معنی بسپار یا پلیمر چیست؟
واژه بسپار یک واژه فارسی است که از دو بخش بس (بسیار) و پار (پاره، قطعه) تشکیل شده است. این واژه به جای پلیمر که از دو بخش یونانی (پلی) به معنای بسیار و(مر) به معنی قسمت، پاره یا قطعه گرفته شده است.
بسپار یا پلیمر polymerماده‌ای شامل ملکول های بزرگی است که از واحد های کوچک تکرارشونده که تکپار یا منومر نامیده می‌شود ساخته شده است. قسمت عمده خوراک بسپارها از موتد پایه پتروشمی مانند اتیلن، پروپیلن، بنزن و زایلین‌ها تامین میگردد که تنها 5 درصد از مصرف انرژی فسیلی جهان (نفت ، گاز و …) را به خود اختصاص داده است.
تولید کنندگان بسپار، سازنده هزاران هزار محصول با ارزش قبیل لاستیک‌ها، پلاستیک‌ها، الیاف، چسب‌ها و پوشش ها و … می‌باشند که نه تنها از ارزش افزوده بسیار بالاتری نسبت به مواد اولیه بر خوردارند، بلکه توسعه صنایع پایین دستی را نیز به همراه می آورد.
نحوه تشکیل پلیمر
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.
خواص پلیمر
خواص مکانیکی
از نظر خواص مکانیکی لازم به ذکر است که هر چقدر طول زنجیر و اتصال عرضی پلیمر بیشتر باشد مقاومت کششی این ترکیبات افزایش می یابد.
خواص شیمیایی
وجود زنجیره های جانبی با ویژگی دوقطبی- دوقطبی انعطاف پذیری پلیمر را افزایش می دهد. در مقابل پلیمرهایی که با پیوند واندروالس بهم متصل شده اند دارای ساختاری ضعیف و نقطه ذوب پایین هستند.
خواص نوری
به دلیل اینکه ضریب شکست برخی از پلیمرها با دما تغییر می کند این ترکیبات در لیزرها جهت طیف سنجی و کاربردهای تحلیلی استفاده می شود.
پلیمر زیست تخریب پذیر
این ترکیبات قابل تجزیه هستند و توسط میکروارگانیسم هایی مانند باکتری ها تجزیه می شوند این پلیمرها برای پانسمان در جراحی ها و به عنوان پوشش کپسول مورد استفاده قرار می گیرند.
پلیمر مقاوم در برابر حرارت
این پلیمرها وزن مولکولی بالایی دارند و در دماهای بالا مقاوم هستند. این ترکیبات بیشتر در تجهیزات پزشکی و لوازم مقاوم در برابر گرما و شوک مورد استفاده قرار می گیرند.
ویژگی های پلیمر
بسته به نوع کاربرد می توان پلیمرهایی با ویژگیهای متفاوت ساخت و از برخی خواص سودمند آنها استفاده کرد. این ویژگیها در ادامه شرح داده شده است:
بازتابندگی: از برخی از پلیمرها برای تولید فیلم های بازتابنده استفاده می شود که در انواع تکنولوژیهای مربوط به نور مورد استفاده قرار می گیرد.
مقاومت در برابر ضربه: پلاستیک های محکم که می توانند در برابر حمل و نقل مقاومت کنند ، برای ساخت چمدان ، انواع محافظ ، ضربه گیر اتومبیل و موارد دیگر بسیار مناسب هستند.
شکنندگی: برخی از اشکال پلی استایرن سخت و شکننده هستند و با استفاده از گرما تغییر شکل می دهند.
شفافیت: از پلیمرهای شفاف ، از جمله رس پلیمری ، اغلب در هنرها و صنایع دستی استفاده می شود.
شکل پذیری: برخلاف پلیمرهای شکننده ، پلیمرهای داکتیل می توانند تغییر شکل دهند بدون اینکه از هم بپاشند. فلزاتی مانند طلا ، آلومینیوم و فولاد به دلیل شکل پذیری معروف هستند. پلیمرهای داکتیل اگرچه به اندازه پلیمرهای دیگر قوی نیستند ، اما برای بسیاری از اهداف مفید هستند.
الاستیسیته: لاستیک های طبیعی و مصنوعی خاصیت ارتجاعی دارند که آنها را به محصولاتی ایده آل برای تولید لاستیک اتومبیل و محصولات مشابه تبدیل می کند.
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 از نظر منشاء
پلیمر طبیعی: این ترکیبات در طبیعت و بیشتر در گیاهان یافت می شوند. پروتئین، اسیدهای نوکلئیک، نشاسته، سلولز و کائوچو برخی از پلیمرهای طبیعی هستند. پس اگر کسی از شما پرسید آیا نشاسته پلیمر است؟ می توانید به راحتی به پرسش او پاسخ بدهید.
