پلیمرها موادی متشکل از زنجیره‌های بلند و تکرارشونده از مولکول مونومر (تک پار) هستند. پلیمر یا بسپار، یک مولکول بزرگ یا درشت مولکول است که از ترکیب واحدهای کوچک (مونومر) بسیاری ساخته شده است.
پلیمر در زبان یونانی مفهومی معادل "بخش‌های بسیار" دارد. پلیمرها می توانند به صورت طبیعی ( مانند پروتئین‌ها و کائوچو) یا مصنوعی (سنتزی) باشند. تمامی پلیمرهای مصنوعی توسط فرآیندی به اسم پلیمریزاسیون تولید می شوند که در آن، واحدهایی سازنده به نام مونومر به یکدیگر متصل می شوند تا پلیمر به تولید برسد. پلیمرهای مختلف، بسته به نوع کاربرد و ترکیب شیمیایی که دارند نقش مهمی را در زندگی انسان ایفا می کنند.
طبقه بندی پلیمرها بر اساس منابع
در این نوع از طبقه بندی، سه نوع پلیمر خواهیم داشت:
پلیمر طبیعی: این پلیمرها در طبیعت و در بین گیاهان یافت می شوند. از نمونه‌های پلیمر طبیعی می توان پروتئین، نشاسته، سلولز و کائوچو را نام برد.
پلیمر نیمه سنتزی: این نوع پلیمرها از پلیمرهای طبیعی گرفته شده و تحت فرآوری های شیمیایی قرار می گیرند. از نمونه های این پلیمرها می توان به سلولز نیترات و سلولز استات اشاره کرد.
پلیمر سنتزی: این دسته پلیمرهای مصنوعی ساخته شده توسط انسان هستند. پلاستیک، رایج ترین نوع پلیمر مورد استفاده در دنیا به شمار می‌آید که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.
انواع پلیمر:
اکثرا پلیمرها از یک نوع مونومر تشکیل شده اند ولی بعضی از آنها از دو یا چند نوع مونومر به وجود می آیند. به پلیمرهایی که از یک نوع مونومر تولید شده اند، هموپلیمر و به پلیمرهایی که از دو یا چند نوع مونومر تولید شده اند ، کوپلیمر می گویند.
کوپلیمرها خود در یک نوع دسته بندی به دو دسته رندوم کوپلیمر و بلاک کوپلیمر تقسیم بندی می شوند.
رندوم کوپلیمرها، کوپلیمرهایی هستند که در آنها اجزا مونومری به صورت بی نظم در طول زنجیره پلیمر تکرار می شوند، نمونه ای از این دسته، پلی پروپیلن رندوم کوپلیمر است که در تولید لوله های پلاستیکی ساختمانی کاربرد دارد.
اما بلاک کوپلیمرها، کوپلیمرهایی هستند که مونومرهای هم شکل در آنها به صورت منظم در کنار هم قرار گرفته اند. نمونه ای از این دسته، پلی پروپیلن بلاک کوپلیمر است که در صنعت خودرو برای تولید سپر، داشبورد و دیگر قسمتهای داخل خودرو مورد استفاده قرار می گیرد.
پلیمرها از نظر اثر پذیری در برابر حرارت نیز به دو دسته گرمانرم‌ها (ترموپلاستیک‌ها) و گرماسختها (ترموست‌ها) تقسیم بندی می شوند. گرمانرم‌ها، پلیمرهایی هستند که در اثر گرم کردن ذوب می شوند، در حالی که گرماسختها، پلیمرهایی هستند که در اثر گرما ذوب نمی شوند بلکه در دماهای بسیار بالا به صورت برگشت ناپذیری تجزیه می شوند.
