پلیمر

پليمرها (Polymers):

پليمرها ، ابرمولکول هايي با وزن مولکولي بسياربالا هستند .که از واحدهاي تکرار شونده تشکيل شده اند .پليمرها ممکن است آلي (organic ) ،غيرآلي (inorganic)يا آلي ـ فلزي (organometallic )باشند .و ازديدگاه نحوه ي به وجود آمدن ممکن است مصنوعي يا طبيعي باشند .پليمرها ازجمله ي مواد ضروري براي بسياري از صنايع از جمله :چسب ها (adhesives ) ، مصالح ، ساختماني ، کاغذ، لباس ، الياف ، پوشش ها ، پلاستيک ها ، سراميک ، بتون ، کريستال مايع ، مقاومت هاي نوري و ...هستند .پليمرها درعلومي همچون :تغذيه ،مهندسي ، بيولوژي ، داروسازي ، کامپيوتر ،اکتشافات فضايي ، بهداشت و محيط زيست اهميت دارد .
پليمرهاي غيرآلي که به صورت طبيعي وجود دارند شامل :الماس ها ، گرافيت ، آزبست (پنبه ي نسوز )،شن،عقيق ، فلدسپار ،ميکا ،کوارتز ،تالک و ... مي شوند .
پليمرهاي آلي که به صورت طبيعي يافت مي شود عبارت اند از :پلي ساکاريدها (پلي کربوهيدرات ها )مانند :نشاسته و سلولز ،نوکلئيک اسيدها و پروتئين ها .
پليمرهاي غيرآلي ،مصنوعي عبارت اند از :نيتريد بور (Boron nitride )، بتون (Concrete )،بسياري از ابر رسانه هاي دما بالا و شماري از شيشه ها .
پلي سيلوکسين ها (Polysi loxanes )که به سيلوکسين نيز معروف اند .نمونه اي از پليمرهاي آلي ـ فلزي محسوب مي شود که به صورت مصنوعي تهيه مي گردد .
پليمرهاي مصنوعي که براي در ساختار برخي وسايل استفاده مي شود به طور قابل ملاحظه اي از فلزات سبک ترند .اين مواد به کاهش ميزان مصرف سوخت در وسايل نقليه و سفينه هاي فضايي کمک مي کند .زماني که به نسبت برابر وزني ازپليمر به جاي فلز استفاده کنيم مواد پليمري حتي از فلز نيز بهتر کار مي کنند .مثلاً :(درمورد کشش ).مواد پليمري باپيشرفت هاي انجام شده توانايي استفاده براي اهداف مهندسي به عنوان مثال :يراق آلات ، بلبرينگ ها و غشاهاي ساختاري را پيدا کرده اند .
 

نام گذاري (Nomenclature ):

بسياري از پليمرها هم داراي نام معمولي ()و هم نام برپايه ي ساختارشان هستند .نام گذاري بر پايه ي ساختار به وسيله ي سازمان بين المللي شيمي محض و کاربردي (International Union of Pure and Applied Chemistry )که به اختصار IUPAC ناميده مي شود .پايه گذاري شده است .
بعضي از پليمرها به وسيله ي علامت اختصاري شان (واژه اي که از حروف اول چند واژه ايجاد شده )شناخته مي شوند .بعضي از شرکت هاي توليد کننده ي مواد پليمري ،نام هاي تجاري را براي توليدات پليمري خاصي که خود توليد کرده اند تعريف مي کنند .براي مثال پلي استر فرترل ( FortreL@polyester)شامل الياف پلي اتيلن کرفتالات ( PET)است .پليمرها معمولاً با نامگذاري سنتي ديده مي شوند .مثلاً دايون ، پلي استر ، نايلون و ...

ساختار (Composition):

ساختارهاي پليمري را مي توان به وسيله ي ساختارهاي ساده تر که در کل پليمر تکرار مي شوند، معرفي کرد .اين ساختارهاي شبيه به هم که در طي زنجيره ي پليمري تکرار شده اند را واحد تکرار شونده گويند .اين واحدهاي تکرار شونده را مونومريتر گويند .مونومرها با هم واکنش داده و پليمررا توليد مي کنند .
به جز درپايان زنجيره هاي پليمري ، پلي پروپيلن از واحدهاي کاملاً تکرار شونده و شبيه به هم تشکيل شده اند .
عدد واحدها (The Namber of units )دريک زنجيره ي پليمري درجه ي پليمريزاسيون (degree of polymerization )ناميده مي شود که با DP نمايش داده مي شود .

