پليمر،كاربردهاي آن و انقلاب صنعتي
پليمر،كاربردهاي آن و انقلاب صنعتي
بشر با تلاش براي دستيابي به مواد جديد, با استفاده از مواد آلي (عمدتا هيدروکربنها) موجود در طبيعت به توليد مواد مصنوعي نايل شد. اين مواد عمدتا شامل عنصر کربن , هيدروژن, اکسيژن, نيتروژن و گوگرد بوده و به نام مواد پليمري معروف هستند. مواد پليمري يا مصنوعي کاربردهاي وسيعي , از جمله در ساخت وسايل خانگي , اسباب بازيها, بسته بنديها , کيف و چمدان , کفش , ميز و صندلي , شلنگها و لوله هاي انتقال أب , مواد پوششي به عنوان رنگها براي حفاظت از خوردگي و زينتي , لاستيکهاي اتومبيل و بالاخره به عنوان پليمرهاي مهندسي با استحکام بالا حتي در دماهاي نسبتا بالا در ساخت اجزايي از ماشين ألات, دارند.
پليمرها خواص فيزيکي و مکانيکي نسبتا خوب و مفيدي دارند . أنها داراي وزن مخصوص پاييين و پايداري خوب در مقابل مواد شيميايي هستند. بعضي از أنها شفاف بوده و مي توانند جايگزين شيشه ها شوند. اغلب پليمرها عايق الکتريکي هستند. اما پليمرهاي خاصي نيز وجود دارند که تا حدودي قابليت هدايت الکتريکي دارند .
عايق بودن پليمرها به پيوند کووالانسي موجود بين اتمها در زنجيرهاي مولکولي ارتباط دارد. اما تحقيقات انجام شده در سالهاي اخير نشان داد که امکان ايجاد خاصيت هدايت الکتريکي در امتداد محور مولکولها وجود دارد. اين نوع پليمرها اساسا از پلي استيلن تشکيل شده اند. با نفوذ دادن عناصري مانند فلزات قليايي يا هالوژنها «فرايند دوپينگ) به زنجيرهاي مولکولي پلي استيلن به ترتيب نيمه هاديهاي پليمري از نوع N و P به دست مي أيند. افزودن عناصر يا دوپينگ سبب مي شود که الکترونها بتوانند در امتدا د اتمهاي کربن در زنجير حرکت کنند.
تفلون از مواد پليمري است که به دليل ضريب اصطکاک پاييني که دارد به عنوان پوشش براي جلوگيري از چسبيدن مواد غذايي در وسايل پخت و پز استفاده مي شود.
ساختار پلي مرها
اغلب پليمرهاي متداول از پليمريزاسيون مولکولهاي ساده آِلي به نام منومر به دست مي أيند. براي مثال پلي اتيلن (PE) پليمري است که از پليمريزاسيون با افزايش (ترکيب) چندين مولکول اتيلن به دست مي أيد. هر مولکول اتيلن يک منومر ناميده مي شود.
با ترکيب مناسبي از حرارت, فشار و کتاليزور , پيوند دوگانه بين اتمهاي کربن شکسته شده و يک پيوند ساده کووالانسي جايگزين أن مي شود. اکنون دو انتهاي أزاد اين منومر به راديکالهاي أزاد تبديل مي شود, به طوري که هر اتم کربن يک تک الکترون دارد که مي تواند به راديکالهاي آزاد ديگر افزوده شود. از اين رو در اتيلن دو محل ( مربوط به اتم کربن) وجود دارد که مولکول هاي ديگر مي توانند در آنجا بدان ضميمه شوند . اين مولکول با قابليت انجام واکنش , زير بناي پليمرها بوده و به (مر) يا بيشتر واحد تکراري موسوم است. واحد تکراري در طول زنجير مولکول پليمر به تعداد دفعات زيادي تکرارميشود. طول متوسط پليمر به درجه پليمرزاسيون يا تعداد واحدهاي تکراري در زنجير مولکول پليمر بستگي دارد. بنابراين نسبت جرم مولکولي پليمر به جرم مولکولي واحد تکراي به عنوان (درجه پليمريزاسيون) تعريف شده است . با بزرگتر شدن زنجير مولکولي ( در صورتي که فقط نيروهاي بين مولکولي سبب اتصال مولکولها به يکديگر شود) مقاومت حرارتي و استحکام کششي مواد پليمري هر دو افزايش مي يابند.
