد که یک پلیمر بی‌نظم دارای ۱۰ درصد از ساختارهای بلورین باشد و حتی پلیمرهای بلورین می‌توانند در ساختار خود ۸۰% از ویژگی‌های پلیمرهای بی نظم را داشته باشند که در نهایت به شکلی منظم در کنار یکدیگر قرار گرفتند. در این بخش می‌خواهیم ابتدا به پلیمرهای بلورین بپردازیم که از ساختارهای بسیار منظم و واحد تشکیل شده اند.

 پلیمرهای بلورین چه ساختارهایی را با چه ترتیبی تشکیل می دهند؟ در حالت عادی مولکول های این ماده به صورت صاف و منظم در کنار یکدیگر قرار می گیرند و در واقع شباهتی با اسپاگتی پخته نشده دارند. اما نمی‌توان همیشه آنها را به این صورت تصور کرد زیرا تعداد بسیار کمی از آنها از چنین خاصیتی برخوردارند. زنجیره بین آنها باعث می‌شود تا همیشه چنین ظاهری نداشته باشند. همانطور که پیش از این نیز یاد شد، تمامی پلیمرهای بلورین از این ویژگی به صورت کامل برخوردار نیستند و می توانند ترکیبی از خاصیت های بی نظم را نیز داشته باشد. زنجیره ها و بخش های زنجیره ها در این پلیمرها می توانند چندان منظم نباشند، در این صورت به انها بخش بی نظم گفته می شود. بنابراین یک پلیمر بلورین از دو قسمت متفاوت تشکیل شده است، بخش بلورین و بخش بی شکل: بخش های بلورین در نواحی منظم lamellae قرار دارند و بخش های بدون شکل نیز خارج از این نواحی و بین لایه ها قرار می گیرند. در صورتی که ما به یک تصویر کامل از این نواحی نگاه کنیم می توانیم به نحوه قرارگیری بخش‌های مختلف و بلوک در کنار یکدیگر پی ببریم. در بین بخش‌های بلورین یاد شده نواحی وجود دارد که در آنها هیچگونه ترتیب و نظم نسبت به زنجیره دیده نمی شود که به آنها نواحی بدون نظم نیز گفته می‌شود. ممکن است بخشی از زنجیره یک پلیمر در بخش بلورین و قسمت دیگر در بخش بی نظم قرار گیرد. تعدادی از زنجیره ها در یک lamella آغازمی شوند و از نواحی بی‌نظم عبور کرده و سپس به یک lamella دیگر متصل می شود. به این نوع زنجیر ها مولکول های کراواتی گفته می شود. آنها می‌توانند نقش شبکه و یا پیوند های عرضی را داشته و باعث استحکام بیشتر پلیمرهای جامد شوند و خواص مکانیکی بهتری به ان ببخشند. پلیمرهایی که حالت کاملاً بلورین دارند معمولاً برای تولید پلاستیک به کار برده نمی شوند زیرا بسیار شکننده هستند. بخش بدون نظم باعث ایجاد استحکام در پلیمر می شود و علاوه بر آن به این مواد این امکان را می‌دهند که بدون شکستن خم شوند و بتوانند انرژی حاصل از ضربه را جذب نمایند. در تولید فیبرها از پلیمرهایی استفاده می‌شود که به بیشترین میزان از ویژگی بلورین برخوردارند. همانطور که پیش از این نیز یاد شد پلیمرهای بلورین می‌توانند ترکیبی از خواص بلورین و بی نظم را در کنار یکدیگر داشته باشند ولی از بین آنها تعدادی دارای درصد بیشتری از خواص بلورین و تعدادی حاوی خواص بی نظم می باشند. در این بخش تعدادی از پلیمرها را می بینید که می توانند از هر دو ویژگی برخوردار باشند. پلیمرهایی که بیشتر حالت بلورین دارند: پلی پروپیلن، نایلون، کولار و نومکس، پلی کتون و پلی استایرن های سیندیو تاک تیک. پلیمرهایی که بیشتر از حالت بی نظمی یا بی شکل برخوردارند: پلی متیل متاکریلات، پلی استایرن اتاکتیک، پلی کربنات، پلی ایزو پرین و پلی بوتادین. ساختار پلیمری و نیروهای بین مولکولی باعث می‌شوند تا پلیمرها در یکی از دو دسته یاد شده قرار گیرند.

 

