پليمر،كاربردهای آن و انقلاب صنعتی

بشر با تلاش برای دستیابی به مواد جدید, با استفاده از مواد آلی (عمدتا هیدروکربنها) موجود در طبیعت به تولید مواد مصنوعی نایل شد. این مواد عمدتا شامل عنصر کربن , هیدروژن, اکسیژن, نیتروژن و گوگرد بوده و به نام مواد پلیمری معروف هستند. مواد پلیمری یا مصنوعی کاربردهای وسیعی , از جمله در ساخت وسایل خانگی , اسباب بازیها, بسته بندیها , کیف و چمدان , کفش , میز و صندلی , شلنگها و لوله های انتقال أب , مواد پوششی به عنوان رنگها برای حفاظت از خوردگی و زینتی , لاستیکهای اتومبیل و بالاخره به عنوان پلیمرهای مهندسی با استحکام بالا حتی در دماهای نسبتا بالا در ساخت اجزایی از ماشین ألات, دارند.
پلیمرها خواص فیزیکی و مکانیکی نسبتا خوب و مفیدی دارند . أنها دارای وزن مخصوص پاییین و پایداری خوب در مقابل مواد شیمیایی هستند. بعضی از أنها شفاف بوده و می توانند جایگزین شیشه ها شوند. اغلب پلیمرها عایق الکتریکی هستند. اما پلیمرهای خاصی نیز وجود دارند که تا حدودی قابلیت هدایت الکتریکی دارند .
عایق بودن پلیمرها به پیوند کووالانسی موجود بین اتمها در زنجیرهای مولکولی ارتباط دارد. اما تحقیقات انجام شده در سالهای اخیر نشان داد که امکان ایجاد خاصیت هدایت الکتریکی در امتداد محور مولکولها وجود دارد. این نوع پلیمرها اساسا از پلی استیلن تشکیل شده اند. با نفوذ دادن عناصری مانند فلزات قلیایی یا هالوژنها «فرایند دوپینگ) به زنجیرهای مولکولی پلی استیلن به ترتیب نیمه هادیهای پلیمری از نوع N و P به دست می أیند. افزودن عناصر یا دوپینگ سبب می شود که الکترونها بتوانند در امتدا د اتمهای کربن در زنجیر حرکت کنند.
تفلون از مواد پلیمری است که به دلیل ضریب اصطکاک پایینی که دارد به عنوان پوشش برای جلوگیری از چسبیدن مواد غذایی در وسایل پخت و پز استفاده می شود.

ساختار پليمرها
اغلب پلیمرهای متداول از پلیمریزاسیون مولکولهای ساده آِلی به نام منومر به دست می أیند. برای مثال پلی اتیلن (PE) پلیمری است که از پلیمریزاسیون با افزایش (ترکیب) چندین مولکول اتیلن به دست می أید. هر مولکول اتیلن یک منومر نامیده می شود.
با ترکیب مناسبی از حرارت, فشار و کتالیزور , پیوند دوگانه بین اتمهای کربن شکسته شده و یک پیوند ساده کووالانسی جایگزین أن می شود. اکنون دو انتهای أزاد این منومر به رادیکالهای أزاد تبدیل می شود, به طوری که هر اتم کربن یک تک الکترون دارد که می تواند به رادیکالهای آزاد دیگر افزوده شود. از این رو در اتیلن دو محل ( مربوط به اتم کربن) وجود دارد که مولکول های دیگر می توانند در آنجا بدان ضمیمه شوند . این مولکول با قابلیت انجام واکنش , زیر بنای پلیمرها بوده و به (مر) یا بیشتر واحد تکراری موسوم است. واحد تکراری در طول زنجیر مولکول پلیمر به تعداد دفعات زیادی تکرارمیشود. طول متوسط پلیمر به درجه پلیمرزاسیون یا تعداد واحدهای تکراری در زنجیر مولکول پلیمر بستگی دارد. بنابراین نسبت جرم مولکولی پلیمر به جرم مولکولی واحد تکرای به عنوان (درجه پلیمریزاسیون) تعریف شده است . با بزرگتر شدن زنجیر مولکولی ( در صورتی که فقط نیروهای بین مولکولی سبب اتصال مولکولها به یکدیگر شود) مقاومت حرارتی و استحکام کششی مواد پلیمری هر دو افزایش می یابند.
به طور کلی فرایند پلیمریزاسیون می تواند به صورتهای مختلفی مانند افزایشی , مرحله ای و …. انجام گیرد.در پلیمریزاسیون افزایشی , تعدادی از واحدهای تکراری به یکدیگر اضافه شده و مولکول بزرگتری را به نام پلیمر تولید می کنند. در این نوع پلیمریزاسیون ابتدا در مرحله اول رادیکال آزاد, با دادن انرژی (حرارتی , نوری) به مولکولهای اتیلین با پیوند دوگانه و شکست پیوند دوگانه , به وجود می آید. سپس رادیکالهای آزاد با اضافه شدن به واحدهای تکراری مراکز فعالی به نام آغازگر شکل می گیرند و هر یک از این مراکز به واحدهای تکراری دیگر اضافه شده و رشد پلیمر ادامه می یابد .
از نظر تئوری درجه پلیمریزاسیون افزایشی می تواند نامحدود باشد, که در این صورت مولکول زنجیره ای بسیار طویلی از اتصال تعداد زیادی واحدهای تکراری به یکدیگر شکل می گیرد. اما عملا رشد زنجیر به صورت نامحدود صورت نمی گیرد.هر چه قدر تعداد مراکز فعال یا آغازگرهای شکل گرفته بیشتر باشد , تعداد زنجیرها زیادتر و نتیجتا طول زنجیرها کوچکتر می شود و بدین دلیل است که خواص پلیمرها تغییر می کند. البته سرعت رشد نیز در اندازه طول زنجیرها موثر است . هنگامی که واحدهای تکراری تمام و زنجیرها به یکدیگر متصل شوند, رشد خاتمه می یابد.
از دیگر روشهای پلیمریزاسیون, پلیمریزاسیون مرحله ای است که در آن منومرها با یکدیگر واکنش شیمیایی داده و پلیمرهای خطی را به وجود می اورند. در بسیاری از واکنشهای پلیمریزاسیون مرحله ای مولکول کوچکی به عنوان محصول فرعی شکل می گیرد . این نوع واکنشها گاهی پلیمریزاسیون کندنزاسیونی نیز نامیده می 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 ۱۸۹۸ 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 ۱۹۳۳ 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 ۱۹۳۹ 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 ۱۹۵۱ توس روبرت بانكس و جان هوسن در شركت فيليپس تپروليوم آنرا كشف كردند در سال ۱۹۳۵ 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 ۱۹۷۶ 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..