به طور کلي فرايند پليمريزاسيون مي تواند به صورتهاي
مختلفي مانند افزايشي , مرحله اي و .... انجام گيرد.در پليمريزاسيون افزايشي ,
تعدادي از واحدهاي تکراري به يکديگر اضافه شده و مولکول بزرگتري را به نام پليمر توليد مي
کنند. در اين نوع پليمريزاسيون ابتدا در مرحله اول راديکال آزاد, با دادن
انرژي (حرارتي , نوري) به مولکولهاي اتيلين با پيوند دوگانه و شکست پيوند دوگانه , به
وجود مي آيد. سپس راديکالهاي آزاد با اضافه شدن به واحدهاي تکراري مراکز فعالي
به نام آغازگر شکل مي گيرند و هر يک از اين مراکز به واحدهاي تکراري ديگر اضافه
شده و رشد پليمر ادامه مي يابد .
از
نظر تئوري درجه پليمريزاسيون افزايشي مي تواند نامحدود باشد, که در اين صورت مولکول زنجيره
اي بسيار طويلي از اتصال تعداد زيادي واحدهاي تکراري به يکديگر شکل مي گيرد. اما
عملا رشد زنجير به صورت نامحدود صورت نمي گيرد.هر چه قدر تعداد مراکز فعال يا
آغازگرهاي شکل گرفته بيشتر باشد , تعداد زنجيرها زيادتر و نتيجتا طول زنجيرها
کوچکتر مي شود و بدين دليل است که خواص پليمرها تغيير مي کند. البته سرعت رشد نيز در
اندازه طول زنجيرها موثر است . هنگامي که واحدهاي تکراري تمام و زنجيرها به يکديگر
متصل شوند, رشد خاتمه مي يابد.
از ديگر روشهاي پليمريزاسيون, پليمريزاسيون مرحله اي است که در آن منومرها با يکديگر واکنش شيميايي داده و پليمرهاي خطي را به وجود مي اورند. در بسياري از واکنشهاي پليمريزاسيون مرحله اي مولکول کوچکي به عنوان محصول فرعي شکل مي گيرد . اين نوع واکنشها گاهي پليمريزاسيون کندنزاسيوني نيز ناميده مي شوند.
سنتزي به نام پلي اتيلن
پلي اتيلن يا پلي اتن يكي از ساده ترين و ارزانترين
پليمرها است. پلي اتيلن جامدي مومي و غيرفعال است. اين ماده از
پليمريزاسيون اتيلن بدست مي آيد و بطور خلاصه بصورت PE نشان داده مي شود.
مولكول اتيلن (C2H4) داراي يك بند دو گانه C=C است در فرايند پليمريزاسيون بند دوگانه هر يك از منومرها
شكسته شده و بجاي آن پيوند ساده اي بين اتم هاي كربن مونومرها ايجاد مي شود و
محصول ايجاد شده يك درشت مولكول است.
پلي
اتيلن اولين بار بطور اتفاقي توسط شيميدان آلماني Hans von pechmanv سنتز شد. او در سال 1898
هنگام حرارت دادن دي آزومتان تركيب مومي شكل سفيدي را سنتز كرد كه
بعدها پلي اتيلن نام گرفت. اولين روش سنتز صنعتي پلي اتيلن بطور تصادفي
توسط ازيك ناوست و رينولرگيسون (از شيميدان هاي ICI) در 1933 كشف شد. اين دو دانشمند با حرارت
دادن مخلوط اتيلن و بنزاهيد در فشار بالا ماده اي موم مانند بدست آوردند. علت
اين واكنش وجود ناخالصي هاي اكسيژن دار در دستگاه هاي مورد استفاده توسعه داد و تحت
فشار بالا پلي اتيلن را سنتز كرد كه اين روش اساسي براي توليد صنعتي LDPE در سال 1939 شد.
