پلیمر چیست؟

پلیمر ، هر یک از دسته ای از مواد طبیعی یا مصنوعی متشکل از مولکول های بسیار بزرگ، به نام ماکرومولکول ها، که مضربی از واحدهای شیمیایی ساده تر به نام مونومر هستند . پلیمرها بسیاری از مواد موجود در موجودات زنده از جمله پروتئین ها ، سلولز و اسیدهای نوکلئیک را تشکیل می دهند . علاوه بر این، آنها اساس مواد معدنی مانند الماس ، کوارتز ، فلدسپات و مواد دست ساز بشر مانند بتن ، شیشه ، کاغذ ، پلاستیک و لاستیک را تشکیل می دهند .

کلمه پلیمر تعداد نامشخصی از واحدهای مونومر را مشخص می کند . هنگامی که تعداد مونومرها بسیار زیاد باشد، گاهی اوقات این ترکیب را پلیمر بالا می نامند.

پلیمرها محدود به مونومرهایی با ترکیب شیمیایی یا وزن مولکولی و ساختار مشابه نیستند . برخی از پلیمرهای طبیعی از یک نوع مونومر تشکیل شده اند. با این حال، اکثر پلیمرهای طبیعی و مصنوعی از دو یا چند نوع مختلف مونومر تشکیل شده اند. چنین پلیمرهایی به عنوان کوپلیمر شناخته می شوند.

پلیمر های طبیعی (الی و معدنی)

پلیمرهای آلی نقش مهمی در موجودات زنده ایفا می کنند، مواد اولیه ساختاری را فراهم می کنند و در فرآیندهای حیاتی زندگی شرکت می کنند.

به عنوان مثال، اجزای جامد همه گیاهان از پلیمرها تشکیل شده است. اینها شامل سلولز، لیگنین و رزین های مختلف است . سلولز یک پلی ساکارید است ، پلیمری که از مولکول های قند تشکیل شده است.

 

لیگنین از یک شبکه سه بعدی پیچیده از پلیمرها تشکیل شده است. رزین های چوب پلیمرهای یک هیدروکربن ساده، ایزوپرن هستند . یکی دیگر از پلیمرهای ایزوپرن آشنا لاستیک است.

دیگر پلیمرهای طبیعی مهم عبارتند از پروتئین ها، که پلیمرهای اسیدهای آمینه هستند ، و اسیدهای نوکلئیک ، که پلیمرهای نوکلئوتیدها هستند – مولکول های پیچیده ای که از بازهای حاوی نیتروژن، قندها و اسید فسفریک تشکیل شده اند .

اسیدهای نوکلئیک حامل اطلاعات ژنتیکی در سلول هستند. نشاسته ها ، منابع مهم انرژی غذایی مشتق شده از گیاهان،پلیمرهای طبیعی هستند که از گلوکوز تشکیل شده اند.

بسیاری از پلیمرهای معدنی نیز در طبیعت یافت می شوند، از جمله الماس و گرافیت. هر دو از کربن تشکیل شده اند .

در الماس، اتم های کربن در یک شبکه سه بعدی به هم متصل شده اند که به ماده سختی آن را می دهد. در گرافیت، که به‌عنوان روان‌کننده و در «سرب‌های» مدادی استفاده می‌شود، اتم‌های کربن در صفحاتی به هم متصل می‌شوند که می‌توانند روی یکدیگر بلغزند.

پلیمرهای مصنوعی

پلیمرهای مصنوعی در انواع مختلفی از واکنش ها تولید می شوند. بسیاری از هیدروکربن های ساده مانند اتیلن و پروپیلن را می توان با افزودن مونومر یکی پس از دیگری به زنجیره رشد به پلیمر تبدیل کرد .

پلی اتیلن که از مونومرهای تکرار شونده اتیلن تشکیل شده است، یک پلیمر افزودنی است. ممکن است حدود ۱۰۰۰۰ مونومر داشته باشد که در زنجیره های سیم پیچ بلند به هم متصل شده اند.

پلی اتیلن کریستالی، نیمه شفاف و ترموپلاستیک است، یعنی با گرم شدن نرم می شود. برای پوشش‌ها، بسته‌بندی، قطعات قالب‌گیری شده و ساخت بطری‌ها و ظروف استفاده می‌شود.

پلی پروپیلن همچنین کریستالی و ترموپلاستیک است اما سخت تر از پلی اتیلن است. مولکول های آن ممکن است از ۵۰۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰۰ مونومر تشکیل شده باشد. از این ترکیب در صنعت نساجی و ساخت اشیاء قالبی استفاده می شود.

سایر پلیمرهای افزودنی شامل پلی بوتادین، پلی ایزوپرن و پلی کلروپرن هستند که همگی در ساخت لاستیک های مصنوعی مهم هستند.

برخی از پلیمرها، مانند پلی استایرن ، در دمای اتاق شیشه ای و شفاف هستند و همچنین ترموپلاستیک هستند. پلی استایرن را می توان در هر سایه ای رنگ کرد و در ساخت اسباب بازی ها و سایر اشیاء پلاستیکی استفاده می شود.

