پلیمر یا بسپار چیست؟ | به زبان ساده

مقدمه

پلیمرها موادی متشکل از زنجیره‌های بلند و تکرارشونده از مولکول مونومر (تک‌پار) هستند. بسته به نوع مولکول پیوندی و نحوه پیوند، خواص ویژه‌ای برای یک پلیمر بوجود می‌آید. برخی از پلیمرها را مانند «رابر» (Rubber) و پلی‌استر می‌توان خم کرد یا کشید و برخی دیگر بسیار سخت هستند.

طبقه بندی پلیمرها

به دلیل ساختار پیچیده، کاربردهای متعدد و رفتار متفاوت، پلیمرها را نمی‌توان تنها در یک دسته قرار داد. در نتیجه، بسته به موارد مطرح شده در ادامه متن، پلیمرها را به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌کنیم.

طبقه بندی پلیمر بر اساس منابع موجود

در این نوع از طبقه‌بندی، سه نوع پلیمر خواهیم داشت که به شرح زیر هستند:

• پلیمر طبیعی:‌ این نوع از پلیمرها در طبیعت و در بین گیاهان پیدا می‌شوند. از جمله نمونه‌های پلیمر طبیعی می‌توان به پروتئین، نشاسته، سلولز و کائوچو اشاره کرد.
• پلیمر نیمه‌سنتزی:‌ این نوع پلیمرها از پلیمرهای طبیعی گرفته شده‌اند و تحت فرآوری‌های شیمیایی قرار می‌گیرند. از جمله این پلیمرها، سلولز نیترات و سلولز استات را می‌توان نام برد.
• پلیمر سنتزی: پلیمرهای مصنوعی ساخته شده توسط انسان هستند. پلاستیک، معمول‌ترین نوع پلیمر مورد استفاده در دنیا به شمار می‌آید که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.

طبقه بندی پلیمر بر اساس ساختار زنجیر مونومر

در این بخش،‌ دسته‌بندی‌های زیر را می‌توان در نظر گرفت.

فیلم آموزش پلیمرها و واکنش‌های سنتزی در فرادرس

کلیک کنید

• پلیمرهای خطی: ساختار پلیمرهایی شامل زنجیره‌های بلند و مستقیم را شامل می‌شود و از میان آن‌ها می‌توان به «PVC» اشاره کرد که به طور عمده در ساخت لوله‌ها و کابل‌های برق به کار می‌رود.
• پلیمرهای «شاخه‌دار» (Branched Chain): زمانیکه زنجیره‌های خطی پلیمرها، شاخه‌دار شوند، چنین پلیمرهایی را با نام پلیمرهای شاخه‌دار می‌شناسند و پلی‌اتن (با چگالی کم) از جمله آن‌ها است.
• پلیمرهای «کراس لینک» (Cross-linked): این نوع پلیمرها از مونومرهای دو و سه عاملی تشکیل شده‌اند و در مقایسه با سایر پلیمرهای خطی، پیوند کووالانسی قوی‌تری دارند. از مثال‌های این نوع پلیمر باید به باکالیت (باکلیت) و ملامین اشاره کرد.

سایر روش ها برای طبقه بندی پلیمرها

در جدول زیر، سایر روش‌های طبقه‌بندی پلیمرها به همراه توضیح و مثال هریک آورده شده است.

ساختار پلیمر

فیلم آموزش شناسایی و آنالیز پلیمرها – مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

انواع پلیمر

پلیمرها بر اساس نوع ساختار زنجیر اصلی به دو نوع زیر تقسیم می‌شوند:

• پلیمرهای آلی: شامل ساختار کربنی هستند.
• پلیمرهای معدنی (غیرآلی): ساختار اصلی شامل عناصری به غیر از کربن است.

بر اساس نوع سنتز هم دو نوع پلیمر طبیعی و مصنوعی (سنتزی) داریم.

پلیمرهای زیست تخریب پذیر

پلیمرهای مقاوم حرارتی

از این نوع پلیمرها بیشتر در صنایع پزشکی و تجهیزات استریلیزاسیون و همچنین در ساخت لوازم مقاوم در برابر گرما و شوک بهره می‌گیرند.

