پلیمر: مرور جامعی بر طبقه‌بندی انواع پلیمرها و خواص آن‌ها
پلیمر یا بزرگ مولکول یا بسپار، مولکول های بسیار بزرگی است که از اتصال چند صد مونومر به یکدیگر و تشکیل زنجیره های بلند شکل می گیرد. کلمه polymer ریشه یونانی دارد و از کلمه “پلی” به معنای چند و “مر” به معنی بخش یا قسمت تشکیل شده است.
مونومر چیست؟
مونومر کوچکترین واحد تکرار شونده پلیمر است. مثلا اگر یک تسبیح را به عنوان یک زنجیر پلیمر در نظر بگیرید، دانه های تسبیح در حکم مونومر های آن هستند.
پلیمریزاسیون چیست؟
فرایندی است که در آن مولکول های مونومر به هم متصل شده تا یک مولکول بزرگ پلیمر را شکل دهند. پلیمریزاسیون فرایند به هم پیوند دادن مونومر ها از طریق یک سری واکنش های شیمیایی می باشد.
طبقه بندی انواع پلیمرها
پلیمرها را می توان از طرق مختلف دسته بندی کرد که مرسوم ترین آن ها به شرح ذیل می باشد. البته پلیمرها بسته به نوع ساخت و کاربردشان به دو نوع مهندسی و رایج نیز تقسیم بندی می شوند و هریک در بخش های جداگانه شرح داده شده اند.
- انواع پلیمرها از لحاظ منشا
- انواع پلیمرها از لحاظ واکنش به حرارت
- انواع پلیمرها از لحاظ ساختار زنجیره ها
- انواع پلیمرها از لحاظ بلورینگی
- انواع پلیمرها بر پایه مونومر
- انواع پلیمرها از لحاظ کاربرد و خواص فیزیکی
- انواع پلیمرها از لحاظ آرایش تاکتیسیته
طبقه بندی بر اساس منشا
پلیمرها از لحاظ منشا به سه دسته طبیعی،سنتزی، نیمه سنتزی تقسیم می شوند.
- پلیمر طبیعی: پلیمرهایی هستند که تنها از مواد موجود در طبیعت ساخته شده اند مانند پشم، ابریشم، لاستیک طبیعی، سلولز، پروتئین، نشاسته و …
- پلیمر سنتزی یا مصنوعی: پلیمرهایی که در آزمایشگاه از مولکول هایی با وزن مولکولی پایین ساخته می شوند. مانند نایلون ها، پلی اتیلن
- (پلی اتیلن EX3)، پلی استر، رابرهای مصنوعی، پی وی سی، تفلون و …
- پلیمر نیمه سنتزی: پلیمرهایی که از اصلاح شیمیایی ساده پلیمرهای طبیعی به منظور اصلاح خواص ساخته می شوند. مانند سلولز استات، سلولز نیترات و …
انواع پلیمرها بر اساس رفتار در مقابل حرارت
پلاستیک ها از لحاظ رفتار در مقابل حرارت به دو دسته ترموپلاستیک ها و ترموست ها تقسیم بندی می شوند.
- ترموپلاستیک ها: ترموپلاستیک ها یا گرمانرم ها پلیمرهایی هستند که به راحتی در اثر حرارت در شکل های متنوع قالب گیری شده و سپس در دمای اتاق خنک شده و قابل استفاده خواهند بود. یعنی در معرض حرارت نرم شده و با خنک شدن مجددا سفت خواهند شد. مانند پلی اتیلن(پلی اتلین LLD209)، پی وی سی، پلی پروپیلن(پلی پروپیلن Z30S)، پلی استایرن و…(هایمپک ۷۲۴۰ – کریستال ۱۵۴۰)
ترموپلاستیک ها شامل زنجیره های بلندی هستند که هریک نیز ممکن است گروه ها یا زنجیره های جانبی داشته باشند. در طول فرایند و شکل دهی آن ها بر اثر حرارت ترموپلاستیک ها دچار هیچ نوع واکنش شیمیایی نمی شوند. ترموپلاستیک ها وقتی که در معرض حرارت قرار می گیرند، قابلیت جریان یافتن دارند و به راحتی به شکل قالب های مختلف در می آیند.
