مواد پلیمری چیست؟
پلیمرها همه جا هستند. فقط نگاهی به اطرافتان بیندازید: بطری آب پلاستیکی، سرهای لاستیکی روی هدفون گوشی، نایلون وپلیاستر در کت یا کفش ورزشی، لاستیکهای ماشین و دکمههای کیبورد لپتاپِ شما همه از پلیمر ساخته شدهاند. حالا به آینه نگاهیبیندازید: حتی بسیاری از پروتئینهای بدن شما نیز پلیمر هستند؛ مثلاً کراتین که مو و ناخن شما از آن ساخته شده است را در نظربگیرید. حتی DNA سلولهای شما نیز در دستۀ مواد پلیمری جای میگیرند. در واقع پلیمرها گروه وسیعی از مواد طبیعی ومصنوعی هستند که از «درشت مولکولهای بزرگ» ساخته شدهاند. این ماکرومولکولها معمولاً زنجیرهای از مولکولها یا مونومرهایکوچکتر هستند. این مواد شیمیایی با زنجیرۀ بلند بهطور طبیعی و مصنوعی وجود دارند. آنها طیف گستردهای از خواص وکاربردهایی را نشان میدهند که کلید بیشتر فعالیتهای انسانی، از گذشتههای دور تا به امروز هستند. اکنون در این مقاله قصدداریم تا به بررسی پلیمرها، خواص، انواع و کاربرد آنها بپردازیم.
پلیمر چیست؟
طبق تعریف، پلیمرها مولکولهای بزرگی هستند که از طریق پیوند شیمیاییِ مجموعهای از بلوکهای اتمی ساخته میشوند. کلمۀ پلیمراز کلمهای یونانی به معنیِ «دارای بخشهای زیاد» گرفته شده است. دانشمندان به هر یک از این بخشها مونومر میگویند (که درزبان یونانی به معنیِ «یک قسمت» است). پلیمر را بهعنوان زنجیرهای در نظر بگیرید که هریک از حلقههای آن، یک مونومر است. اینمونومرها میتوانند ساده باشند (فقط یک اتم یا دو یا سه اتم)، یا ممکن است ساختارهای حلقهایشکلِ پیچیدهای باشند که حاویدهها یا بیشترِ عدد اتمیِ مختلف هستند. در یک پلیمر مصنوعی، هر یک از حلقههای این زنجیره، اغلب با همسایگان خود یکساناست؛ اما در پروتئینها، DNA و سایر پلیمرهای طبیعی، پیوندهای زنجیرهای، اغلب با همسایگان خود متفاوت هستند.
در برخی موارد، مواد پلیمری بهجای زنجیرههای منفرد، از شبکههای متصل تشکیل میشوند. صرفنظر از شکل آنها، این مولکولهابسیار بزرگ هستند. در واقع آنقدر بزرگ هستند که دانشمندان آنها را به.عنوان ماکرومولکولها طبقهبندی میکنند. زنجیرههایپلیمری میتوانند شامل صدها هزار اتم (یا حتی میلیونها اتم) باشند. هرچه زنجیرۀ پلیمری، طولانیتر باشد، سنگینتر خواهد بود. وبهطورکلی، پلیمرهای بلندتر به موادی که از آنها ساخته میشوند دمای ذوب و جوش بالاتری میدهند. همچنین، هرچه یک زنجیرۀپلیمری طولانیتر باشد، ویسکوزیتۀ آن (مقاومت در برابر جریانیافتن) بیشتر میشود. دلیل این امر هم این است که این مواد، مساحتسطح بیشتری دارند که باعث میشود به مولکولهای همسایۀ خود بچسبند و سختتر جاری شوند.
پشم، پنبه و ابریشم، مواد طبیعی مبتنیبر پلیمر هستند که از زمانهای قدیم مورد استفاده قرار میگرفتهاند. سلولز (جزء اصلی چوبو کاغذ) نیز یک پلیمر طبیعی است. مواد پلیمریِ طبیعیِ دیگر شامل مولکولهای نشاستۀ ساختهشده توسط گیاهان هستند. در اینجایک واقعیت جالب وجود دارد: هم سلولز و هم نشاسته از یک مونومر؛ یعنی قند گلوکز ساخته میشوند. بااینحال آنها خواص بسیارمتفاوتی دارند. نشاسته در آب حل میشود و قابلهضم است؛ اما سلولز حل نمیشود و توسط انسان قابلهضم نیست. تنها تفاوت بیناین دو پلیمر این است که چگونه مونومرهای گلوکز به هم مرتبط شدهاند.
موجودات زنده، پروتئینها (نوع خاصی از پلیمر) را از مونومرهایی بهنام اسیدهای آمینه میسازند. اگرچه دانشمندان حدود 500 اسیدآمینه مختلف را کشف کردهاند، حیوانات و گیاهان تنها از 20 مورد از آنها برای ساخت پروتئین خود استفاده میکنند.