ترموپلاستیک‌ها که به صورت ساده تر به آنها پلاستیک یا مواد پلاستیکی گفته می شود، دسته بزرگی از مواد پلیمری هستند که در صورت حرارت دیدن ذوب می شوند و بر اثر سرد شدن مجددا به جامد تبدیل می شوند. این ویژگی باعث می شود که مواد پلاستیکی همچون فلزات، قابلیت بازیافت شدن داشته باشند و به همین جهت در صورت بازیافت، نسبت به دیگر پلیمرها کمتر وارد محیط زیست می شوند.
کاربردهای ترموپلاستیک ها
پلی اتیلن؛ در ساخت وسایل آشپزخانه، اسباب بازی ها و وسایل ورزشی استفاده می شود.پلی پروپیلن؛ برای ساخت بدنه پمپ ها، دستشویی ها، الیاف فرش، مخازن و چمدان مورد استفاده قرار می گیرد.پلی وینیل کلراید؛ که خود به انواع نرم و سخت تبدیل می شود.پلی تترافلرواتیلن؛ یا تفلون در ساخت واشر و پوشش های نچسب استفاده می شود.پلی اتریمیدها؛که در صنایع هواپیمایی، جعبه فیوزها و وسایل الکترونیکی استفاده دارد.پلی آمیدها (نایلون ها)؛ در ساخت یاتاقان های بدون نیاز به روانکاری، قطعات ضد سایش سطح، برف پاک کن و چرخ دنده دستگاه سرعت سنج کاربرد دارد.پلی اکسی متیل؛ در ساخت جعبه دنده، چرخ دنده و قطعات پمپ کابرد دارد.پلی متیل اکریلات؛ برای ساخت ذره بین، عدسی، شیشه ساعت و شیشه عینک آفتابی مورد استفاده قرار می گیرد.استال؛ که برای ساخت قطعاتی از خودرو در سیستم سوخت، کمربند صندلی، دسته بالابر خودرو و قلم ها (خودکار) کاربرد دارد.
در حالی که ترموست‌ها پلیمرهایی هستند که در اثر حرارت ذوب نمی شوند، بلکه سخت می شوند و یا می سوزند، بنابراین نمی توان آنها را بازیافت کرد. به دلایل مسائل زیست محیطی تولید ترموست‌ها در مقایسه با پلاستیک ها رو به کاهش است. نمونه ای از ترموست‌ها ملامین است که در تولید ظروف ملامین به کار می رود. بسیاری از لاستیک‌ها، رنگ‌ها، رزین‌ها و چسبها نیز ترموست می باشند.
کاربردهای ترموست ها
فنولیک ها : سویچهای الکتریکی، گیره و دستگیره های کوچک، چسبهاآمینو رزین ها: دستگیره های کوچک، انواع چسب های مقاوم، قطعات ملامینی پر شده با سلولزپلی استرهای اشباع نشده: تقویت شده با شیشه برای داشبورد اتومبیل و هواپیما، تنه قایق های کوچک، صندلیها، قطعاتی از آشپزخانه و حماماپکسی رزین ها: پوشش های حفاظتی و زینتی، عایق ها برای ولتاژ بالا، سوئیچ ها و ترانزیستورهاسیلیکون ها: چسبها،ماده درزگیز، ماده بتونه کاری و مهر و موم
چه موادی را می توان به پلیمر ها افزود؟
در اکثر پلیمر ها مواد افزودنی وجود دارد که هر کدام به دلیل خاصی در مراحل تولید به آن ها اضافه می شوند؛
- پرکننده ها
که به دلایل مختلفی به پلیمرها اضافه می شوند. یکی از بهترین پرکننده های شناخته شده، دوده زغال است که برای بهبود استحکام و مقاومت سایشی به چرخ های خودرو اضافه می شوند. بعضی از پرکننده ها مانند الیاف کوتاه یا ذراتی از مواد معدنی، برای بهبود خواص مکانیکی پلیمر اضافه می شود. بعضی دیگر مانند کربنات کلسیم، سیلیکا و تالک برای انبساط حجم پلیمر و کاهش قیمت آن با کمی رزین (چسب) مناسب، ترکیب می گردند.
