پلیمر چیست؟

حدود یک قرن از از عمر صنعت پلیمر و بشکل ویژه پلاستیک­ها می­گذرد. فعالیت­های روزمره به کالا­های پلاستیکی همانند بطری­های شیر⸲ لوازم خانگی⸲ نایلون­ها⸲ خودروها و بسیاری از اشیای پلاستیکی دیگر وابسته است⸲ بطوریکه تصور جهان بدون پلاستیک تقریبا نا­ممکن است⸲ از این رو می­توان گفت که انسان­ها در عصرپلاستیک­­ها زندگی می­کنند.

­­ پلاستیک­ها مواد ارزان قیمتی نیستند­­⸲ اما از آنجایی که می­توان فرایند ساخت آنها را بصورت یکپارچه انجام داد⸲ محصولات پلاستیکی این قابلیت را دارند که از محصولات فلزی ارزان­تر و گاهاً به صرفه­تر می­باشد. هر چه میزان تولید محصولات پلاستیکی بیشتر باشد قیمت و نوع فرایند ساخت آنها مهمتر می­شوند. تا مدتها قبل از توسعه پلاستیک­های تجاری⸲ برخی مواد خواص منحصر بفردی را از خود به نمایش میگذاشتند. از جمله خواصی که مهندسین و صنعتگران را به سمت مواد پلاستیکی سوق داد: انعطاف­پذیری⸲ شفافیت⸲ سبکی⸲ رنگ­پذیری و قابلیت نرخ تولید بالا می­باشد. تنها تعداد بسیار کمی از مواد هستند که چنین خواصی را بصورت همزمان و همچنین با کیفیت مطلوب دارند. امروزه این مواد را تحت عنوان پلاستیک­های طبیعی می­شناسند⸲ آنها نقطه آغازینی بر تاریخچه مختصر و کوتاه مواد پلاستیکی هستند.

 پلاستیک­ها نهایت خلاقیت بشر در توسعه مواد می­باشند که عمدتا توسط انسان ساخته شده­اند⸲ هر چند منشا گروهی از آنها نیز طبیعت است. ساختار مواد پلاستیک بر مبنای عناصر شیمیایی نظیر کربن⸲ اکسیژن⸲ هیدروژن⸲ نیتروژن⸲ کلراید و سولفور می­باشد که از هوا⸲ آب⸲ گاز⸲ نفت⸲ ذغال و زمین استخراج می­شوند. در نهایت انسان این عناصر را از طبیعت گرفته و آنها را از طریق گروهی از واکنش­های شیمیایی در یک مجموعه بی­پایان به نام مونومر ترکیب کرده تا ترکیبات پلیمری مختلفی که امروزه به نام پلاستیک شناخته می­شوند⸲ حاصل گردد.

در کنار فرایند اکستروژن⸲ تزریق پلاستیک یکی از فرایند­های با اهمیت در تکنولوژی پلاستیک می­باشد.

پلیمر

مواد پلاستیکی شامل مولکول­های زنجیروار بلندی هستند که پلیمر یا ماکرومولکول نامیده می­شوند. واژه پلیمر از دو واژه یونانی نشأت می­گیرد که جز اول آن Poly که در لغت به معنی بسیار می­باشد و جزء بعدی آن more یا meros می­باشد که معنی پاره یا قطعه را می­دهد. پلیمرها ترکیبات شیمیایی هستین که شامل زنجیره­های طویل ترکیب شده­ای از واحدهای تکراری کوچک­⸲ به نام مونومر می­باشند. زنجیره­های پلیمری از سایر زنجیرهای مولکولی در شیمی آلی متفاوت هستند⸲ زیرا آنها بسیار طویل­تر از سایر زنجیره­های شیمی آلی نظیر زنجیره الکل یا اسیدهای آلی می­باشند. واکنشی که در آن مونومرها به همدیگر پیوسته و به یک پلیمر تبدیل می­شوند⸲ بسپارش نامیده می­شود.

اکثر مواد پلاستیکی ترکیبی از مونومرهای آلی می­باشند⸲ اما در برخی موارد می­توانند ترکیبی از اسیدهای معدنی نیز باشند. یک نمونه از پلیمرهای معدنی رزین سیلیکونی متشکل از اسیدهای معدنی می­باشد که زنجیره آن از اتم­های سیلیکون و اکسیژن تشکیل شده است. هیدروژن⸲ کربن⸲ اکسیژن و سیلیکون معمولا عناصر غالب در پلاستیک­ها هستند و علاوه بر آنها عناصر دیگری شامل نیتروژن⸲ فسفر⸲ گوگرد⸲ فلوئر و کلر نیز در ساختار پلاستیک­ها بکار می­روند.