فیلم آموزش پلیمرها در علم مواد در فرادرس

کلیک کنید

با توجه به اهمیت خواص پلیمرها در تولید مواد مختلف، «فرادرس» اقدام به انتشار فیلم آموزش مبانی شیمی فیزیک پلیمرها کرده که لینک آن در ادامه آمده است.

• برای دیدن فیلم آموزش مبانی شیمی فیزیک پلیمرها + اینجا کلیک کنید.

خواص پلیمرها

خواص پلیمرها را می‌توان به طور خلاصه به سه دسته خواص مکانیکی، شیمیایی و نوری تقسیم کرد که در ادامه به توضیح هر یک از آن‌ها خواهیم پرداخت.

فیلم مجموعه آموزش مهندسی پلیمر و نساجی – از دروس دانشگاهی تا کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

خواص مکانیکی پلیمر

هر قدر طول زنجیر و کراس لینک (اتصال عرضی) پلیمر افزایش پیدا کند، مقاومت کششی پلیمر نیز افزایش پیدا می‌کند. لازم به ذکر است که پلیمرها در بیشتر موارد ذوب نمی‌شوند بلکه از حالت بلوری به شبه‌بلوری تغییر پیدا می‌کنند.

خواص شیمیایی پلیمر

خواص نوری

آرایش مولکولی پلیمرها

برای آن‌که درک بهتری از آرایش مولکولی پلیمرها داشته باشید می‌توانید بشقابی از ماکارونی را در نظر بگیرید. شکل حاصل، نحوه آرایش مولکول‌های خطی در صورت نبود نظم و ترتیب خاصی را نشان می‌دهد. کنترل فرآیندهای پلیمریزاسیون و سرد کردن سریع پلیمرها سبب تشکیل پلیمرهایی بی‌شکل (آمورف) خواهد شد. پلیمرهای آمورف به طور معمول شفاف هستد و از این مشخصه در بسیاری از مواد همچون ظروف غذا، پنجره‌های پلاستیکی، لنزهای طبی و شیشه چراغ خودرو‌ها استفاده می‌شود.

بلورینگی در پلیمرها مزایای بسیاری دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به استحکام، سختی، مقاومت شیمیایی و پایداری آن‌ها اشاره کرد و مهندسان و دانشمندان همواره با ترکیب ساختارهای مولکولی،‌ سعی در تولید محصولاتی با خواص بهتر دارند.

پلیمریزاسیون

تفاوت عمده دو روش بالا در این است که در پلیمریزاسیون زنجیری (زنجیره‌ای)، در هر لحظه، یک مونومر به زنجیر اضافه می‌شود اما در پلیمریزاسیون مرحله‌ای، چندین مونومر به یکدیگر متصل می‌شوند.

اگر به دقت به زنجیرهای پلیمری نگاه کنید، متوجه خواهید شد که ساختار شکل کلی مولکول، بیانگر خواص فیزیکی آن است. به طور مثال، اگر زنجیر پلیمری از پیوندهایی پیچیده در هم تشکیل شده که شکستن ‌آن‌ها دشوار باشد، پلیمر حاصل نیز استحکام بالایی خواهد داشت. در مقابل، اگر زنجیر پلیمری از مولکول‌‌هایی با مشخصه کشیده تشکیل شده باشد، پلیمر حاصل نیز انعطاف‌پذیر خواهد بود.

نحوه محاسبه جرم مولکولی پلیمرها و شاخص پراکندگی

• روش میانگین عددی
• روش میانگین وزنی

میانگین عددی جرم مولکولی

اگر $$N1, N2, N_3, ...$$، تعداد درشت‌‌مولکول‌هایی با جرم مولکولی به ترتیب برابر با $$M_1, M_2, M_3, ...$$ باشند،‌ میانگین عددی جرم مولکولی پلیمر به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$\bar{M}_{n}=\frac{N_{1} M_{1}+N_{2} M_{2}+N_{3} M_{3}+\ldots + N_n M_n}{N_{1}+N_{2}+N_{3}+\ldots . + N_n}\\ \Rightarrow \bar{M}_{n}= \frac{\sum{N_{i} M_{i}}}{\sum{N_{i}}}$$