ساختار ابتدايي (Primary Structure ):

ترتيب واحدهاي تکرار شونده در يک پليمرساختار ابتدايي Primary Structure ناميده مي شود .عوامل واکنش دهنده ي نامتقارن ، به عنوان مثال جانشيني مونمرهاي وينيل ، صرفاً توليداتي به صورت سر به ته ( head-to-tail)مي دهد ،که عامل جانشيني R ، بر روي کربن هاي يکي در ميان (متناوب )قرار مي گيرد .هراتم کربن داراي عامل R ، مرکز چيرال (Chiral center )با احتمال ژئومتري مختلف است .(هراتم در مولکول با 4 اتم واکنش مي دهد ).
آرايش هاي جايي که جانشين بر روي کربن چيرال به صورت رندوم است ساختارهاي اتاکتيک (Atactic structures )ناميده مي شود .
ساختارهايي که دراطراف کربن چيرال هستند .هندسه ي يکساني دارند که به آنها ايزوتاکتيک (Isotactic )يا استرورگيولر (Stereo regular)گويند.
ـ پليمرها مي توانند خطي (Linear )يا شاخه اي ( Branched )با مقدار طول شاخه ي متفاوت باشند .که اکثر پليمرها شامل تعدادي شاخه مي شوند .
ـ کوپليمرها (Copolymers )ازدو نوع مختلف مونومر مشتق شده اند .که ممکن است به صورت نمادهاي AوB نمايش داده بشوند .براين اساس ساختارهاي مختلفي در کوپليمرها رخ مي دهد که هرساختار خواص خاص خود را دارد .اين تنوع در نحوه ي قرارگيري مونومرهاي مختلف در کوپليمر شامل :يکي در ميان (Alternating )،راندوم ( Random )، بلوک (block )و گرافت (graft )مي شود .

ساختارثانويه (Secondary Structure ):

ساختار ثانويه به شکل محلي پليمر برمي گردد .که معمولاً برآيند و حاصل پيوند هيدروژني است .بيشتر زنجيره هاي پليمرهاي خطي انعطاف پذير تا نيمه انعطاف پذير منجر به ايجاد دو ساختار مارپيچ (helical ) و چين دار (pleated skirt )مي گردد .براي هردو نوع قطبي و غير قطبي از زنجيره هاي پليمري ، تمايل به گرفتن حالت مارپيچ با اجتماع مرکزدار وجود دارد که در داخل آن ها نيروهاي پيوند ثانويه وجود دارد .

سومين ساختار (Tertiary Structure ):

سومين ساختاريک پليمر به شکل سرتا سر يک پليمر اشاره دارد .به عنوان مثال در هم گيرکردن پلي پپتايد (poly peptide ).پروتئين هاي کروي شبيه گوي هاي ناهموارند که علت آن ترکيب پيچيده ي محيطي و محدوديت هاي مولکولي و فرصت هاي پيوندي است .
خيلي از پليمرهاي طبيعي و مصنوعي داراي ابرساختارند (Super structures )،به عنوان مثال :پروتئين هاي کروي و تجمع زنجيره هاي پليمري ، که ايجاد کلاف و دسته بندي هايي مي کند .

چهارمين ساختار (Duaternary structune ):

چهارمين ساختار به نحوه ي قرارگيري درفضاي دو يا بيشتر زير واحدهاي پليمر است .که اغلب از تجمع سومين ساختار حاصل مي شود .براي مثال : هموگلوبين (چهارمين ساختار )ترکيبي ضروري از چهار واحد ميوگلوبين ( سومين ساختار )است .بسياري از پليمرهاي مصنوعي به حالت کروي فورم مي گيرند .