پلیمر نیمه سنتزی: این ترکیبات از پلیمرهای طبیعی گرفته شده اند و با فرآوری های مختلف خواص آنها به دلخواه تغییر داده می شود. نیترات سلولز و استات سلولز جزء این دسته از ترکیبات هستند.
پلیمر سنتزی یا مصنوعی : این ترکیبات ساخته دست انسان هستند و معروف ترین آنها پلاستیک است که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.
طبقه بندی پلیمر از نظر ساختاری
این طبقه بندی بر اساس ساختار زنجیره اصلی صورت می گیرد. بر این اساس این ترکیبات به دو دسته تقسیم می شوند:
پلیمرهای آلی: ساختار این پلیمرها فقط حاوی عنصر کربن است.
پلیمرهای غیرآلی یا معدنی : در ساختار اصلی این ترکیبات عناصری به غیر از کربن وجود دارد.
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.
| اساس طبقه‌بندی | توضیح | مثال |
| بر اساس پلیمریزاسیون | پلیمریزاسیون افزایشی | پلی‌اتن، تفلون و PVC |
| پلیمریزاسیون تراکمی | نایلون ۶۶، پلی‌استر، پریلن | |
| بر اساس مونومرها | هوموپلیمر (یک نوع واحد مونومر) | پلی‌اتن |
| کوپولیمر (چند نوع واحد مونومر) | نایلون ۶۶ | |
| بر اساس نیروهای مولکولی | الاستومر | رابر |
| فیبر | نایلون ۶۶ | |
| ترموپلاستیک | پلی وینیل کلرید | |
| ترموست | سیلیکون |
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.
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.
با توجه به اهمیت خواص پلیمرها در تولید مواد مختلف، «فرادرس» اقدام به انتشار فیلم آموزش مبانی شیمی فیزیک پلیمرها کرده که لینک آن در ادامه آمده است.
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.
پلیمریزاسیون
پلیمریزاسیون به فرآیند 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.
کاربرد پلیمر
در جدول زیر، بخشی از مهم‌ترین کاربردهای پلیمر در زندگی روزمره آورده شده‌اند.
| نام پلیمر | کاربرد |
| پلی‌پروپیلن | صنایع مختلفی همچون پارچه، بسته‌بندی، نوشت‌افزار، پلاستیک، اسباب‌بازی، ساخت و ساز، ساخت هواپیما، طناب و … |
| پلی‌استایرن | بسته‌بندی، بطری، اسباب‌بازی، قوطی، ظروف یکبار مصرف، میز تلویزیون و … |
| پلی‌وینیل کلرید | لوله‌های فاضلاب، عایق کابل‌های برق، مبلمان، در و پنجره |
| رزین اوره فرمالدهید | ساخت چسب، قالب، ورق‌های لمینت |
| گلیپتال | رنگ‌سازی، پوشش و ساخت لاک الکل |
| باکالیت | ساخت کلیدهای برق، لوازم آشپزخانه، اسباب بازی، جواهرات، عایق |
آلیاژ سازی پلیمر
مهم‌ترین دلایل اقتصادی آلیاژسازی بسپارها، عبارتند از:
- بکارگیری بهتر و بیشتر از بسپارهای مهندسی، به وسیلهٔ آمیزش آنها با گونه‌های ارزان قیمت.
- تهیه مواد با خواص مورد نظر.
- دست‌یابی به آلیاژهایی با کارایی بالا با استفاده از بسپارهایی که اثرات هم‌افزایی (Synergistic) دارند.
- تنظیم ترکیب درصد اجزاﺀ آلیاژ با مشخصات مورد نیاز مصرف‌کننده.
- بازیافت پسماندهای پلاستیک‌های مصرفی و وارد کردن آنها در آلیاژسازی.
نکتهٔ مهمی که وجود دارد این است که انتخاب اجزا آمیزه باید به گونه‌ای باشد که مزایای پلیمر اول پوشانندهٔ معایب پلیمر دوم باشد.
افزودنی‌های بسپار
افزودنی‌های بسپار یک نوع از افزودنی‌های شیمیایی بتن می‌باشند، این مواد برای تصحیح خواص فرآورده‌های بسپاری به کار می‌رود. این مواد عبارتند از:
نرم‌کننده‌ها
نرم‌کننده‌ها افزودنی‌هایی هستند که انعطاف‌پذیری ماده‌ای را که به آن افزوده می‌شود را افزایش می‌دهد. این مواد علاوه بر صنعت پلیمر در بتون و سیمان نیز کاربرد دارد.
