پلیمر چیست و چه ویژگی هایی دارد؟
اگر بخواهیم پلیمر را به ساده‌ترین شکل تعریف کنیم، با ماده‌ای شیمیایی روبه‌رو هستیم که از واحدهای تکرارشونده ساخته شده است و همین تکرار، به آن رفتار و کاربردهای ویژه می‌دهد. این واحدها می‌توانند در کنار هم به شکل‌های مختلفی قرار بگیرند و ساختاری بسیار متنوع بسازند.
پلیمرها تنها به یک فرم محدود نمی‌شوند؛ گاهی به صورت شبکه‌ای سه‌بعدی دیده می‌شوند، گاهی در یک صفحه به شکل شبکه‌ای دو‌بعدی کنار هم قرار می‌گیرند و در بعضی موارد نیز زنجیره‌ای یک‌بعدی را تشکیل می‌دهند که شبیه رشته‌ای پیوسته است.
هر واحد تکرارشونده در واقع یک “مِر” است و واژه “پلیمر” از ترکیب “پلی” به معنای چندین و “مِر” ساخته شده است؛ یعنی ماده‌ای با تعداد زیادی واحد مشابه. این واحدها معمولاً از کربن و هیدروژن تشکیل می‌شوند، اما در برخی پلیمرها عناصری مانند اکسیژن، نیتروژن، سولفور، کلر، فلور، فسفر و سیلیکن هم حضور دارند. وقتی این واحدها از راه پیوندهای شیمیایی به هم متصل می‌شوند، فرایند پلیمریزه شدن شکل می‌گیرد.
برای درک بهتر این مفهوم می‌توان به نمونه‌های ساده‌ای مثل به‌هم وصل کردن حلقه‌های کاغذی، کنار هم قرار دادن مهره‌ها روی نخ یا ساختن زنجیر از قطعات کوچک فکر کرد. پلیمرها هم در طبیعت وجود دارند و هم می‌توان آن‌ها را متناسب با نیازهای صنعتی و روزمره تولید کرد.
پلیمرهای ساخته‌شده در صنعت ممکن است پس از تشکیل، دیگر قابلیت ذوب شدن و شکل‌پذیری دوباره نداشته باشند. به این گروه پلیمرهای ترموست گفته می‌شود. رزین‌های اپوکسی که در چسب‌های دوگانه استفاده می‌شوند، نمونه‌ای از همین دسته هستند.
در مقابل، گروه دیگری از پلیمرهای مصنوعی وجود دارند که می‌توان آن‌ها را بارها ذوب و دوباره شکل‌دهی کرد. این مواد با نام پلیمرهای ترموپلاستیک یا پلیمرهای خطی شناخته می‌شوند. بطری‌ها، فیلم‌ها، لیوان‌ها و فیبرهای پلاستیکی از جمله کاربردهای شناخته‌شده این دسته‌اند.
نکته مهم این است که پلیمرها فقط محصول آزمایشگاه یا کارخانه نیستند. در طبیعت هم نمونه‌های فراوانی از آن‌ها یافت می‌شود. DNA و RNA از مهم‌ترین پلیمرهای طبیعی هستند و نقش اساسی در حیات دارند. همچنین ابریشم عنکبوت، مو و ماده سازنده شاخ حیوانات، همگی در گروه پلیمرهای پروتئینی قرار می‌گیرند. نشاسته و سلولز چوب نیز از دیگر نمونه‌های شناخته‌شده پلیمرهای طبیعی‌اند.
از کائوچو و سلولز نیز به عنوان مواد اولیه برای تولید لاستیک و پلاستیک پلیمری استفاده می‌شود. نخستین پلاستیک ساخته‌شده، باکالیت بود که در سال 1909 معرفی شد و در ساخت بدنه تلفن‌ها و قطعات الکترونیکی به کار می‌رفت. نخستین فیبر پلیمری تولیدشده، رِیان (ریون) بود که در سال 1910 و از سلولز به دست آمد. نایلون نیز بعدها در سال 1935 و در جریان تلاش برای ساخت ابریشم عنکبوت مصنوعی، وارد عرصه شد.
