بسپار یا پلیمر (polymer) به موادی گفته می‌شود که از مولکول‌های درشت و زنجیره‌ای تشکیل شده‌اند. این مولکول‌های بزرگ از کنار هم قرار گرفتن واحدهای کوچک و تکرارشونده‌ای ساخته می‌شوند که به آن‌ها تکپار یا مونومر گفته می‌شود. همین آرایش تکراری است که به پلیمرها ویژگی‌های متنوع و گاه بسیار متفاوتی می‌دهد.

پلیمرها در زندگی روزمره و صنعت حضوری پررنگ دارند؛ از بسته‌بندی و لوازم خانگی گرفته تا خودرو، پزشکی و الیاف نساجی. در دانشگاه نیز رشته پلیمر یکی از گرایش‌های شیمی و مهندسی شیمی به شمار می‌آید. این گرایش تا سال ۱۳۶۲ یکی از شاخه‌های مهندسی شیمی بود، اما امروز در بسیاری از دانشگاه‌ها و مراکز آموزش عالی به صورت رشته‌ای مستقل با دو گرایش صنایع پلیمر و تکنولوژی و علوم رنگ ارائه می‌شود؛ هرچند در بعضی دانشگاه‌های کشور هنوز هم به عنوان یکی از گرایش‌های مهندسی شیمی تدریس می‌شود. واژهٔ بسپار فارسی است و از دو بخش بس (بسیار) و پار (پاره، قطعه) ساخته شده است. واژهٔ «پلیمر» نیز از دو بخش یونانی «پُلی» به معنای بسیار و «مر» به معنی قسمت، پاره یا قطعه گرفته شده است.

گونه‌های بسپار

تعداد واحدهای تکرارشونده در یک مولکول بزرگ را درجه بسپارش یا درجه پلیمریزاسیون می‌نامند. بسپارهایی که تنها از یک نوع واحد تکرار شونده ساخته شده‌اند، جوربسپار هستند و بسپارهایی که از چند نوع واحد تکرارشونده تشکیل شده‌اند، هم‌بسپار نام دارند. در برخی موارد نیز اصطلاح ترپلیمر برای محصولاتی به کار می‌رود که از بسپارش سه تک‌پار به دست آمده‌اند. برای موادی که با بیش از سه تک‌پار بسپارش شده‌اند، واژهٔ ناجوربسپار رایج‌تر است.

از دید ساختار زنجیره‌ای نیز بسپارها می‌توانند شکل‌های گوناگونی داشته باشند؛ برای نمونه، بعضی از آن‌ها زنجیره‌های مستقیم و برخی دیگر ساختار شاخه‌دار یا شبکه‌ای دارند. همین تفاوت در ساختار، روی خواصی مانند استحکام، انعطاف‌پذیری، شفافیت و مقاومت گرمایی اثر می‌گذارد و باعث می‌شود هر پلیمر برای کاربردی خاص مناسب‌تر باشد.

بسیاری از مواد پایه و طبیعی مانند پروتئین، چوب، کتین، لاستیک خام (کائوچو) و رزین‌ها در گروه بسپارها قرار می‌گیرند. در کنار آن‌ها، شمار زیادی از مواد مصنوعی نیز پلیمری هستند؛ از جمله پلاستیک‌ها، الیاف مصنوعی مانند نایلون و ریون، چسب‌ها، شیشه و چینی.

دسته بندی بسپارها

بسپارها را می‌توان به شیوه‌های گوناگونی طبقه‌بندی کرد و یکی از رایج‌ترین آن‌ها، تقسیم‌بندی بر پایه منشأ آن‌هاست؛ یعنی بسپارهای طبیعی و بسپارهای مصنوعی. با این حال، در اینجا دسته‌بندی بر اساس ساختار و رفتار گرمایی آن‌ها مطرح می‌شود.

از نظر واکنش در برابر حرارت، بسپارها به دو گروه اصلی گرمانرم‌ها (ترموپلاستیک‌ها) و گرماسخت‌ها (ترموست‌ها) تقسیم می‌شوند. گرمانرم‌ها با گرم شدن نرم می‌شوند و در صورت ادامهٔ گرما ذوب می‌گردند، اما گرماسخت‌ها چنین رفتاری ندارند و در دماهای بالا به جای ذوب شدن، به شکل برگشت‌ناپذیر تجزیه می‌شوند. بسپارها همچنین ویژگی ویسکو الاستیک دارند؛ در گرمانرم‌ها این رفتار بیشتر از درهم‌تنیدگی زنجیره‌ها ناشی می‌شود و در گرماسخت‌ها علاوه بر درهم‌تنیدگی، اتصالات شبکه‌ای نیز در آن نقش دارند.

