پلیمر

پلیمر یا بسپار چیست؟

پلیمر یا بسپار در حقیقت یک مولکول بزرگ یا درشت‌مولکول و ترکیبی از واحدهای کوچک بسیاری است. واژه پلیمر در یونانی مفهومی معادل «بخش‌های بسیار» دارد. پلیمرها به شکل‌های گوناگونی در اطراف ما وجود دارند و از زنجیر DNA یعنی نوعی بیوپلیمر گرفته تا پلی‌پروپیلین را تشکیل می‌دهند. پلیمرها می‌توانند به صورت طبیعی یافت شوند یا این‌که مصنوعی (سنتزی) باشند. پلیمرهای مختلف، خواص فیزیکی و شیمیایی مختلفی بسته به نوع کاربرد در زندگی روزمره ما دارند.

• مقدمه

پلیمرها موادی متشکل از زنجیره‌های بلند و تکرارشونده از مولکول مونومر (تک‌پار) هستند. بسته به نوع مولکول پیوندی و نحوه پیوند، خواص ویژه‌ای برای یک پلیمر بوجود می‌آید. برخی از پلیمرها را مانند «رابر» (Rubber) و پلی‌استر می‌توان خم کرد یا کشید و برخی دیگر بسیار سخت هستند.

پلیمر را در بسیاری از تجهیزات دنیای مدرن می‌توان یافت و افراد در طول عمر خود حداقل یک بار با مواد پلیمری سروکار داشته‌اند. از واژه پلیمر در بیشتر موارد برای مشخص کردن پلاستیک‌ها (پلیمرهای مصنوعی) استفاده می‌شود. با این وجود، پلیمرهای طبیعی نیز وجود دارند که از جمله آن‌ها می‌توان به کائوچو اشاره کرد که شامل هیدروکربن‌های ساده است. پروتئین‌ها، پلیمرهای طبیعی ساخته شده از آمینو اسیدها و نوکلئیک اسیدها نیز پلیمری از نوکلئوتیدها هستند.

تمامی پلیمرهای مصنوعی توسط فرآیندی موسوم به پلیمریزاسیون تولید می‌شوند که در آن، واحدهایی سازنده به نام مونومر (تک‌پار) با یکدیگر واکنش می‌دهند تا پلیمر (بسپار) به تولید برسد. نوع مکانیسم پلیمریزاسیون به گروه عاملی متصل به واکنش‌دهنده‌ها وابسته است.

• طبقه بندی پلیمرها

به دلیل ساختار پیچیده، کاربردهای متعدد و رفتار متفاوت، پلیمرها را نمی‌توان تنها در یک دسته قرار داد. در نتیجه، بسته به موارد مطرح شده در ادامه متن، پلیمرها را به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌کنیم.

• طبقه بندی پلیمر بر اساس منابع موجود

در این نوع از طبقه‌بندی، سه نوع پلیمر خواهیم داشت که به شرح زیر هستند:

• پلیمر طبیعی:‌ این نوع از پلیمرها در طبیعت و در بین گیاهان پیدا می‌شوند. از جمله نمونه‌های پلیمر طبیعی می‌توان به پروتئین، نشاسته، سلولز و کائوچو اشاره کرد.
• پلیمر نیمه‌سنتزی:‌ این نوع پلیمرها از پلیمرهای طبیعی گرفته شده‌اند و تحت فرآوری‌های شیمیایی قرار می‌گیرند. از جمله این پلیمرها، سلولز نیترات و سلولز استات را می‌توان نام برد.
• پلیمر سنتزی: پلیمرهای مصنوعی ساخته شده توسط انسان هستند. پلاستیک، معمول‌ترین نوع پلیمر مورد استفاده در دنیا به شمار می‌آید که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• طبقه بندی پلیمر بر اساس ساختار زنجیر مونومر

در این بخش،‌ دسته‌بندی‌های زیر را می‌توان در نظر گرفت.

• پلیمرهای خطی: ساختار پلیمرهایی شامل زنجیره‌های بلند و مستقیم را شامل می‌شود و از میان آن‌ها می‌توان به «PVC» اشاره کرد که به طور عمده در ساخت لوله‌ها و کابل‌های برق به کار می‌رود.
• پلیمرهای «شاخه‌دار» (Branched Chain): زمانیکه زنجیره‌های خطی پلیمرها، شاخه‌دار شوند، چنین پلیمرهایی را با نام پلیمرهای شاخه‌دار می‌شناسند و پلی‌اتن (با چگالی کم) از جمله آن‌ها است.
• پلیمرهای «کراس لینک» (Cross-linked): این نوع پلیمرها از مونومرهای دو و سه عاملی تشکیل شده‌اند و در مقایسه با سایر پلیمرهای خطی، پیوند کووالانسی قوی‌تری دارند. از مثال‌های این نوع پلیمر باید به باکالیت (باکلیت) و ملامین اشاره کرد.

• سایر روش ها برای طبقه بندی پلیمرها

در جدول زیر، سایر روش‌های طبقه‌بندی پلیمرها به همراه توضیح و مثال هریک آورده شده است.