پلیمرها معمولاً بصورت مصنوعی تولید می­شوند⸲ اما پلیمرهایی طبیعی نظیر لاستیک و صمغ درخت نیز هستند که بشر هزاران سال است از آنها استفاده کرده است. همچنین پلیمرهای طبیعی دیگری مانند پروتئین⸲ اسیدهای نوکلئیک⸲ دی ان­ ای و سلولر که جز اصلی چوب و کاغذ می­باشد نام برد.

دسته­بندی پلیمرها

بطور کلی انواع مختلفی از دسته­بندی برای پلیمرها تعریف شده است. این دسته­بندی­ها براساس فرایندپذیری⸲ چینش مونومرها⸲ فرایند سنتز و ساختار مولکولی می­باشد.

الف- دسته­بندی براساس فرایندپذیری

رایج­ترین دسته­بندی برای پلیمرها این گروه می­باشد. مواد پلیمری در این گروه به دو بخش اصلی مواد الاستومر (لاستیک) و پلاستیکی تقسیم می­شوند.

1) الاستومر

الاستومر از دو واژه “الاستیک” به معنای شکل­پذیر و “مر” به معنی جزء⸲ تشکیل شده است. این مواد قابلیت کشسانی بالایی دارند⸲ ضمن اینکه قابلیت انحلال در حلال را ندارند. این مواد دارای پیوند عرضی در الگوی شبکه­ای عریض هستند و به همین دلیل در دمای اتاق بصورت نرم و الاستیک هستند. آب­بندها⸲ لوله خرطومی و تایرها نمونه­هایی از الاستومرها هستند. لاستیک­های طبیعی حالت خاصی از الاستومرها هستند که از شیره درختان نواحی گرمسیری بدست می­آیند.­

2) پلاستیک

اصطلاح پلاستیک نشان­دهنده ترکیبی است که علاوه بر پلیمرها⸲ ­موادی را نیز جهت ارتقای خواص فرآوری⸲ فیزیکی⸲ شیمیایی و مکانیکی در ترکیب خود دارد. پلاستیک­ها تقریبا بهترین ماده عایق الکتریسیته می­باشند که توسط بشر شناخته شده است. هر چند می­توان نوع دیگری از مواد پلاستیکی مخصوص را یافت که قابلیت هدایت الکتریسیته را دارند.  یکی از مهمترین مزیت پلاستیک­ها امکان شکل­دهی ساده آنها در دماهایی پایین­تر از دمای مورد استفاده در فلزات و سایر مواد مرسوم می­باشد⸲ به همین دلیل در بسیاری از کاربردها همچون بسته­بندی⸲ ساختمان­سازی⸲ کالاهای مصرفی و غیره جایگزین مناسبی برای سایر مواد می­باشند. همچنین عملکرد و خواص ویژه پلاستیک­ها زمینه­های تازه­ای از کاربردها را در الکترونیک⸲ خودروسازی و پزشکی بوجود آورده­اند. انرژی مصرفی جهت تولید یک محصول از جنس پلاستیک کمتر از فرایندهای دیگر است. تعداد احتمالات ممکن در ترکیب عناصر شیمیایی برای خلق پلاستیک با خواص متفاوت تقریبا بی­انتهاست⸲ و این گوناگونی پلاستیک­ها را کاربردپذیر کرده است تا در یک محدوده نامحدودی در محصولات امروزی استفاده شوند.

قبل از شروع دهه نود میلادی⸲ بیشترین ماده مورد استفاده توسط بشر⸲ فولاد بوده است اما بتدریج نرخ مصرف مواد پلیمری و پلاستیکی افزایش یافته است⸲ بطوریکه دراواخر دهه هشتاد میلادی نرخ مصرف هر دو مواد تقریبا برابر شد⸲ اما با شروع سده بیست و یک میلادی نرخ مصرف پلاستیک­ها بطور فزاینده ای افزایش یافته است.

نمودار مقایسه نرخ تولید پلاستیک با فولاد و آلومینیوم

مواد پلاستیکی خود به دو دسته مواد ترموست و ترموپلاستیک تقسیم می­شوند.