همین تفاوت رفتاری سبب می‌شود روش شکل‌دهی، بازیافت و کاربرد این دو گروه با یکدیگر فرق داشته باشد. به طور معمول، گرمانرم‌ها برای فرآیندهایی مانند قالب‌گیری و ذوب مجدد مناسب‌ترند، در حالی که گرماسخت‌ها در جاهایی به کار می‌روند که پایداری حرارتی و حفظ شکل نهایی اهمیت بیشتری دارد.

آلیاژ سازی بسپارها

ترکیب کردن بسپارها یکی از راهکارهای رایج و پربازده برای رسیدن به مواد جدید با ویژگی‌های مطلوب است. این روش معمولاً از طراحی و ساخت یک بسپار کاملاً تازه کم‌هزینه‌تر تمام می‌شود و در عین حال امکان تنظیم دقیق خواص را هم فراهم می‌کند. توماس هانکوک (Thomas Hancock) نخستین کسی بود که ایدهٔ بهبود ویژگی‌ها از راه آلیاژسازی را دنبال کرد. او با مخلوط کردن لاستیک طبیعی و یک صمغ طبیعی به نام “گوتا پرچا” (Gutta Percha) ماده‌ای به دست آورد که برای تولید لباس‌های ضدآب مورد استفاده قرار گرفت. نخستین آمیزهٔ تجاری گرمانرم، آلیاژ PVC/NBR بود که در سال ۱۹۴۲ وارد بازار جهانی شد.

آلیاژسازی بسپارها فقط برای بهبود خواص فنی نیست، بلکه از نظر اقتصادی نیز اهمیت زیادی دارد. در بسیاری از موارد، می‌توان با ترکیب چند پلیمر، هم هزینه تولید را کنترل کرد و هم عملکرد نهایی را به سطح مطلوب رساند. به همین دلیل، انتخاب اجزای آمیزه باید با دقت انجام شود تا مزیت‌های یک پلیمر، ضعف‌های پلیمر دیگر را جبران کند.

مهم‌ترین دلایل اقتصادی آلیاژسازی بسپارها عبارتند از:

1. استفاده بهتر از بسپارهای مهندسی از طریق ترکیب آن‌ها با مواد ارزان‌تر.
2. تولید موادی با ویژگی‌های مشخص و از پیش تعیین‌شده.
3. دستیابی به آلیاژهای پربازده با بهره‌گیری از بسپارهایی که اثر هم‌افزایی (Synergistic) دارند.
4. تنظیم نسبت اجزای آلیاژ بر پایه نیازهای مصرف‌کننده و مشخصات مورد انتظار.
5. بازیافت پسماندهای پلاستیک‌های مصرفی و وارد کردن آن‌ها به چرخه آلیاژسازی.

افزودنی‌های بسپار

افزودنی‌های بسپار یکی از انواع افزودنی‌های شیمیایی بتن به شمار می‌آیند و برای اصلاح و بهبود خواص فرآورده‌های بسپاری به کار می‌روند. این مواد نقش مهمی در تنظیم ویژگی‌های ظاهری، مکانیکی، نوری و پایداری محصول نهایی دارند. ترکیب و مقدار این افزودنی‌ها بسته به نوع پلیمر و کاربرد آن انتخاب می‌شود.

این مواد عبارتند از:

• نرم کننده‌ها: نرم‌کننده‌ها موادی هستند که انعطاف‌پذیری ماده‌ای را که به آن افزوده می‌شوند بیشتر می‌کنند. این ترکیبات علاوه بر صنعت پلیمر، در بتن و سیمان نیز کاربرد دارند. نرم‌کننده‌های پلاستیک‌ها معمولاً از گروه فتالات‌ها هستند و با افزایش انعطاف‌پذیری، دوام پلاستیک را هم بالا می‌برند. عملکرد آن‌ها به این صورت است که در میان مولکول‌های مادهٔ پلیمری قرار می‌گیرند، فضای خالی را بیشتر می‌کنند، دمای ذوب کریستالی را پایین می‌آورند و در نتیجه پلیمر را نرم‌تر می‌سازند.
• پایدار کننده‌ها: این افزودنی‌ها برای حفظ خواص پلیمر در برابر گرما، نور، اکسایش و عوامل محیطی به کار می‌روند و از افت کیفیت زودهنگام محصول جلوگیری می‌کنند.
• رنگدانه‌ها: رنگدانه‌ها موادی هستند که برای رنگ کردن پلیمر و ایجاد ویژگی رنگی در آن استفاده می‌شوند و شامل رنگدانه‌های آلی و معدنی هستند.
  • رنگدانه‌های معدنی: رنگدانه‌های غیرآلی، نمک‌های فلزی و اکسیدها هستند. این مواد رنگزا می‌توانند لایه‌ای از یک جسم پلاستیکی را با رفتاری قابل پیش‌بینی رنگی کنند. بیشتر آن‌ها ذراتی با اندازه میانگین بین ۰/۲ تا ۱/۰ میکرون دارند. تولیدکنندگان برای به دست آوردن رنگ‌های مرغوب، ذرات بزرگ‌تر از ۵ میکرون را حذف می‌کنند. رنگدانه‌های غیرآلی، به جز چند استثناء، مواد خام ارزان‌قیمتی هستند که با وجود این، به دلیل دوام نسبتاً پایین، همیشه بهترین کیفیت را ندارند.
  • رنگدانه‌های آلی: رنگدانه‌های آلی از نظر پیچیدگی ساختاری طیف گسترده‌ای دارند. ساختار این مواد می‌تواند به سادگی کربن سیاه باشد یا به پیچیدگی ساختار چهارتایی رنگدانه‌های فتالوسیانین برسد. استفاده از رنگدانه‌های آلی در آلیاژها و آمیخته‌های پلیمری به سرعت رو به افزایش است و این روند تا حد زیادی از نگرش به کاهش مصرف فلزات سنگین ناشی می‌شود. به طور نمونه، دوام رنگدانه‌های آلی ۱۰ – ۲۰ بار بیشتر از رنگ‌های غیرآلی مورد مقایسه است و این تفاوت تا حدی به کوچک‌تر بودن ذرات رنگدانه‌های آلی نسبت به رنگ‌های غیرآلی برمی‌گردد.
• پر کننده‌ها: این مواد برای تغییر خواص مکانیکی، کاهش هزینه یا بهبود ویژگی‌های فرایندی به فرمول پلیمر افزوده می‌شوند.
• آنتی استاتیک (عامل ضد الکتریسیته ساکن): این افزودنی‌ها از تجمع بار الکتریکی روی سطح پلیمر جلوگیری می‌کنند و در بسیاری از محصولات پلاستیکی کاربرد دارند.
• آنتی اکسیدانت (عوامل ضد اکسایش): این مواد از تخریب پلیمر در اثر اکسایش و تماس با اکسیژن جلوگیری کرده و عمر مصرفی آن را افزایش می‌دهند.
• آنتی یو وی (پایدارکننده نوری): این گروه برای کاهش اثر مخرب نور فرابنفش به کار می‌رود و به حفظ رنگ و خواص مکانیکی پلیمر کمک می‌کند.

کاربردهای بسپارها در صنعت و زندگی روزمره

بسپارها به دلیل وزن کم، شکل‌پذیری مناسب و امکان طراحی خواص متنوع، در بخش‌های مختلف صنعت به کار می‌روند. از بسته‌بندی‌های سبک و قطعات الکترونیکی گرفته تا پوشش‌ها، لوله‌ها، منسوجات، چسب‌ها و قطعات خودرو، همگی نمونه‌هایی از حضور گستردهٔ پلیمرها هستند. در برخی کاربردها، هدف اصلی مقاومت شیمیایی یا الکتریکی است و در برخی دیگر، انعطاف‌پذیری، شفافیت یا استحکام اهمیت بیشتری دارد.

انتخاب نوع پلیمر معمولاً به شرایط مصرف بستگی دارد. برای مثال، اگر قطعه‌ای باید بارها خم شود، پلیمرهای انعطاف‌پذیر مناسب‌ترند؛ اما اگر محصول در برابر گرما یا فشار مکانیکی قرار می‌گیرد، باید از بسپارهایی استفاده شود که پایداری بیشتری داشته باشند. به همین دلیل، شناخت ساختار پلیمر، نوع افزودنی‌ها و روش آلیاژسازی نقش مهمی در طراحی محصول نهایی دارد.

در مجموع، پلیمرها فقط مواد سادهٔ پلاستیکی نیستند، بلکه خانواده‌ای بزرگ از مواد با کاربردهای بسیار گسترده‌اند. از مادهٔ اولیه تا محصول نهایی، همه‌چیز به نوع بسپار، نحوهٔ ترکیب آن و افزودنی‌های به‌کاررفته بستگی دارد؛ موضوعی که باعث شده علم پلیمر به یکی از حوزه‌های مهم و پرکاربرد شیمی و مهندسی تبدیل شود.