حالت بلورین و ساختار پلیمر

ساختار مولکولی پلیمر تاثیر زیادی بر بلورینگی این مواد دارد. در صورتی که این ساختار منظم و بسیار متقارن باشد به سادگی به کریستال تبدیل می شود. عکس این مورد نیز صدق می کند. پلی استایرن می تواند شامل دو نوع متفاوت پلی استایرن های اتاکتیک و پلی استایرن های سیندیو تاکتیک باشد که نوع اول کاملا بدون نظم و نوع دوم کاملاً بلورین است. پلی استایرن های سیندیو تاکتیک ساختار بسیار منظم و مرتبی دارند و در این موارد گروه‌های فنیل به روی پیکره اصلی و خطی کربنی قرار می گیرد. این بدین معنی است که آنها به راحتی می‌توانند به کریستال ها متصل شوند زیرا پیکره اصلی قادر است تا با گروه‌های فنیل موجود ارتباط برقرار کند. در واقع خود گروه‌های فنیلی از این توانایی برخوردارند که بسیار به همدیگر نزدیک شوند و در دنیای واقعی نیز این اتفاق زیاد می افتد. برهمکنش موجود با نام انباشتگی پی شناخته می‌شود و در بسیاری از پلیمرهایی دیده می‌شود که از حلقه های آروماتیک در پیکره اصلی خود برخوردارند و یا گروه هایی که از زنجیره پلیمری اویزان هستند. اما نوع دیگر اتاکتیک نام دارد که در آن گروه‌های فنیلی می‌توانند در هر یک از سمت های زنجیره قرار گرفته و حتی در بخش و پیکره اصلی جای می گیرند. از آنجایی که در ساختار این مواد این نظم وجود ندارد، بنابراین آنها نمی توانند به راحتی به یکدیگر متصل شده و انباشتگی پی نیز در آنها زیاد دیده نمی شود. به آنها پلیمرهای بدون نظم یا بی شکل گفته می‌شود. آیا این بدین معناست که پلیمرهای یاد شده دارای خواص نامطلوبی هستند؟ پاسخ به این سوال منفی است زیرا ماده یاد شده به عنوان یکی از مواد تجاری بسیار پر مصرف شناخته می شود. سایر پلیمرهای اتاکتیک همانند پلی متیل متاکریلات و پلی وینیل کلراید هم در دسته بی نظمها قرار می گیرند. کاملاً قابل پیش ‌بینی است که پلیمرهای متقارن و منتظم فضایی همانند پلی پروپیلن ایزوتاکتیک و پلی تترافلوئورواتیلن بسیار بلورین می باشند. البته این خاصیت به صورت مطلق و کامل وجود ندارد و به همین دلیل است که پلیمرهای یاد شده از ترکیبات خواصی فوق‌ العاده‌ای همانند استحکام و قدرت برخوردارند. پلی اتیلن می تواند یکی از همین مثال ها باشد زیرا دارای دو خاصیت بلورین و بی نظم است. پلی اتیلن های خطی می توانند به صورت کامل دارای خاصیت بلورین باشند و این موضوع با توجه به نوع فرآوری و کاربری آنها متفاوت خواهد بود. پلی اتیلن های کم چگالی که از شاخه‌های زیادی نیز برخوردارند نسبت به سایر موارد ضعیف می باشند مانند انواع خطی اما همچنان می توان از آنها برای بسته بندی مواد غذایی و یا کیسه های ساندویچ استفاده کرد.

 

بلورینگی و نیروهای بین مولکولی

در صورتی که یک پلیمر بخواهد به کریستال تبدیل شود نیروهای بین مولکولی می‌تواند به میزان زیادی به آن کمک کند. یک مثال خوب در این زمینه می تواند نایلون باشد. گروه های آمیدی قطبی که در ساختار اصلی نایلون وجود دارند به صورت قوی به یکدیگر متصل شده و در واقع پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی مستحکمی را تولید می کنند. این اتصالات محکم زنجیره را کنار یکدیگر نگه داشته و از آنجایی که زنجیره حالت متقارن دارند میتوانند کریستال ها را نیز تولید کنند. این حالت باعث می شود تا نقطه ذوب کریستال ها در مقایسه با پلیمر ها یی که از این بر هم کنش های قوی بین مولکولی برخوردار نیستند بیشتر باشد. به همین دلیل است که نایلون در مقایسه با پلی اتیلن یا پلی پروپیلن از نقطه ذوب بالاتری برخوردار است. پلی استر هم در همین دسته قرار می گیرد و می توانیم به نوعی پلی استر با نام پلی اتیلن ترفتالات اشاره کنیم. گروه‌های استری قطبی باعث ایجاد برهم کنشهای قوی می شوند دقیقاً همانند قطب های یک آهنربا که به سمت یکدیگر کشیده می شوند. حلقه های آروماتیک به صورت بسیار منظمی کنار یکدیگر قرار می گیرند و باعث می شوند که کریستال حتی قوی تر هم شود. مجدداً برهمکنش های قوی موجود نقطه ذوب پلی اتیلن ترفتالات را بسیار بالاتر از پلی اتیلن خواهد برد. نیروهای بین مولکولی می‌توانند بر بلورینگی و نقطه ذوب اثر داشته باشند. آیا آنها بر دمای انتقال شیشه‌ هم موثر خواهند بود و آیا برهمکنشهای قوی ‌تر باعث ایجاد نقطه ذوب بالاتر و همچنین دمای بالاتر انتقال شیشه ای خواهد شد؟ پاسخ تمامی سوال های مثبت می باشد زیرا تقریباً رابطه خطی بین دمای انتقال شیشه و نقطه ذوب وجود دارد.

مواد بلورین معمولاً کدر می باشند زیرا ساختار اصلی آنها به گونه ای است که می تواند نور را منعکس کند. می توان پلیمر های بدون نظم را با توجه به شفافیت آنها شناخت. هر چقدر درجه بلورینگی افزایش پیدا کند آن ماده شفافیت کمتری خواهد داشت.

از ویژگی های پلیمرهای بی نظم می توان به این موارد اشاره کرد:

        ·            مقاومت نسبتاً کم در برابر حرارت

        ·            با افزایش حرارت کم کم نرم خواهند شد

        ·             در دمای پایین حالت سختی دارد

        ·            پایداری ابعادی کمی دارد

 پلیمرهایی که از حالت بلورینگی بیشتری برخوردارند، رفتار و یا ویژگی های متضاد خواهند داشت.