1) مواد ترموپلاستیک

واژه ترموپلاستیکاز دو بخش “ترمو” به معنی گرما و پلاستیک به معنای شکل­پذیر تشکیل شده است. این مواد پیونهای خطی⸲ انشعاب شده و عرضی کوچکی دارند⸲ در دماهای پایین کشسانی قابل توجهی داشته در دماهای بالا به یک ماده شبه مایع و گرانرو تبدیل می­شوند. ترموپلاست­ها می­توانند مکرراً ذوب شده و یا در بسیاری از حلال­ها متورم و حل گردند. حالت فیزیکی آنها در دمای محیط از یک ماده بسیار صلب و تغییر شکل­ناپذیر تا ماده نرم و انعطاف­پذیر⸲ متغیر می­باشد. این مواد سهم زیادی از بازار پلاستیک­ها را دارا می­باشند. مزیت اصلی ترموپلاستیک­ها تغییر حالتشان به مذاب در اثر حرارت و روش­های متععد شکل­دهی و فرایندپذیری آنهاست. از جمله روش ها می­توان به قالبگیری تزریقی⸲ قالبگیری دمشی⸲ اکستروژن⸲ قالبگیری چرخشی و دمش فیلم اشاره کرد. همچنین از مزایای دیگر این مواد می­توان به امکان ذوب مجدد آنها برای بازیافت و استفاده مجدد اشاره کرد. ترموپلاستیک­ها بسته به گریدشان تا هفت مرتبه قابلیت بازیافت دارند.

از جمله این مواد می­توان به پلی­اتیلن⸲ پلی­پروپیلن⸲ پلی­کربنات⸲ پلی­استایرن⸲ نایلون و استال اشاره کرد.

ترموپلاست­ها خود نیز به دو گروه مواد آمورف و کریستالی تقسیم می­شوند. در Error! Reference source not found. زیر هر دو ساختار مولکولی نمایش داده شده است.

2) آمورف

مواد آمورف شامل موادی می­شود که دارای ساختار مولکولی نامنظم هستند و به علت عبور نور از زنجیره آنها⸲ معمولاً شفاف هستند. این مواد به محض حرارت دیدن شروع به نرم شدن می­کنند و با ادامه فرایند حرارت دادن نرم­تر می­شوند. حرارت­دهی بیش از حد به این مواد باعث سوختن آنها می­گردد.

از سایر خصوصیات آمورف­ها می­توان به انقباض کم آنها در اثر سرد شدن⸲ مقاومت پایین در برابر مواد شیمیایی و مقاومت کم در برابر سایش و خستگی اشاره کرد. پلی­وینیل­کلراید⸲ پلی­استایرن⸲ پلی­کربنات و پلی­فنیلن نمونه­هایی از مواد آمورف هستند.

3) کریستال

مواد کریستال نیز مانند آمورف­ها دارای ساختار نامظم هستند اما با این تفاوت که به محض حرارت دیدن نرم نمی­شوند و باید حرارت­دهی تا رسیدن به دما ذوب آنها ادامه یابد تا ذوب شوند. این مواد نیز براثر حرارت بیش از حد می­سوزند. کریستال­ها بر خلاف آمورف­ها عمدتاً مات هستند و همچنین انقباض آنها در اثر سرد شدن بیشتر است. مقاومت در برابر مواد شیمیایی و مقاومت در مقابل خستگی و سایش نیز در آنها نسبت به آمورف­ها بیشتر است. از جمله مواد کریستال می­توان از پلی­اتیلن⸲ پلی­پروپیلن⸲ پلی­آمید و پلی­استر نام برد.

ساختار مولکولی در ترموپلاست­های آمورف و کریستالی

4) مواد ترموست

مواد ترموست⸲ موادی هستند که پیوند آنها از نوع عرضی با شبکه باریک در تمام جهات می­باشد. این مواد در برابر تغییرات پلاستیکی شدید و در برابر حرارت ­های بالا مقاوم هستند. ترموست­ها متراکم بوده و انحلال آنها غیرممکن می­باشند⸲ ضمن اینکه آنها در دمای محیط ترد و شکننده می­باشند. ترموست­ها در دو شکل مایع و جامد وجود دارند⸲ در برخی موارد می­توانند با روش­های فشار بالا فرایندگیری شوند. برخی از ترموست­ها ضمن مقاومت در دماهای بالا⸲ عایق الکتریکی نیز هستند. این مواد می­توانند ضمن ترکیب با الیاف شیشه و یا کولار⸲ آمیزه­ای بسیار سخت و محکم تشکیل می­دهند. از نقاط ضعف آنها می­توان به عدم قابلیت ماشینکاری و بازیافت آنها نام برد. از جمله ترموست­های معروف⸲ پلاستیک­ فنولیک⸲ ملامین⸲ اپوکسی⸲ پلی­اورتان⸲ وینیل­استر می­باشند. در Error! Reference source not found.زیر تقسیم­بندی پلیمرها براساس قابلیت فرایندپذیری را نشان می­دهد.

تقسیم ­بندی پلیمرها براساس فرایندپذیری

ب- دسته­بندی براساس مونومر

در این نوع دسته­بندی پلیمرها براساس تعداد مونومرها در زنجیر اصلی⸲ به دو دسته کوپلیمر و هوموپلیمر تقسیم می­شوند. زنجیر پلیمری که تنها از یک مونومر تشکیل شده باشد⸲ هوموپلیمر نامیده می­شود و اگر چندین نوع مونومر در زنجیره  پلیمر بکار رفته باشد⸲ کوپلیمر اطلاق می­گردد.