اتفاق مهم در سنتز پلي اتيلن كشف چندين كاتاليزور جديد بود كه پليمريزاسيون اتيلن را در دما و فشار ملايمتري نسبت به روشهاي ديگر امكان پذير مي كرد. اولين كاتاليزور كشف شده در اين زمينه تري اكسيد كروم بود كه در 1951 توس روبرت بانكس و جان هوسن در شركت فيليپس تپروليوم آنرا كشف كردند در سال 1935 كارل زيگلر شيميدان آلماني سيستم هاي كاتاليزور شامل هاليدهاي تيتان و تركيبات آلي آلومينيوم دار را توسعه داد.
اين كاتاليزورها در شرايط ملايمتري نسبت به كاتاليزورهاي فيليپس قابل استفاده بودند و همچنين پلي اتيلن يك آرايش (با ساختار منظم) توليد مي كردند. سومين نوع سيستم كاتاليزوري استفاده از تركيبات متالوسن بود كه در سال 1976 در آلمان توسط والتر كامينيكي و هانس ژوژسين توليد شد. كاتاليزورهاي زيگلر و متالوسن از لحاظ كاركرد بسيار انعطاف پذير هستند و در فرايند كوپليمريزاسيون اتيلن با ساير اولفين ها كه اساس توليد پليمرهاي مهمي مثل VLDPE و LLDPE و MDPE هستند مورد استفاده قرار مي گيرند.
اخيراً كاتاليزوري از خانواده متالوين ها با قابليت استفاده بالا براي پليمريزاسيون پلي اتيلن به نام زيركونوسن دي كلريدساخته شده است كه امكان توليد پليمر با ساختار بلوري (تك آرايش) بالا را مي دهد. همچنين نوع ديگري از كاتاليزورها به نام كمپلكس ايمينوفتالات با فلزات گروه ششم مورد توجه قرار گرفته است كه كاركرد بالاتري نسبت به متالوسن ها نشان مي دهند.
طبقه
بندي اتيلن ها بر اساس دانسيته آنها صورت مي گيرد. كه در مقدار دانسيته اندازه
زنجير پليمر و نوع و تعداد شاخه هاي موجود در زنجير دخالت دارد.
HDPE پلي اتيلن سنگين
اين پلي اتيلن داراي زنجير پليمري بدون شاخه است. بنابراين نيروي بين مولكولي در زنجيره بالا و استحكام كششي آن بيشتر از بقيه پلي اتيلن ها است. شرايط واكنش و نوع كاتاليزور مورد استفاده در توليد پلي اتيلن HDPE موثر است. براي توليد پلي اتيلن بدون شاخه معمولاً از روش پليمريزاسيون با كاتاليزور زيگلر ـ ناتا استفاده مي شود.
LDPE پلي اتيلن سبك
اين پلي اتيلن داراي زنجيري شاخه دار است. بنابراين زنجيرهاي LDPE نمي توانند بخوبي با يكديگر پيوند برقرار كنند و داراي نيروي بين مولكولي ضعيف و استحكام كششي كمتري است اين نوع پلي اتيلن معمولاً با روش پليمريزاسيون راديكالي توليد مي شود از خصوصيات اين پليمر انعطاف پذيري و امكان تجزيه بوسيله ميكروارگانيهاي است.
LLDPE پلي اتيلن خطي با دانسيته پايين
اين پلي اتيلن يك پليمر
خطي با تعدادي شاخه هاي كوتاه است و معمولاً از
كوپليمريزاسيون اتيلن با آلكنها بلند زنجير ايجاد مي شود.
MDPE پلي اتيلن با دانستيه متوسط است.
كاربرد
پلي اتيلن كاربرد فراواني در توليد انواع لوازم پلاستيك مورد استفاده در آشپزخانه و صنايع غذايي دارد. از LDPE در توليد ظروف پلاستيكي سبك و همچنين كيسه هاي پلاستيك استفاده مي شود. LDPE در توليد ظروف شير و مايعات و انواع وسايل پلاستيكي آشپزخانه كاربرد دارد. در توليد لوله هاي پلاستيكي و اتصالات لوله كشي معمولاً از MDPE استفاده مي كنند.
LLDPE بدليل بالا بودن ميزان انعطاف پذيري در تهيه انواع وسايل پلاستيكي انعطاف پذير مانند لوله هايي با قابليت خم شدن كاربرد دارد. اخيرا پژوهش هاي فراواني در توليد پلي اتيلن هايي با زنجير بلند و داراي شاخه هاي كوتاه انجام شده است اين پلي اتيلن ها در اصل HDPE با تعدادي شاخه هاي جانبي هستند اين پلي اتيلن ها تركيبي استحكام HDPE و انعطاف پذيري LDPE را دارد.
