پلیمر (polymer) یا بسپار چیست؟ ساختار پلیمرها، چیدمان مولکولی و ویژگی ها

مواد پلیمری یا مصنوعی كاربردهای وسیعی، از جمله در ساخت وسایل خانگی، اسباب بازی‌ها، بسته بندی‌ها، كیف و چمدان، كفش، میز و صندلی، شلنگ‌ها و لوله‌های انتقال آب، مواد پوششی به عنوان رنگ‌ها برای حفاظت از خوردگی و زینتی، لاستیک‌های اتومبیل و بالاخره به عنوان پلیمرهای مهندسی با استحكام بالا حتی در دماهای نسبتا بالا درساخت اجزایی از ماشین آلات، دارند.

پلیمرها خواص فیزیكی و مكانیكی نسبتا خوب و مفیدی دارند. آن‌ها دارای وزن مخصوص پایین و پایداری خوب در مقابل مواد شیمیایی هستند. بعضی از آنها شفاف بوده و می‌توانند جایگزین شیشه‌ها شوند. اغلب پلیمرها عایق الكتریكی هستند.

اما پلیمرهای خاصی نیز وجود دارند كه تا حدودی قابلیت هدایت الكتریكی دارند. عایق بودن پلیمرها به پیوند كووالانسی موجود بین اتم‌ها در زنجیرهای مولكولی ارتباط دارد.

اما تحقیقات انجام شده در سال‌های اخیر نشان داد كه امكان ایجاد خاصیت هدایت الكتریكی در امتداد محور مولكول‌ها وجود دارد. این نوع پلیمرها اساسا از پلی اتیلن تشكیل شده اند.

با نفوذ دادن عناصری مانند فلزات قلیایی یا هالوژن‌ها (فرایند دوپینگ) به زنجیرهای مولكولی پلی‌اتیلن به ترتیب نیمه هادی‌های پلیمری از نوع N و P به دست می‌آیند.

افزودن عناصر یا دوپینگ سبب می‌شود كه الكترون‌ها بتوانند در امتداد اتم‌های كربن در زنجیر حركت كنند.

تفلون از مواد پلیمری است كه به دلیل ضریب اصطكاك پایینی كه دارد به عنوان پوشش برای جلوگیری از چسبیدن مواد غذایی در وسایل پخت و پز استفاده می‌شود.

ساختار پلیمرها

بسیاری از پلیمرها متشکل از هیدروکربن‌ها (مرکب از کربن و هیدروژن) هستند. این نوع از پلیمرها به طور خاص از اتم‌های کربن پیوسته به صورت یک زنجیره‌ی بلند که ستون محوری پلیمر نامیده می‌شود، تشکیل می‌شوند.

با توجه به طبیعت کربن، یک یا تعداد بیشتری اتم می‌توانند به هر اتم کربن در ستون محوری متصل شوند. در برخی پلیمرها تنها اتم‌های کربن و هیدروژن وجود دارند.

پلی‌اتیلن، پلی‌پرو‌پیلن، پلی‌بوتیلن، پلی‌استر و پلی‌متل‌پنتن در این زمره محسوب می‌شوند. پلی‌وینیل‌کلراید (PVC) پلیمری است که در آن اتم‌های کلر (به جای هیدروژن) به هر اتم کربن در ستون محوری متصل می‌شوند. این وضعیت در تفلون با اتم‌های فلور تشکیل می‌شود.

انواع دیگر از پلیمرهای تولیدی از ستون‌های محوری غیرکربنی پدید می‌آیند. به طور مثال، نایلون از ستون محوری نیتروژنی (اتم‌های نیتروژن به جای اتم‌های کربن) و نیز ستون‌های محوری پلی‌استرها و پلی‌کربنات‌ها از اتم‌های اکسیژن تشکیل می‌شود.

همچنین، برخی دیگر از پلیمرها دارای ستون‌های محوری سیلیکون و یا فسفری می‌باشند. بر این گروه، پلیمرهای غیرطبیعی اطلاق می‌گردد. سیلی پوتی یکی از شناخته‌شده ترین پلیمرهای بر مبنای سیلیکون است.