• ساختار پلیمر

بسیاری از پلیمرهای اطراف ما دارای ساختاری هیدروکربنی هستند. این ساختار شامل زنجیره‌ای طویل از اتم‌های کربن و هیدروژن متصل به هم است. از نمونه‌های ساختار هیدروکربنی پلیمرها می‌توان به پروپیلن، پلی‌بوتیلن و پلی‌استایرن اشاره کرد. علاوه بر این، پلیمرهایی وجود دارند که در ساختار خود، به جای کربن، عناصر دیگری را شامل می شوند. به طور مثال در نایلون، اتم‌های نیتروژن در واحد پلیمر تکرار می‌شوند.

• انواع پلیمر

پلیمرها را می‌توان بسته به نوع ساختار زنجیر یا سنتزی بودن به دو دسته مختلف تقسیم کرد.

پلیمرها بر اساس نوع ساختار زنجیر اصلی به دو نوع زیر تقسیم می‌شوند:

• پلیمرهای آلی: شامل ساختار کربنی هستند.
• پلیمرهای معدنی (غیرآلی): ساختار اصلی شامل عناصری به غیر از کربن است.

بر اساس نوع سنتز هم دو نوع پلیمر طبیعی و مصنوعی (سنتزی) داریم.

• پلیمرهای زیست تخریب پذیر

پلیمرهایی که توسط میکروارگانیسم‌هایی همچون باکتری‌ها تجزیه می‌شوند، موسوم به «پلیمرهای زیست تخریب پذیر» (Biodegradable Polymers) هستند. از این پلیمرها در پانسمان جراحی و پوشش کپسول‌ها استفاده می‌شود.

مدل فضاپرکن پلی‌وینیل کلرید (PVC)

• پلیمرهای مقاوم حرارتی

این نوع از پلیمرها در دمای بالا پایدار هستند و به دلیل وزن مولکولی بالایی که دارند، حتی در دماهای زیاد، تخریب نمی‌شوند. از این نوع پلیمرها بیشتر در صنایع پزشکی و تجهیزات استریلیزاسیون و همچنین در ساخت لوازم مقاوم در برابر گرما و شوک بهره می‌گیرند.

• خواص پلیمرها

خواص پلیمرها را می‌توان به طور خلاصه به سه دسته خواص مکانیکی، شیمیایی و نوری تقسیم کرد که در ادامه به توضیح هر یک از آن‌ها خواهیم پرداخت.

• خواص مکانیکی پلیمر

هر قدر طول زنجیر و کراس لینک (اتصال عرضی) پلیمر افزایش پیدا کند، مقاومت کششی پلیمر نیز افزایش پیدا می‌کند. لازم به ذکر است که پلیمرها در بیشتر موارد ذوب نمی‌شوند بلکه از حالت بلوری به شبه‌بلوری تغییر پیدا می‌کنند.

• خواص شیمیایی پلیمر

زنجیره‌های جانبی دوقطبی-دوقطبی سبب انعطاف‌پذیری بالای پلیمر می‌شوند. همچنین، پلیمرهایی با نیروهای واندروالس، پلیمرهایی ضعیف با نقطه ذوب پایین هستند.

• خواص نوری

به دلیل تغییر ضریب شکست با دما در برخی از پلیمرها مانند «PMMA»، از این پلیمرها در لیزرها بمنظور بهره‌گیری در طیف‌سنجی و کاربردهای تحلیلی استفاده می‌شود.

• آرایش مولکولی پلیمرها

برای آن‌که درک بهتری از آرایش مولکولی پلیمرها داشته باشید می‌توانید بشقابی از ماکارونی را در نظر بگیرید. شکل حاصل، نحوه آرایش مولکول‌های خطی در صورت نبود نظم و ترتیب خاصی را نشان می‌دهد. کنترل فرآیندهای پلیمریزاسیون و سرد کردن سریع پلیمرها سبب تشکیل پلیمرهایی بی‌شکل (آمورف) خواهد شد. پلیمرهای آمورف به طور معمول شفاف هستد و از این مشخصه در بسیاری از مواد همچون ظروف غذا، پنجره‌های پلاستیکی، لنزهای طبی و شیشه چراغ خودرو‌ها استفاده می‌شود.

البته تمامی پلیمرها شفاف نیستند. زنجیرهای پلیمری در موادی که نیمه‌شفاف یا مات هستند، آرایشی بلوری دارند. طبق تعریف، یک آرایش بلوری شامل اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌هایی است که با الگوهای مشخصی در کنار یکدیگر قرار گرفته باشند. برخی از پلیمرها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که تبلور در آن‌ها صورت نگیرد. هرقدر درجه «بلورینگی» (Crystalinity) بیشتر باشد، نور کمتری از میان پلیمر عبور خواهد کرد. بنابراین، درجه شفافیت یا مات‌شدگی پلیمرها را متاثر از بلورینگی آن‌ها است.

بلورینگی در پلیمرها مزایای بسیاری دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به استحکام، سختی، مقاومت شیمیایی و پایداری آن‌ها اشاره کرد و مهندسان و دانشمندان همواره با ترکیب ساختارهای مولکولی،‌ سعی در تولید محصولاتی با خواص بهتر دارند.