كاربرد پليمر در عايق كاري ساختمان
فومهاي پليمري فوم جسمي است كه از دو فاز مختلف گاز و جامد تشكيل شده است. در مورد فومهاي پليمري فاز جامد از پليمر ساخته شده است. در يك توده فومي دو نوع فضاي خالي در بخش پليمري ميتواند وجود داشته باشد كه آنها را سلول مينامند. از اينرو دو نوع سلول شامل باز و بسته در فومها وجود دارند. در مورد فومهاي سلول باز فاز گاز موجود نيز پيوسته است در حالي كه در فومهاي سلول بسته فاز گاز ناپيوسته است. نوع سلول شديدا خواص مكانيكي و حرارتي فومهاي پليمري را تغيير ميدهد. انواع فومهاي پليمري به شرح زير است: فوم پلياستايرن فوم پلييورتان فوم فنليك فوم اوره فرمالدئيد فوم پلي وينيل كلرايد فوم پلي وينيل الكل _ فرمالدئيد فوم اپوكسي فومهاي ديگر از ميان اين فومها مورد يك تا پنج در عايقكاري ساختماني و پانلهاي ساندويچي به كار برده شدهاند. شايان ذكر است كه در پانلهاي ساندويچي اغلب فومهاي سخت كه سلول باز هستند به كار برده ميشوند. پليمرهايي كه در ساخت اين فومها استفاده ميشوند به دو دسته كلي گرمانرم و گرماساخت تقسيم ميشوند. فومهاي پلياستايرن و PVC مثالهاي مورد اول و فومهاي فنليك، اوره فرمالدئيد و پلييورتال مثالهاي مورد دوم هستند. از اين رو بسته به نوع پليمر به كار رفته در فوم ساخته شده نحوه توليد آن متفاوت است. آنچه كه در مورد فومهاي مختلف اهميت دارد نوع پليمر و نوع گازي است كه در سلولهاي آن قرار دارند. اين دو عامل ضريب هدايت حرارتي و يا توانايي يك فوم را در ايفاي نقش عايق حرارتي تعيين ميكند. پلياستايرن منبسط مصالح عايقكاري حرارتي فوم پلياستايرن صلب، مصالح پلاستيك سلولي صلبي با يك ساختار عمدتا سلول بسته است كه از پلياستايرن يا از كوپليمرهايي كه تشكيلدهنده اصلي آنها پلياستايرن است، ساخته ميشود. بنابر روش توليد، تمايزي بين فوم پلياستايرن توليد شده با انبساط دانههاي پلياستايرن براي تشكيل حبهها (به اختصار فوم منبسط شده EPS) كه پس از آن به هم متصل ميشود تا تختهها را تشكيل دهند و فوم پلياستايرن فوم شده با اكسترود كردن، (به اختصار فوم اكسترود شده XPS) وجود دارد. فوم پلياستايرن به طور وسيعي در عايق حرارتي به كار برده شده است. قيمت آن پايين بوده، در دسترس بوده و به راحتي ساخته ميشود، محكم و پايدار بوده و در برابر تخريب مقاوم است. پلياستايرن اكسترود شده به صورت تخته در اندازههاي مختلف جهت ساخت ديوار و عايق بام در دسترس است. دانههاي قابل انبساط پلياستايرن را نيز ميتوان به صورت صفحاتي براي نما در ساختمانسازي ساخته و به كار برد. در مواردي كه كاربرد عايق حرارتي موردنظر است مقاومت بالا لازم نبوده و پلياستايرن منبسط به اندازه كافي مقاومت دارد. از آنجا كه مقاومت برشي فوم PVC بالاست سطح آن براي اعمال سيمان و گچ بسيار مناسب است. مزيت عمده فومهاي PVC عملكرد بهتر آنها در برابر آتش نسبت به ساير فومهاي پليمري است. از اينرو اين نوع پانلها در كاربردهاي دريايي و ساختماني در اروپا پذيرفته شدهاند.