در آزمایشگاه، شیمیدانان در طراحی و ساخت پلیمرها گزینههای زیادی دارند. آنها ممکن است پلیمرهای مصنوعی را از مواد طبیعیبسازند یا میتوانند از آمینواسیدها برای ساختن پروتئینهای مصنوعی برخلاف پروتئینهای ساختهشده توسط مادر طبیعت استفادهکنند. در اغلب موارد، شیمیدانان پلیمرهای جدید را از ترکیبات آزمایشگاهی تولید میکنند.
گاهی به پلیمرها، پلاستیک نیز گفته میشود. این اصطلاح از رفتار بسیار پلاستیکی برخی از مواد اولیه مانند پلیاتیلن ناشی میشودکه میتواند قبل از وقوعِ شکستگیِ تحتفشار، تغییرشکلهای پلاستیکی بسیار بزرگی را متحمل شود. پلیمرها همچنین گاهی بهعنوانرزین (رزین مصنوعی) شناخته میشوند؛ زیرا رزینِ طبیعیِ درخت، منشأ برخی از مواد پلیمری ابتدایی است که برای هزاران سالمورد استفاده بشر بوده است.
خواص مواد پلیمری چگونه است؟
خواص پلیمرها به چندین گروه دستهبندی میشود. اگرچه برخی از پلیمرها را نمیتوان بهراحتی طبقهبندی کرد و خواص متضادینسبت به آنچه که از آنها انتظار میرود نشان میدهند. بااینحال در ادامه، خواص مکانیکی، شیمیایی، نوری و الکتریکی پلیمرهابهطورکلی مورد بحث قرار گرفته است.
خواص شیمیایی مواد پلیمری عبارتاند از:
● بسیاری از پلیمرها مولکولهای بسیار بادوامی هستند که در برابر طیف وسیعی از اشکال تخریب طبیعی، محیطی و شیمیاییمقاومت میکنند. برخی دیگر، بهویژه پلیمرهای طبیعی، بسیار ظریف و شکننده هستند. بسیاری از پلیمرها هم در برابراسیدهای آلی ضعیف هستند و اگر در معرض این اسیدها قرار بگیرند دچار دپلیمریزاسیون و تجزیه میشوند. پلیمرهایدیگر در حلالهای آلی مانند کلروفرم، استون، الکل و غیره بهخوبی حل میشوند.
● بیشتر پلیمرهای مصنوعی تا حدی آبگریز هستند، اگرچه برخی از آنها محلول در آب هستند که این امر میتواند در برخیکاربردها یک خاصیت مفید باشد. بسیاری از پلیمرهای طبیعی نیز آبگریز هستند و تحت تأثیر آب قرار میگیرند. هرچندبهندرت بهصورت کامل در آب حل میشوند.
خصوصیات نوری مواد پلیمری عبارتاند از:
● ساختار اتمی پلیمرها از بسیار آمورف تا بسیار کریستالی متغیر است.
● پلیمرهای کریستالی بهطورکلی در فرکانسهای اپتیکی، مات هستند.
● پلیمرهای آمورف اغلب در فرکانسهای اپتیکی شفاف هستند. شفافیت در پلیمرهای آمورف از شفافیت مهآلود و رنگی تاشفافیت شیشهای (عبور کامل نور) متفاوت است.
● کشیدن یک پلیمر از دو محور میتواند باعث شفافیت در پلیمرهای مختلفی که بهطور طبیعی شفاف نیستند شود.
خصوصیات الکتریکی مواد پلیمری عبارتاند از:
● تقریباً هیچ پلیمری بهطور طبیعی رسانا نیست. حتی بسیاری از آنها دیالکتریک بسیار مؤثری هستند که بهطور گسترده دربخشهای برق و الکترونیک برای جداکنندهها و عایقها مورد استفاده قرار میگیرند. پلیمرها غالباً ولتاژهای شکست بالاییدارند. چند پلیمر هم خاصیت الکتریکی غیرمعمول دارند، از جمله: پلیوینیلیدن فلوراید و پلیهگزلوروپروپیلن، پلیاستیلن(PA)، پلیآیانیلین (PANI) و پلیپیرول (PPY).
کاربردهای پلیمرها چیست؟
کاربردهای مواد پلیمری در ادامه ذکر شده است:
1. لباس
پلیمرها بهطور گسترده در تولید الیاف مصنوعی برای منسوجات در مصارف مختلف استفاده میشوند. نمونههایی از پلیمرهای مورداستفاده در لباس عبارتاند از: نایلون، آرامید، پلی استر (PET) و PVA.
2. پول
کشورهای مختلف از ارز کاغذی فاصله گرفتهاند و اکنون از فیلمهای پلیمری، عموماً پلیپروپیلن، پول تولید میکنند. این کاربرد امروزهدر سرتاسر دنیا رو به گسترش است، زیرا باعث میشود اسکناس برای مدت طولانیتری خدمت کند، تمیزتر بماند و در پراکندنآلودگیها و ایجاد مسمومیتها دخیل نباشد.