توليد (Synthesis ):

براي اينکه پليمريزاسيون اتفاق بيفتد ، مونمرها بايد حداقل 2 نقطه ي واکنش پذير يا گروه هاي عاملي داشته باشند .دو راه اصلي در ايجاد پليمرهاي مصنوعي وجود دارد که يکي از روش ها ، روش افزايشي و ديگري روش تراکمي است .در سينتيک شناسي نوع زنجيري ،آغاز واکنش با ترکيب يک سري از مونومرها شروع مي گردد که نتيجه ي آن مخلوطي از تعداد زيادي مونومر واکنش نداده و پليمر است .
پليمرهاي وينيلي (Vinil Polymers )ازمونومرهاي وينيل مشتق مي شوند .و دراسکلت اصلي آنها فقط اتم کربن وجود دارد .مثال هايي از پليمرهاي وينيلي شامل پلي استيرن (Polystyrene ) ، پلي اتيلن (Polyethylene )، پلي بوتادي ان (Poly buta diene )، پلي پروپيلن (poly propylene )و پلي وينيل کلرايد (Poly vinid choloride )است .
شکل 3 : پلی اتیلن با دانسیته ی پایین (LDPE)
دومين روش عمده ي پليمريزاسيون مرحله اي (step - wise polymerization )است .پليمريزاسيون در مراحل داراي شکل جهت داراتفاق مي افتد .که موجب ايجاد يک ميانگين اندازه ي زنجيره اي مي گردد .
که امکان دارد از مخلوط واکنش يک عدد يا درجه ي پليمريزاسيون سر تاسري 2 ، سپس 5 ، سپس 10 و به همين منوال داشته باشيم تا همه ي مخلوط به پليمرهاي بزرگ تبديل شوند که تعداد مونومرهاي موجود اندک يا اصلاً وجود ندارد .پليمرهايي که به طورخاص از اين روش ايجاد مي شوند .شامل : پلي کربنات ها ( polycarbonates )،پلي استرها ( polyesters )و پلي يوريتان ها (polyurethanes )هستند .

زنجيرهاي پليمري که به روش تراکمي تهيه شده اند داراي اين خاصيت اند که اتم هاي غيرکربن نيز در ساختار آنها وجود دارد .براي پلي آميد ، نيتروژن در ساختار اصلي پليمر وجود دارد .درحالي که براي پلي کربنات ها اکسيژن در ساختار اصلي اضافه شده است .
پليمرهاي تراکمي درحالت مذاب توليد مي شوند (يعني اينکه واکنش دهنده ها حرارت داده مي شوند تا مذاب گردند ).يا اينکه در حالت محلول هستند ( يعني واکنش دهنده ها درحلال حل شده اند )و درحالتي ديگر واکنش بين فازي است (يعني اينکه واکنش دهنده ها در حلال هاي متفاوت از لحاظ امتزاج حل شده اند ).

خواص مولکولي (Molecular Properties ):

اين بخش براي اين مورد استفاده قرارگرفته تا کمک به فهم ساختار و رفتار پليمرها بکند وزن مولکولي يک زنجير پليمر خاص به وسيله ي مجموع وزن مولکولي واحدهاي تکرار شونده ايجاد مي شود .درميانگين آماري پليمرها را توصيف مي کند که يکي از آنها (وزن مولکولي ميانگين شماره اي است و ديگري وزن مولکولي ميانگين وزني است .)
اندازه مهمترين خاصيت پليمرهاست که به آنها اجازه ي انبارکردن اطلاعات را مي دهد .(پروتئين هاي و نوکلئيک اسيدها )،مواد پليمري هر عملي را که زنجيره هاي پليمري يا اجزاي پليمر را کج و راست کند به خاطر مي آورند . مثلاً خم کردن ،کشيده شدن ها ويا ذوب شدن ها.
اندازه ي همچنين به عنوان يک تجمع درون زنجيري ثانويه به شمار مي آيد که توسط نيروهاي واندروالس ايجاد گشته اند .براي پليمرهاي غيرقطبي ، مثلاً پلي اتيلن ، نيروي جاذبه براي هر واحد تکرار شونده کمتر از پليمرهاي قطبي است .پلي وينيل کلرايد که يک پليمر قطبي است .شامل نيروهاي جاذبه اي که منشا آنها گسيختگي ساختار و نيروهاي دو قطبي ، است که مجموع اين نيروها از نيروهاي موجود در پلي اتيلن کمتر است .پليمرهاي حاوي پيوند هيدروژني (مثلاً پلي ساکاريدها ، پروتيئن ها و نوکلئيک ها اسيدها و نايلون است ). نيروهاي جاذبه ي حتي بزرگتري نسبت به حالات قبل دارند .پيوند هيدروژني به قدري در سلولز قوي است که موجب عدم حلاليت آن درآب تا حدي که پيوندهاي بين زنجيري هيدروژني شکسته نشوند است .