- مواد رنگی
جهت رنگ دهی به پلیمر اضافه می شوند. این مواد ذراتی مانند اکسید تیتانیوم هستند که به صورت یکنواخت در بسپار توزیع می شوند.
- مواد پایدار کننده
پایدار کننده ها باعث می شوند که تخریب پلیمرها در مجاورت با محیط و اشعه ماورا بنفش به تاخیر بیافتد.
- مواد ضد الکتریسیته ساکن
از آنجایی که اکثر پلیمرها، هادی های بسیار ضعیفی هستند، به مرور زمان و تدریجا دارای بار الکتریکی ساکن می شوند. مواد ضد الکتریسته ساکن با جذب رطوبت محیط در سطح پلیمر، قابلیت هدایت الکتریکی سطحی را بالا می برند و با این عمل احتمال جرقه زدن یا تخلیه الکتریکی را کاهش می دهند.
- مواد به تاخیراندازی نقطه اشتعال
افزودنی هایی مانند کلر، برم، فسفر یا بعضی از نمک های فلزی احتمال وقوع احتراق یا گسترش آنرا کاهش می دهند.
- مواد نرم کننده
این مواد زنجیره های مولکولی با جرم مولکولی پایین هستند که یک حالت روانکاری داخلی در بسپار ایجاد می کنند. بنابراین باعث شکل پذیری پلاستیکی آن می شود.
- تقویت کننده ها
استحکام و سختی پلیمر با اضافه کردن الیاف نازک شیشه و یا کربن به عنوان تقویت کننده افزایش پیدا می کند. توجه به این نکته ضروری است که جرم مخصوص پلیمرها در مقایسه با مواد دیگر پایینتر است، به همین دلیل، نسبت استحکام به وزن در این مواد در حد متناسبی قرار دارد.
با بزرگ شدن زنجیر مولکولی در پلیمر ( درصورتی که فقط نیروهای بین مولکولی سبب اتصال مولکولها به یکدیگر شود ) مقاومت حرارتی و استحکام کششی پلیمر، هر دو افزایش می یابد. بزرگ شدن زنجیر مولکولی به این معنی است که درجه پلیمریزاسیون بیشتراست.
طبقه بندی پلیمر بر اساس ساختار زنجیره ی مونومر
- پلیمرهای خطی: ساختار این پلیمرها از زنجیره‌های بلند و مستقیم تشکیل شده است و از میان آن ها می توان به PVC اشاره کرد که به طور عمده در ساخت لوله ها و کابل‌های برق مورد استفاده قرار میگیرد.
- پلیمرهای شاخه دار: زمانیکه زنجیره‌های خطی پلیمرها، منشعب شوند، چنین پلیمرهایی را پلیمرهای شاخه دار می نامند و پلی‌اتن (با چگالی کم) از نمونه های این دسته است.
- پلیمرهای کراس لینک : این نوع پلیمرها از مونومرهای دو و سه عاملی تشکیل شده اند و در مقایسه با سایر پلیمرهای خطی، پیوندهای کووالانسی قوی تری دارند. از نمونه های این نوع پلیمر می توان به باکالیت (باکلیت) و ملامین اشاره کرد.
پلیمرهای زیست تخریب پذیر
پلیمرهایی که توسط میکرو ارگانیسم‌هایی مانند باکتری‌ها تجزیه می شوند، موسوم به "پلیمرهای زیست تخریب پذیر"(Biodegradable Polymers) هستند. این پلیمرها در پانسمان جراحی و پوشش کپسول ها مورد استفاده قرار می گیرند.
پلیمرهای مقاوم حرارتی
این نوع از پلیمرها مقاومت زیادی در دماهای بالا دارند و به دلیل وزن مولکولی بالا، حتی در دماهای زیاد، تخریب نمی شوند. از این نوع پلیمرها بیشتر در صنایع پزشکی و تجهیزات استریلیزاسیون و همچنین در ساخت لوازم مقاوم در برابر گرما و شوک بهره می گیرند.