نرم‌کننده‌های پلاستیک‌ها معمولاً از دستهٔ فتالات‌ها هستند که انعطاف‌پذیری و دوام پلاستیک را افزایش می‌دهند. عملکرد این مواد به این صورت است که با قرار گرفتن بین مولکول‌های مواد پلیمری فضاهای خالی را افزایش داده و موجب پایین آمدن دمای ذوب کریستالی و در نتیجه نرم‌تر شدن پلیمر می‌شود.
پایدارکننده‌ها
رنگدانه‌ها: رنگدانه‌ها موادی هستند که برای رنگ کردن و دادن خاصیت رنگی به پلیمر استفاده می‌شود و شامل رنگدانه‌های آلی و معدنی می‌شود.
رنگدانه‌های معدنی
رنگدانه‌های غیرآلی، نمک‌های فلزی و اکسیدها هستند. این عوامل رنگزا می‌توانند یک لایه از یک جسم پلاستیکی را با رفتار قابل پیش‌بینی رنگی کنند. اکثر این عوامل رنگزا دارای ذراتی با ابعاد میانگین بین ۰/۲ تا ۱/۰ مسلام.
تولیدکنندگان رنگ‌های مرغوب را با زدودن ذرات بالاتر از ۵ میکرون، تولید می‌کنند. رنگدانه‌های غیرآلی به جز چند استثناء، مواد خام ارزان قیمت هستند که. به خاطر دوام نسبتاً پایین این رنگ‌ها، این رنگدانه‌ها همیشه بهترین کیفیت را ندارند.
رنگدانه‌های آلی
رنگدانه‌های آلی، گسترهٔ وسیعی از لحاظ پیچیدگی ساختاری دارند؛ که ساختار این مواد می‌تواند به سادگی کربن سیاه یا به پیچیدگی ساختار چهارتایی رنگدانه‌های فتالوسیانین باشد.
استفاده از رنگدانه‌های آلی در آلیاژها و آمیخته‌های پلیمری به سرعت در حال افزایش است که این افزایش نتیجه‌ای از دیدگاه کاهش مصرف فلزات سنگین است. به‌طور نمونه، دوام رنگدانه‌های آلی ۱۰–۲۰ بار بیشتر از رنگ‌های غیرآلی مورد مقایسه‌است و این به خاطر این است که رنگ‌های آلی ذرات کوچکتری نسبت به رنگ‌های غیرآلی دارند.[۱۶]
پرکننده‌ها
- آنتی استاتیک (عامل ضد الکتریسیته ساکن)
- آنتی اکسیدانت (عوامل ضد اکسایش)
- آنتی یو وی (پایدارکننده نوری)
رشته دانشگاهی پلیمر
رشته دانشگاهی پلیمر یکی از گرایشهای شیمی و مهندسی شیمی است که این گرایش تا سال ۱۳۶۲ یکی از گرایشهای مهندسی شیمی بود.اما در حال حاضر به عنوان یک رشته مستقل با دو گرایش صنایع پلیمر و تکنولوژی و علوم رنگ در دانشگاه‌ها و مراکز آموزش عالی ارائه می‌شود.
البته هنوز نیز در شماری از دانشگاه‌های کشور مهندسی پلیمر یکی از گرایشهای مهندسی شیمی است.
سوالات متداول در خصوص پلیمرها
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.
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.
پلیمر ساختمانی چیست؟
مواد پلیمری کاربردهای متنوعی دارند و تعداد زیادی از آنها وارد صنعت ساختمان سازی هم شده اند. pvc پرکاربردترین پلیمر در تجهیزات ساختمانی است از مزایای پلی وینیل کلراید طول عمر بالا، عایق رطوبتی و الکتریسیته بودن، خواص ضد آتش، ارزانی، مقاومت شیمیایی بالا و تحمل کششی است.
محصولات پلیمری مورد استفاده در ساختمان شامل لوله کشی ها ، آب و فاضلاب، درب و پنجره سازی، لوازم داخلی، کف سازی ساختمان ها و پوشش های سقف هستند.
پلیمر مصنوعی چیست؟
همانطور که گفتیم پلیمرها به دو دسته طبیعی و مصنوعی دسته بندی می شوند. پلیمرهای ساخته دست بشر را پلیمر مصنوعی می گویند که بسیار بیشتر از انواع طبیعی هستند. پلی پروپیلن، پلی استایرن ، پلی وینیل کلرید، گلیپتال و باکالیت برخی از انواع پلیمرهای مصنوعی هستند که در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می گیرند.