مقایسه پلیمر آمورف (در چپ) و ظرف ماکارونی (در راست)

• پلیمریزاسیون

پلیمریزاسیون به فرآيند تولید پلیمرهای مصنوعی با تبدیل مولکول‌های مونومر کوچک به زنجیره‌های طویل می‌گویند که این مونومرها توسط پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل شده باشند. دو روش عمده در پلیمریزاسیون، «پلیمریزاسیون مرحله‌ای» (Step-growth Polymerization) و «پلیمریزاسیون زنجیره‌ای» (Chain-growth Polymerization) است.

تفاوت عمده دو روش بالا در این است که در پلیمریزاسیون زنجیری (زنجیره‌ای)، در هر لحظه، یک مونومر به زنجیر اضافه می‌شود اما در پلیمریزاسیون مرحله‌ای، چندین مونومر به یکدیگر متصل می‌شوند.

اگر به دقت به زنجیرهای پلیمری نگاه کنید، متوجه خواهید شد که ساختار شکل کلی مولکول، بیانگر خواص فیزیکی آن است. به طور مثال، اگر زنجیر پلیمری از پیوندهایی پیچیده در هم تشکیل شده که شکستن ‌آن‌ها دشوار باشد، پلیمر حاصل نیز استحکام بالایی خواهد داشت. در مقابل، اگر زنجیر پلیمری از مولکول‌‌هایی با مشخصه کشیده تشکیل شده باشد، پلیمر حاصل نیز انعطاف‌پذیر خواهد بود.

• نحوه محاسبه جرم مولکولی پلیمرها و شاخص پراکندگی

دو روش کلی برای محاسبه متوسط جرم مولکولی پلیمرها وجود دارد:

• روش میانگین عددی
• روش میانگین وزنی

• کاربرد پلیمر

در جدول زیر، بخشی از مهم‌ترین کاربردهای پلیمر در زندگی روزمره آورده شده‌اند.

• چرا پلیمرها خواص متفاوتی دارند؟

در پلیمرها، مونومرها بوسیله برهم‌کنش‌های مولکولی مختلفی با یکدیگر پیوند دارند. طبیعتِ این برهم‌کنش‌ها سبب الاستیسیته، مقاومت کششی، پایداری حرارتی و سختی متفاوت در این پلیمرها می‌شود. پلیمرها با خواص مختلف در زیر فهرست شده‌اند.

• مونومرها با پیوندهای ضعیف، زنجیره‌ای خطی را تشکیل می‌دهند. این نوع از پلیمرها دارای خاصیت الاستیسیته و موسوم به الاستومر هستند که از نمونه‌های آن‌ها می‌توان به «نئوپرن» (Neoprene)، «بونا-اس» (Buna-S) و «بونا-آر» (Buna-R) اشاره کرد.
• پلیمرهایی با برهم‌کنش‌های قوی بین مونومرها، مقاوت کششی بالایی دارند و به عنوان فیبر مورد استفاده قرار می‌گیرند. پلی‌آمیدها (نایلون ۶۶) و پلی‌استرها از این نوع پلیمر به شمار می‌آیند.
• پلیمرهایی که نیروهای بین مولکولی در آن‌ها، در میان فیبرها و الاستومرها باشد را با نام ترموپلاستیک می‌شناسند. این پلیمرها را بدون تغییر در خواص پلیمری آن‌ها می‌توان بارها به تولید رساند. پلی‌تن (پلی‌اتیلن) و پلی‌وینیل از جمله این نوع پلیمرها هستند.
• مونومرهایی که شاخه‌دار می‌شوند، در اثر حرارت، ذوب خواهند شد و نمی‌توان آن‌ها را به طور مجدد استفاده کرد. به این مواد، پلاستیک‌های ترموسِت می‌گویند. از نمونه‌های این پلیمرها می‌توان به باکالیت و اوره فرمالدهید اشاره کرد.

• فرآیند پخت رابر به چه معناست؟

رابر طبیعی (کائوچو)، الاستیسیته بسیار بالا و پایداری فیزیکی پایینی دارد. اضافه کردن ۵ درصد گوگرد، به بهبود اتصال عرضی زنجیره‌های خطی کمک می‌کند و این عمل در نهایت، سبب استفاده از آن‌ها در تایر خودروها می‌شود که به این فرآیند، «پخت گوگردی» (Sulfur Vulcanization) می‌گویند.

• پلیمر زیست تخریب پذیر چیست؟

این نوع از پلیمرها شامل گروه‌های عاملی هستند که در پلیمرهای طبیعی یافت می‌شوند و در حضور باکتری‌ها، تجزیه و تخریب می‌شوند. از نمونه‌های این نوع پلیمر می‌توان به «PHBV» اشاره کرد.

• پلیمرها را چگونه شناسایی می کنند؟

برای شناسایی پلیمرها از روش‌های مختلفی استفاده می‌کنند که از میان آن‌ها می‌توان به روش‌های مختلف طیف‌سنجی مانند طیف‌سنجی مادون قرمز، رزونانس مغناطیسی هسته و طیف‌سنجی رامان اشاره کرد.