پليمرها معمولاً ترکيبي از مناطق با آرايش منظم و نواحي بدون آرايش منظم هستند .
به نقاط با آرايش منظم بخش هاي کريستالي شده و به نواحي بي نظم بخش هاي آمورف گفته مي شود .نواحي کريستالي زيادي صلب اند و به پليمرها استحکام و مقاومت در برابر نيروهاي خارجي را اعطا مي کنند .نواحي آمورف، نيز به پليمر خاصيت انعطاف پذيري مي دهد .
اکثر پليمرهاي تجاري داراي تعادل در ميزان نواحي آمورف و کريستالين هستند که به پليمرخاصيتي مي دهند که هم انعطاف پذير و هم مستحکم باشند .
پليمرها مواد ويسکوالا هستند .پليمرهاي نرم ، مثلاً پلي اتيلن و پلي پروپيلن داراي تحمل در برابر کشيدگي بالاي دارند و درهنگام کشيدگي مقاومت و جهت گيري زنجيره اي پيدا مي کنند .
پليمرهاي ترد ،مثلاً پلي استيرن ، استقامت کافي ندارند .و درکشش هاي کمتر شکسته مي شوند .

ـ ليف (fiber )،يک ماده ي پليمري است که بسياربلند است و طول آن از ابعاد ديگرآن بسيار بزرگ تر است ، يک ليف يا رشته ي مقاومت کششي بالا ، سختي بالا و افزايش طول کمي درحين کشش دارد .

مواد (materials ):

الياف(fibers )مواد پليمري هستند که در يک جهت بسيار محکم اند و بيش از 100برابر عرضشان کوچکتر است .
ـ الاستومرها (elastomers )که به آنها رابرتير مي گويند مواد پليمراند که درهنگام اعمال نيرو بر آنها تغيير شکل داده و هنگامي که نيرو برداشته شود .به شکل اوليه باز مي گردند .
ـ پلاستيک ها ، موادي اند که خواصشان ميان الياف و الاستومرهاست .آنها سخت و انعطاف پذير هستند .پوشش ها و چسب ها عمدتاً از مشتقات مواد پليمري اند .البته از گروه هاي ديگر نيز مي توانند کمک بگيرند به عنوان مثال ، پلي سيلوکسان (polysiloxanes )الاستومراست در حالي که به عنوان چسب نيزاستفاده مي شوند .
چسب ها و پوشش هاي مورد استفاده درصنعت شامل :لامينات ها ( laminates )
ـ مواد لايه مانند ، درزگيرها و بتونه ها (Sealants and Caulks )، کامپوزيت ها (composites )،غشاها ( films)، کريستال هاي مايع (liquid crystals )، سراميک ها ، سيمان ها و مواد *مي شود .

افزودني ها (additives ):

مواد پليمري مورد استفاده معمولاً ترکيبي از يک پليمر و يک يا چند جزء ديگر است .که به پليمر اضافه شده اند .و نقش بهبود و خواص ، کمک به پروسه ي توليد و ايجاد خواص جديد را دارد .
مواد افزودني مي توانند جامد ، مايع و گاز باشند .افزودني هاي جديد نيز مانند :پلاستيسايزها (plasticizers )، آنتي اکسيدان ها ( antioxydants )،مواد افزودني رنگ زا ( colorants )، پرکننده ها (fillers )و تقويت کننده ها (reinforce ments )هستند .

بازيافت (Recycling ):

بسياري از پليمرها ترموپلاست (Thermoplastics )هستند. ازاين جهت اين مواد را مي توان پس از کاربرد دوباره ذوب و شکل دهي کرد .و با گرم کردن و فشار آنها دوباره محصولات جديد توليد کرد .بازيافت پليمرهاي ترموست (Thermosets)مشکل تر است .زيرا اين پليمرها ذوب نمي شوند و پيش از نرم شدن تخريب مي شوند .اين مواد در اکثر موارد آسياب شده و به پودر نرم تبديل مي شوند .اين پودر نرم با افزودني ها (معمولاً چسب ها ، باندها (Binders )آميخته شده و سپس شکل دهي مي شوند.