میانگین وزنی جرم مولکولی

اگر $$m_1, m_2, m_3…$$ به ترتیب جرم درشت‌مولکول‌هایی با جرم مولکولی $$M_1, M_2, M_3…$$ باشند، میانگین وزنی جرم مولکولی پلیمر از رابطه زیر بدست می‌آید.

$$\begin{array}{l} \bar{M}_{\omega}=\frac{m_{1} M_{1}+m_{2} M_{2}+m_{3} M_{3}+\ldots + n }{m_{1}+m_{2}+m_{3}+\ldots + n} \\ \quad \quad=\frac{\sum m_ i M_ i}{\sum m_ i} \\ \Rightarrow \bar{M}_{\omega}=\frac{\sum N i M i \times M i}{\sum N _i M_ i} \\ \Rightarrow \bar{M}_{\omega}=\frac{\sum N _i M _i^{2}}{\sum N_ i M_ i} \end{array}$$

شاخص پراکندگی

نسبت $$\bar M _w$$ به $$\bar M _n$$ را با نام شاخص پراکندگی (PDI) می‌شناسند و این نسبت برای پلیمرهای طبیعی برابر با عدد ۱ است.

$$P D I={\frac{\bar{M_w}}{\bar{M_n}}}$$

کاربرد پلیمر

در جدول زیر، بخشی از مهم‌ترین کاربردهای پلیمر در زندگی روزمره آورده شده‌اند.

سوالات متداول در خصوص پلیمرها

در ادامه متن به برخی از سوالات متداول در خصوص پلیمرها خواهیم پرداخت.

چرا پلیمرها خواص متفاوتی دارند؟

در پلیمرها، مونومرها بوسیله برهم‌کنش‌های مولکولی مختلفی با یکدیگر پیوند دارند. طبیعتِ این برهم‌کنش‌ها سبب الاستیسیته، مقاومت کششی، پایداری حرارتی و سختی متفاوت در این پلیمرها می‌شود. پلیمرها با خواص مختلف در زیر فهرست شده‌اند.

• مونومرها با پیوندهای ضعیف، زنجیره‌ای خطی را تشکیل می‌دهند. این نوع از پلیمرها دارای خاصیت الاستیسیته و موسوم به الاستومر هستند که از نمونه‌های آن‌ها می‌توان به «نئوپرن» (Neoprene)، «بونا-اس» (Buna-S) و «بونا-آر» (Buna-R) اشاره کرد.
• پلیمرهایی با برهم‌کنش‌های قوی بین مونومرها، مقاوت کششی بالایی دارند و به عنوان فیبر مورد استفاده قرار می‌گیرند. پلی‌آمیدها (نایلون ۶۶) و پلی‌استرها از این نوع پلیمر به شمار می‌آیند.
• پلیمرهایی که نیروهای بین مولکولی در آن‌ها، در میان فیبرها و الاستومرها باشد را با نام ترموپلاستیک می‌شناسند. این پلیمرها را بدون تغییر در خواص پلیمری آن‌ها می‌توان بارها به تولید رساند. پلی‌تن (پلی‌اتیلن) و پلی‌وینیل از جمله این نوع پلیمرها هستند.
• مونومرهایی که شاخه‌دار می‌شوند، در اثر حرارت، ذوب خواهند شد و نمی‌توان آن‌ها را به طور مجدد استفاده کرد. به این مواد، پلاستیک‌های ترموسِت می‌گویند. از نمونه‌های این پلیمرها می‌توان به باکالیت و اوره فرمالدهید اشاره کرد.

فرآیند پخت رابر به چه معناست؟

پلیمر زیست تخریب پذیر چیست؟

این نوع از پلیمرها شامل گروه‌های عاملی هستند که در پلیمرهای طبیعی یافت می‌شوند و در حضور باکتری‌ها، تجزیه و تخریب می‌شوند. از نمونه‌های این نوع پلیمر می‌توان به «PHBV» اشاره کرد.

پلیمرها را چگونه شناسایی می کنند؟