هر مولكول اتیلن یك منومر نامیده می‌شود. با تركیب مناسبی از حرارت، فشار و كتالیزور، پیوند دوگانه بین اتم‌های كربن شكسته شده و یك پیوند ساده كووالانسی جایگزین آن می‌شود.

اكنون دو انتهای آزاد این منومر به رادیكال‌های آزاد تبدیل می‌شود، به طوری كه هر اتم كربن یك تك الكترون دارد كه می‌تواند به رادیكال‌های آزاد دیگر افزوده شود. از این رو در اتیلن دو محل (مربوط به اتم كربن) وجود دارد كه مولكول‌های دیگر می‌توانند در آن‌جا بدان ضمیمه شوند.

 این مولكول با قابلیت انجام واكنش، زیر بنای پلیمرها بوده و به (مر) یا بیشتر واحد تكراری موسوم است. واحد تكراری در طول زنجیر مولكول پلیمر به تعداد دفعات زیادی تكرار می‌شود.

طول متوسط پلیمر به درجه پلیمرزاسیون یا تعداد واحدهای تكراری در زنجیر مولكول پلیمر بستگی دارد.
بنابراین نسبت جرم مولكولی پلیمر به جرم مولكولی واحد تكرای به عنوان (درجه پلیمریزاسیون) تعریف شده است.

با بزرگتر شدن زنجیر مولكولی (در صورتی كه فقط نیروهای بین مولكولی سبب اتصال مولكول‌ها به یكدیگر شود) مقاومت حرارتی و استحكام كششی مواد پلیمری هر دو افزایش می‌یابند.

به طور كلی فرایند پلیمریزاسیون می‌تواند به صورت‌های مختلفی مانند افزایشی، مرحله‌ای و .... انجام گیرد. در پلیمریزاسیون افزایشی، تعدادی از واحدهای تكراری به یكدیگر اضافه شده و مولكول بزرگتری را به نام پلیمر تولید می‌كنند.

در این نوع پلیمریزاسیون ابتدا در مرحله اول رادیكال آزاد، با دادن انرژی (حرارتی، نوری) به مولكول‌های اتیلن با پیوند دوگانه و شكست پیوند دوگانه، به وجود می‌آید.

سپس رادیكال‌های آزاد با اضافه شدن به واحدهای تكراری مراكز فعالی به نام آغازگر شكل می‌گیرند و هر یك از این مراكز به واحدهای تكراری دیگر اضافه شده و رشد پلیمر ادامه می‌یابد.

از نظر تئوری درجه پلیمریزاسیون افزایشی می‌تواند نامحدود باشد، كه در این صورت مولكول زنجیره ای بسیار طویلی از اتصال تعداد زیادی واحدهای تكراری به یكدیگر شكل می‌گیرد.

اما عملا رشد زنجیر به صورت نامحدود صورت نمی‌گیرد.هر چه قدر تعداد مراكز فعال یا آغازگرهای شكل گرفته بیشتر باشد، تعداد زنجیرها زیادتر و نتیجتا طول زنجیرها كوچكتر می‌شود و بدین دلیل است كه خواص پلیمرها تغییر می‌كند.

البته سرعت رشد نیز در اندازه طول زنجیرها موثر است. هنگامی كه واحدهای تكراری تمام و زنجیرها به یكدیگر متصل شوند, رشد خاتمه می‌یابد.

از دیگر روش‌های پلیمریزاسیون، پلیمریزاسیون مرحله‌ای است كه در آن منومرها با یكدیگر واكنش شیمیایی داده و پلیمرهای خطی را به وجود می‌آورند.

در بسیاری از واكنش‌های پلیمریزاسیون مرحله ای مولكول كوچكی به عنوان محصول فرعی شكل می‌گیرد. این نوع واكنش‌ها گاهی پلیمریزاسیون كندنزاسیونی نیز نامیده می‌شوند.

منبع: پارس اتیلن کیش

ویکی پلاست | مرجع بازار صنعت پلاستیک