- ترموست ها: ترموست ها یا گرماسخت ها پلیمرهای سخت و غیر قابل ذوب در برابر حرارت هستند. این پلیمرها در اثر حرارت نرم نمی شوند و امکان قالب گیری مجدد آن ها وجود ندارد. ترموست ها پلیمرهایی دارای پیوند های عرضی هستند که قابلیت استفاده مجددا در آن ها وجود ندارد.
در رزین های ترموست گروه های فعال مولکولی در طول فرایند ساخت، تشکیل پیوند های عرضی بین مولکول ها را می دهد. این پیوند های عرضی یا اصطلاحا پخت شدن ماده امکان نرم شدن ماده در اثر حرارت را نمی دهد. مواد ترموست عموما به صورت کامپاند های نیمه پلیمریزه شده یا مایع مخلوط پلیمر-مونومر عرضه می شوند تا واحدهای تولیدی بتوانند آن ها را به شکل محصول نهایی دراورده و سپس پخت کنند.
به عبارت دیگر، ترموست ها از طریق روش هایی مانند گرمادهی یا تشعشع و … پخت می شوند. فرایند پخت به علت همان پیوند های عرضی که به ان اشاره شد غیر قابل برگشت است. یعنی با گرم شدن مجدد برخلاف ترموپلاستیک ها این مواد به صورت جامد باقی می مانند تا جایی که شروع به تخریب کنند.
از مهمترین ترموست ها می توان به فنولیک ها، اوره، ملامین، اپوکسی، آلکیدها، پلی استرها، سیلیکون و یورتان اشاره کرد.
انواع پلیمرها از لحاظ ساختار زنجیره ها
از لحاظ ساختاری، پلیمر ها به سه دسته پلیمر های خطی، شاخه ای و دارای پیوند عرضی تقسیم می شوند.
- پلیمرهای خطی: در این نوع پلیمر ها، مونومر ها به یکدیگر متصل شده و تشکیل زنجیره های بلندی را می دهند. در این نوع پلیمرها هیچگونه شاخه جانبی وجود ندارد و مولکول های آن ها به هم نزدیک بوده و معمولا دانسیته، نقطه ذوب و استحکام کششی ان ها بالاست. مانند HDPE و نایلون-پلی اتیلن ۵۲۵۱۸
- پلیمرهای شاخه ای: این دسته از پلیمر ها دارای زنجیره های بلند و مستقیم هستند اما شاخه های جانبی متفاوتی نیز دارند. به همین علت مولکول های آن ها به طور نامنظم قرار گرفته و از همین رو دانسیته یا چگالی پایین تر، استحکام کششی و نقطه ذوب کمی دارند.
- پلیمرهای دارای پیوند های عرضی و شبکه ای: در این دسته پلیمرها، واحدهای تکرار شونده با متصل شدن به یکدیگر تشکیل شبکه های ۳ بعدی را می دهند. ارتباط بین آن ها از طریق پیون های عرضی شکل می گیرد. و به دلیل نوع متصل شدن واحدها و ساختار شبکه ای شان، سخت، سفت و شکننده هستند. از مهمترین آن ها می توان به ملامین، رزین فرمالدهید، لاستیک های پخت شده و … اشاره کرد.
انواع پلیمرها از لحاظ بلورینگی
پلیمر ها از لحاظ آرایش یافتگی زنجیره ها و بلورینگی به سه دسته کریستالی (بلورین)، آمورف (بی شکل) و نیمه بلورین تقسیم بندی می گردند.
- بلورین: وقتی زنجیره های پلیمری بسیار منظم و با شکل خاصی در کنار هم قرار گیرند تشکیل کریستال یا بلور را می دهند. یک پلیمر کریستالی زنجیره های مولکولی اش منظم در یکدیگر قفل شده اند و به همین دلیل استحکام بالایی از خود نشان می دهند. برای پلیمر های بلورین، دمای ذوب تعریف می شود. یعنی در دما یا بازه دمایی خاصی پلیمرهای بلورین شروع به ذوب شدن می کنند و آن را با Tm نشان می دهند.