3. تجهیزات حفاظت فردی
تجهیزات یکبار مصرف، روکشهای کفش و روپوشها معمولاً از پارچههای پلیپروپیلنِ بافتهنشده ساخته میشوند. دستکشهاییکبارمصرف از لاستیک لاتکس یا نیتریل ساخته میشوند. ماسکهای فیلتردار از طیف گستردهای از الیاف پلیمری و پارچههایپلیمریِ بافتهنشده ساخته میشوند. محافظهای صورت عموماً از پلیمرهای مختلفی ساخته میشوند که قسمت شفاف آن PET است.
4. کاربردهای پزشکی
کاربردهای پزشکی پلیمرها گسترده است. مثالها عبارتاند از: پلیمرهای طبیعی برای سیستمهای دارورسانی، پلیمرهای مصنوعیبیوانرت برای استنتها، و تجهیزات یکبارمصرف برای جمعآوری و تشخیص خون.
5. اقلام خانگی
انواع مختلفی از مواد بهطور گسترده در خانههای معمولی در جهان استفاده میشود. مثالها عبارتاند از: ظروف غذای پلیاتیلن، دستههای چاقوی ABS، فیلمهای پوشش مواد غذایی، و درزگیرهای مقاوم در برابر حرارت برای درِ انواع فر.
6. قطعات خودرو
برای خودرو در بسیاری از زمینهها از پلیمرها استفاده میکنند. برخی از نمونهها عبارتاند از: مخازن روغن ترمز، دستگیرۀ درها وسپرها.
7. رنگ
بسیاری از رنگها بر پایۀ پلیمرها ساخته شدهاند. در این صنعت اکریلیکها بهطور گستردهای مورد استفاده قرار میگیرند. مانندرزینهای آلکیدی و همچنین رزینهای طبیعی و مصنوعی در لاک.
8. چسب
چسبها یکی از اولین کاربردهای گسترده برای پلیمرهای طبیعی هستند. این نوع چسبها از سُم (کراتین)، ضایعات ماهی (پروتئین) و شیرۀ درختان ساخته میشوند. همچنین امروزه از جایگزینهای مصنوعی مثل پلیوینیل استات و رزینهای پلیاستر وسیانواکریلاتها و پلیاورتان برای تولید چسبهای پلیمری استفاده میشود.
9. روان کنندهها
برخی پلیمرهای مصنوعی دارای انرژی سطحی بسیار کم همراه با چقرمگی بالا هستند. این موضوع باعث میشود آنها لغزنده و قوی(خود روانکننده) شوند. از پلیاتیلن، نایلون و POM بهطور گسترده بهعنوان مواد مورد استفاده در یاتاقانبندیها استفاده میشود.
10. ساخت و سازها
مواد پلیمری بهطور گسترده در ساخوساز بهعنوان چسب، اصلاحکنندۀ بتن، مصالح سقف (قیر)، قاب پنجره و مهروموم استفادهمیشوند.
11. بسته بندی و ظروف
پلیمرهای مصنوعی مختلف بهطور گسترده در صنعت بستهبندی استفاده میشوند. نمونهها عبارتاند از: PET، PP، PS و کاغذ(سلولز).
12. الکترونیک
تعداد زیادی از پلیمرها کاربردهای مختلفی در الکترونیک دارند. مثالها عبارتاند از: دیالکتریکها، محفظههای اجزای الکترونیکی، پوششها، برد مدارها، عایق سیمها و قطعات ساختاری.
مزایای پلیمرها چیست؟
مزایای مواد پلیمری در ادامه ذکر شده است:
● روشهای پردازش آسان و قابل درک؛
● هزینۀ کم مواد اولیه؛
● پتانسیل حفظ استحکام بالا؛
● خاصیت ارتجاعی بالا؛
● پایداری شیمیایی؛
● پایداری حرارتی.
معایب پلیمرها چیست؟
معایب مواد پلیمری عموماً عبارتاند از:
● استحکام کششی کم؛
● شکلپذیری و انعطافپذیری تحت فشار (عدم حفظ شکل اولیه همانند فلزات)؛
● حساسیت حرارتی؛
● حساسیت شیمیایی؛
● ضعیف در برابر سایش؛
● بار زیستمحیطی بالا.
سخن پایانی
مواد پلیمری ترکیبات شیمیایی هستند که از یک یا چند واحد ساختاری تکراری به نام مونومر ساخته میشوند. این مواد، ازخصوصیات برجستهای مانند انعطافپذیری، سبکی، و عایقی بهره میبرند. ازجمله معروفترین مواد میتوان به پلیاتیلن، پلیپروپیلن، و پلیوینیل کلراید اشاره کرد. این مواد در تولید بسیاری از محصولات روزمره ازجمله صنعت خودروسازی، بستهبندی، لباس، و لوازمخانگی به کار میروند. بهدلیل اهمیت زیاد این مواد در صنایع مختلف، امروزه تحقیقات بسیاری در زمینۀ بهبود خصوصیات وکاربردهای آنها انجام میشود.
مقالات بیشتر