اگر یک اتم هیدروژن در اتیلن با یک اتم کلر جایگزین شود ، وینیل کلرید تولید می شود. این پلیمریزه به پلی وینیل کلراید تبدیل می شود، ماده ای بی رنگ، سخت ترموپلاستیک که می تواند به اشکال مختلفی از جمله فوم، فیلم و الیاف تولید شود.

وینیل استات که از واکنش اتیلن و اسید استیک تولید می شود ، به رزین های آمورف و نرم که به عنوان پوشش و چسب استفاده می شود، پلیمریزه می شود. با وینیل کلرید کوپلیمریزه می شود تا خانواده بزرگی از مواد ترموپلاستیک تولید کند.

بسیاری از پلیمرهای مهم دارای اتم های اکسیژن یا نیتروژن به همراه اتم های کربن در زنجیره ستون فقرات هستند.

از جمله این مواد درشت مولکولی با اتم های اکسیژن هستندپلی استال ها ساده ترین پلی استال استپلی فرمالدئید .

نقطه ذوب بالایی دارد و کریستالی است و در برابر سایش و اثر حلال ها مقاوم است . رزین های استال بیشتر از هر پلاستیک دیگر شبیه فلز هستند و در ساخت قطعات ماشین آلات مانند چرخ دنده ها و یاتاقان ها استفاده می شوند.

پلیمر خطی که با تکرار گروه های استر در طول زنجیره ستون فقرات مشخص می شود، پلی استر نامیده می شود . پلی استرهای زنجیره باز مواد بی رنگ، کریستالی و ترموپلاستیک هستند. آنهایی که وزن مولکولی بالایی دارند(۱۰۰۰۰ تا ۱۵۰۰۰)مولکول در ساخت فیلم ها و اشیا قالب گیری شده استفاده میشوند.

پلی آمیدها شامل پروتئین های طبیعی کازئین موجود در شیر و رزین موجود در ذرت  هستند که از آن پلاستیک ها، الیاف، چسب ها و پوشش ها ساخته می شوند.

از جمله پلی آمیدهای مصنوعی می توان به رزین های اوره فرمالدئید اشاره کرد که ترموست می باشند. از آنها برای تولید اشیاء قالبی و چسب و پوشش برای منسوجات و کاغذ استفاده می شود.

همچنین رزین های پلی آمیدی معروف به نایلون مهم هستند . آنها قوی، مقاوم در برابر حرارت و سایش، غیر قابل احتراق و غیر سمی هستند و می توان آنها را رنگ کرد.

 

شناخته شده ترین کاربرد آنها به عنوان الیاف نساجی است، اما کاربردهای بسیار دیگری نیز دارند.

خانواده مهم دیگر پلیمرهای آلی مصنوعی از تکرارهای خطی گروه یورتان تشکیل شده است. پلی یورتان ها در ساخت الیاف الاستومری معروف به اسپندکس و در تولید پایه های پوششی و فوم های نرم و سفت استفاده می شوند.

دسته متفاوتی از پلیمرها ترکیبات آلی- معدنی مخلوط هستند . مهمترین نماینده این خانواده پلیمری سیلیکون ها هستند .

ستون فقرات آنها متشکل از اتم های سیلیکون و اکسیژن متناوب با گروه های آلی متصل به هر یک از اتم های سیلیکون است. سیلیکون های با وزن مولکولی کم روغن و گریس هستند . گونه های با وزن مولکولی بالاتر مواد الاستیک همه کاره ای هستند که در دماهای بسیار پایین نرم و لاستیکی باقی می مانند. آنها همچنین در دماهای بالا نسبتاً پایدار هستند.

شیمی پلیمر

مطالعه چنین موادی در حوزه شیمی پلیمر قرار دارد . بررسی پلیمرهای طبیعی به طور قابل توجهی با بیوشیمی همپوشانی دارد، اما سنتز پلیمرهای جدید، بررسی فرآیندهای پلیمریزاسیون ، و توصیف ساختار و خواص مواد پلیمری، همگی مشکلات منحصر به فردی را برای شیمیدانان پلیمر ایجاد می کنند.

شیمیدانان پلیمر پلیمرهایی را طراحی و سنتز کرده اند که از نظر سختی، انعطاف پذیری، دمای نرم شدن، حلالیت در آب و زیست تخریب پذیری متفاوت هستند .

آنها مواد پلیمری تولید کرده‌اند که به استحکام فولاد در عین حال سبک‌تر و مقاوم‌تر در برابر خوردگی هستند.

خطوط لوله نفت، گاز طبیعی و آب اکنون به طور معمول از لوله های پلاستیکی ساخته می شوند. در سال‌های اخیر، خودروسازان استفاده خود از قطعات پلاستیکی را افزایش داده‌اند تا خودروهای سبک‌تری بسازند که سوخت کمتری مصرف می‌کنند.

سایر صنایع مانند صنایعی که در ساخت منسوجات، لاستیک ، کاغذ و مواد بسته بندی دخیل هستند بر اساس شیمی پلیمر ساخته شده اند.

علاوه بر تولید انواع جدیدی از مواد پلیمری، محققان به دنبال توسعه کاتالیزورهای ویژه ای هستند که برای سنتز صنعتی در مقیاس بزرگ پلیمرهای تجاری مورد نیاز است. بدون چنین کاتالیزورهایی، فرآیند پلیمریزاسیون در موارد خاص بسیار کند خواهد بود.