- آمورف: عکس پلیمرهای بلورین می باشند یعنی زنجیره های مولکولی به شکل تصادفی و غیر منظم قرار گرفته اند و شکل خاصی را پیروی نمی کنند. این باعث شده تا خواص الاستیسیته و انعطاف پذیری بالایی داشته باشند. برخلاف پلیمرهای بلورین، پلیمرهای آمورف دارای نقطه ذوب نمی باشند و دمایی که در آن جریان پیدا می کنند را با Tg یا دمای انتقال شیشه ای نشان می دهند. از ویژگی های مهم پلیمرهای آمورف می شود به مقاومت حرارتی نسبتا پایین، پایداری ابعادی پایین، خزش نسبتا بالا اشاره کرد.
- نیمه بلورین: در واقعیت می شود گفت که همه پلیمرها دارای مناطق کریستالی و آمورف به صورت همزمان هستند. یعنی پلیمر ۱۰۰ درصد آمورف و مخصوصا ۱۰۰ درصد کریستالی وجود ندارد. هرچند می توان از طریق روش هایی این مقادیر را به ۱۰۰ نزدیک کرد. معمولا پلیمرهای آمورف حداکثر تا ۹۰ درصد و پلیمرهای بلورین حداکثر تا ۸۰ درصد دارای ماهیت آمورف و بلورین هستند.
انواع پلیمرها بر پایه مونومر
- همو پلیمر: پلیمری که شمنل تنها یک مونومر مشخص باشد که تنها آن مونومر در زنجیره هایش تکرار شده باشد. به این نوع پلیمرها، هموپلیمر می گویندو مانند پلی اتیلن (تنها شامل مونومر اتیلن)، پلی وینیل کلراید (تنها شامل مونومر وینیل کلراید) و …پلی پروپیلن C30S
- کوپلیمر: کو پلیمرها پلیمرهایی هستند که از ۲ نوع مونومر مختلف تشکیل شده اند و در واحدهای تکرار شونده شان دو نوع مونومر موجود است مانند نایلون ۶۶. اگر تعداد مونومرهای موجود به ۳ عدد افزایش یابد به آن ها ترپلیمر گویند مانند ABS یا آکریلو نیتریل بوتادین استایرن ABS SD0150
انواع پلیمر ها از لحاظ کاربرد و خواص فیزیکی
پلیمرها از لحاظ کاربرد و خواص فیزیکی به ۴ دسته پلاستیک، لاستیک یا الاستو
۱- پلاستیک: پلیمرهایی که با استفاده از گرما و فشار به شکل مواد سخت و سفت تبدیل شده اند به پلاستیک معرف هستند و اکثرا نیمه بلورین می باشند. مانند PMMA، PE و … نیروی بین مولکولی آن ها مابین الیاف و لاستیک هاست.
۲-الاستومر ها یا لاستیکها: پلیمرهای جامد با خواص کشسانی مناسب و خاصیت الاستیسیته بالا هستند. در این نوع پلیمرها زنجیره های پلیمری توسط ضعیفترین نیروی بین مولکولی به هم متصل هستند و بخش اعظم ساختار آن ها آمورف می باشد. همین نیروی ضعیف بین مولکولی سبب خاصیت کسانی بالای آن ها می باشد. مانند رابرها و …
۳- الیاف یا فیبر ها: اگر پلیمررشته ای طولانی باشد که طول آن حداقل ۱۰۰ برابر قطر آن باشد، به آن ها الیاف گفته می شود. این پلیمرها خواص کششی بسیار بالایی دارند و درجه کریستالی بالایی از خود نشان می دهندو مانند نایلون
۴-رزین ها: پلیمرهایی با وزن مولکولی پایین می باشند که به عنوان چسب، درزگیر و .. کاربرد دارند. اکثرا به شکل مایع موجود هستند و معمولا برای بالابردت استحکام آن ها در حین کاربرد یا پس از آن، آن ها را پخت می کنند. مثلا چسب هایی که در مصارف عمومی استفاده می شود، پس از مدتی که در معرض هوا بود پخت و سخت می شود. به آن ها چسب های هوا پخت گفته می شود.
انواع پلیمرها از لحاظ آرایش تاکتیسیته
تاکتیسیته به معنای قرارگیری گروه های جانبی در فضا می باشد.
۱- ایزو تاکتیک: کانفیگوراسیون سر به دم که در آن گروه ها همه در یک طرف زنجیره قرار می گیرند را ایزو تاکتیک گویند.
۲- اگر این گروه ها در هر دو طرف زنجیره و به شکل تصادفی قرار گیرند، به آن اتاکتیک گویند.
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.
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.
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.