پ- دسته ­بندی براساس فرایند سنتز

واکنش مونومرها برای تشکیل پلیمر از طریق یکی از دو مکانیسم افزایشی یا تراکمی صورت می­پذیرد. در مکانیسم افزایشی⸲ ابتدا آغازگر یا کاتالیست با مونومر واکنش داده و باعث ایجاد مرکز فعال می­شود. افزایش مداوم سایر مونومرها با این مرکز فعال با پیشرفت واکنش ادامه یافته تا تمام مونومرها پلیمریزه شوند. در پلیمریزاسیون تراکمی⸲ هر مونومر به مونومر بعدی اضافه می­شود⸲ اما این واکنش شیمیایی همراه با تولید مولکولی کوچکتر خواهد بود⸲ که باید بطور پیوسته برای ادامه واکنش پلیمیزاسیون از سیستم خارج شوند.

ت- دسته­بندی براساس ساختار مولکولی

آرایش زنجیری مونمرها برای تشکیل ساختارهای مولکولی پلیمرها را می­توان در سه گروه خطی⸲ انشعاب شده و شبکه­ای دسته­بندی نمود که در Error! Reference source not found. زیر نشان داده شده است. در ساختار خطی⸲ واحدهای تکراری یا مونومرها از یک انتها به انتهای یکدیگر و در امتداد طول زنجیر اصلی پلیمر متصل شده­اند. بنابراین هر مونومر در پلاستیک خطی به دو مونومر دیگر متصل شده و یک مولکول باریک و بلند را تشکیل می­دهد. در ساختار انشعاب شده⸲ انشعابات بطور نامنظم در طول زنجیره مولکولی پلیمر توزیع شده و لذا امکان تفکیک واحد ساختاری زنجیر امکان­پذیر نمی­باشد و بدلیل تراکم کمتر زنجیره­های پلیمری⸲ بلورینگی پایینی دارد. مقدار و نوع شاخه­ها می­تواند بر روی خواص فیزیکی مهم⸲ نظیر ویسکوزیته و الاستیسیته تاثیرگذار باشد. در ساختار شبکه­ای⸲ زنجیره­های پلیمری از طریق اتصالات عرضی به یکدیگر متصل می­شوند و علاوه بر اتصالات میان زنجیره­ای دارای شاخه­های جانبی کوتاه می­باشند که باعث می­گردد خاصیت کشسانی بیشتری داشته باشند.

انواع ساختار مولکولی پلیمرها

خواص پلاستیک­ها

اولین قدم در جهت انتخاب مواد و طراحی محصولات پلاستیکی⸲ مشخص کردن کابرد آن است. از جمله مهم­ترین معیارهایی که باید در طراحی محصولات پلاستیکی در نظر گرفت می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. خواص مکانیکی از جمله استحکام⸲ خستگی⸲ چقرمگی و تاثیر حرارت بر آنها
2. خواص اصطکاکی و مقاومت در برابر سایش
3. قابلیت فرایند پذیری از جمله قالبگیری
4. مشخصه­های اختصاصی هر پلاستیک⸲ از جمله خواص گرمایی⸲ الکتریکی⸲ مغناطیسی⸲ صوتی و مقاومت گرمایی
5. به صرفه بودن تولید با درنظر گرفتن مواد پلاستیکی و فرایند ساخت

مواد افزودنی⸲ پرکننده و تقویت­کننده

بسیار کم پیش می­آید که پلیمرها بطور خالص بکار روند. معمولاً از افزودنی­ها یا اصلاح­کننده­های مختلفی برای بهبود خواص آنها استفاده می­گردد که با بکار بردن مجموعه­ای از چند افزودنی مختلف اصلاح می­گردد. بطور مثال از افزودنی­های روانساز در جهت راحتی خروج قطعه از قالب اضافه می­گردند. این افزودنی­ها عموما شامل موارد زیر می­باشد:

1. روان کننده­های سطوح جهت تسهیل خروج قطعه از قالب
2. پایدار­کننده­های حرارتی جهت ممانعت از تخریب پلیمر در طی فرایند
3. رنگ­ دانه­ها
4. افزودنی­های تقویتی نظیر فیبرهای کربن و شیشه جهت تقویت سختی و استحکام
5. اصلاح­کننده­های ضربه و چقرمگی
6. اصلاح­کننده­های یو وی[13] جهت حفظ در برابر اشعه یو وی
7. بازدارنده آتش
8. عوامل آنتی­استاتیک
9. عوامل فومینگ

---