خواص پلیمرها
خواص پلیمرها را می توان به سه دسته خواص مکانیکی، شیمیایی و نوری تقسیم کرد.
خواص مکانیکی پلیمر
هر قدر طول زنجیر و اتصال عرضی (کراس لینک) پلیمر افزایش پیدا کند، مقاومت کششی پلیمر نیز افزایش پیدا می کند. ذکر این نکته ضروری است که پلیمرها در بیشتر موارد ذوب نمی شوند، بلکه از حالت بلوری به شبه بلوری تغییر پیدا می کنند.
خواص شیمیایی پلیمر
زنجیره‌های جانبی دوقطبی- دوقطبی باعث انعطاف پذیری بالای پلیمر می شوند. همچنین، پلیمرهایی با نیروهای واندروالس، پلیمرهایی ضعیف با نقطه ذوب پایین هستند.
خواص نوری
به دلیل تغییر ضریب شکست با دما در بعضی از پلیمرها ، از این نوع پلیمرها در لیزرها به منظور بهره گیری در طیف سنجی و کاربردهای تحلیلی استفاده می کنند.
پلیمریزاسیون
پلیمریزاسیون به فرآیند تولید پلیمرهای مصنوعی با تبدیل مولکول های مونومر کوچک به زنجیره‌های طویل گفته می شود که این مونومرها توسط پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل شده باشند. دو روش عمده در این فرآیند ، پلیمریزاسیون مرحله ای و پلیمریزاسیون زنجیره ای است.
تفاوت اصلی دو روش بالا در این است که در پلیمریزاسیون زنجیری، در هر لحظه، یک مونومر به زنجیر اضافه می شود اما در پلیمریزاسیون مرحله ای، چندین مونومر به یکدیگر متصل می گردند.
با نگاه دقیق به زنجیرهای پلیمری ، متوجه خواهیم شد که ساختار شکل کلی مولکول، بیانگر خواص فیزیکی آن است. به طور مثال، اگر زنجیر پلیمری از پیوندهایی پیچیده در هم، تشکیل شده باشد، پلیمر حاصل استحکام بالایی خواهد داشت. در طرف مقابل، اگر زنجیر پلیمری از مولکول هایی با صورت کشیده تشکیل شده باشد، پلیمر حاصل نیز انعطاف پذیر خواهد بود.
شرایط نگهداری پلیمر
- به طور کلی مواد بسپاری (پلیمری) به دلیل حساسیتی که به نور آفتاب، گرما، اسیدها و قلیاها دارند نگهداری آنها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در زیر به چند نکته درباره ی شرایط نگهداری پلیمر ها اشاره می کنیم؛
- پرهیز از تماس مواد بسپاری با مواد شیمیایی از جمله شوینده ها، ازن، اسیدها و قلیاها. در صورتی که مجبور به شستشوی مواد بسپاری شدید آنها را با پارچه نمدار سرد تمیز کنید.
- جهت اطمینان خاطر بیشتر، از تماس این مواد با آب داغ یا گرم و مواد نفتی (روغن و نفتگاز) پرهیز شود.
- این مواد باید در جای خشک و خنک نگهداری شوند.
- دمای محیط کمتر از -10 درجه سانتیگراد و بیشتر از 25 درجه سانتیگراد (ترجیحا 15 درجه سانتیگراد) توصیه می گردد.
- این مواد باید به دور از آفتاب، گرما، جرقه و شعله نگهداری شوند.
- رطوبت نسبی کمتر از 65 درصد باشد.مدت نگهداری این مواد در شرایط مطلوب، نامحدود است.از اعمال نیروهای مکانیکی یا دینامیکی به این مواد خود داری شود.