ساختار پلیمرها
بخش زیادی از پلیمرهای رایج از هیدروکربن‌ها ساخته می‌شوند؛ یعنی ترکیباتی که فقط از کربن و هیدروژن تشکیل شده‌اند. در این پلیمرها، اتم‌های کربن به صورت یک زنجیره بلند به هم متصل می‌شوند و آن زنجیره، ستون محوری پلیمر را می‌سازد. بر اساس نوع پلیمر، یک یا چند اتم دیگر نیز می‌توانند به هر اتم کربن در این ستون متصل شوند.
در بعضی از پلیمرها، تنها کربن و هیدروژن حضور دارند. پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، پلی‌بوتیلن، پلی‌استر و پلی‌متل‌پنتن از این گروه به شمار می‌آیند. این مواد به دلیل ترکیب شیمیایی و ساختارشان در صنایع مختلف کاربرد گسترده‌ای دارند.
پلی‌وینیل‌کلراید (PVC) نمونه‌ای است که در آن اتم‌های کلر به جای بخشی از هیدروژن‌ها به ستون محوری متصل می‌شوند. همین الگو در تفلون با اتم‌های فلور دیده می‌شود و به آن ویژگی‌های خاصی می‌دهد.
در میان پلیمرهای تولیدی، همه آن‌ها ستون محوری کربنی ندارند. نایلون دارای ستون محوری نیتروژنی است و در پلی‌استرها و پلی‌کربنات‌ها نیز ستون‌های محوری بر پایه اکسیژن شکل می‌گیرند. علاوه بر این، برخی پلیمرها ستون‌های محوری سیلیکونی یا فسفری دارند و به آن‌ها پلیمرهای غیرطبیعی گفته می‌شود. سیلی پوتی یکی از شناخته‌شده‌ترین پلیمرهای بر پایه سیلیکون است.
چیدمان مولکولی پلیمرها
برای تصور چیدمان پلیمرهای خطی، کافی است به رشته‌های اسپاگتی در یک بشقاب فکر کنید. وقتی زنجیره‌های پلیمری بدون نظم مشخص کنار هم قرار می‌گیرند، حالتی مشابه همین تصویر ایجاد می‌شود. اگر فرایند پلیمریزه شدن و سرد شدن مذاب به‌درستی کنترل نشود، مولکول‌ها می‌توانند آرایشی نامنظم پیدا کنند.
چنین ساختاری معمولاً باعث می‌شود پلیمر شفاف باشد. به همین دلیل، بسیاری از محصولاتی که نیاز به عبور نور دارند، مثل ظروف غذا، پنجره‌های پلاستیکی، چراغ‌های اتوموبیل و لنزهای طبی، از پلیمرهایی با آرایش نامرتب یا کم‌نظم ساخته می‌شوند.
با این حال، همه پلیمرها شفاف نیستند. بعضی زنجیره‌های پلیمری به شکل کریستالی کنار هم می‌نشینند و نتیجه آن، ماده‌ای کدر یا غیرشفاف است. در ساختار کریستالی، اتم‌ها، یون‌ها یا در مورد پلیمرها مولکول‌ها، الگوی منظم و تکرارشونده‌ای را دنبال می‌کنند.
هرچه نظم کریستالی در پلیمر بیشتر باشد، نور سخت‌تر از آن عبور می‌کند و ماده ظاهری مات‌تر پیدا می‌کند. از سوی دیگر، همین آرایش منظم می‌تواند مزایایی مانند استحکام، خشکی، مقاومت شیمیایی و پایداری بیشتر را به همراه داشته باشد.
دانشمندان و مهندسان همواره تلاش می‌کنند با تغییر ساختار مولکولی پلیمرها، مواد تازه و کارآمدتری بسازند. افزودن پرکننده‌ها، تقویت‌کننده‌ها و انواع افزودنی‌های جدید به پلیمرهای پایه، راهی مهم برای افزایش عملکرد، دوام و گستره کاربرد آن‌هاست.
ویژگی‌های پلیمرها
بخش قابل توجهی از پلیمرهای صنعتی از نوع ترموپلاستیک هستند؛ یعنی بعد از شکل‌گیری می‌توان آن‌ها را بارها ذوب کرد و دوباره به فرم دلخواه درآورد. همین ویژگی، فرآوری و بازیافت آن‌ها را آسان‌تر می‌کند.
در برابر این گروه، ترموست‌ها قرار دارند که پس از شکل‌گیری، دیگر به حالت اولیه برنمی‌گردند و با گرم‌کردن دوباره فقط کیفیت خود را از دست می‌دهند. با وجود تفاوت‌های فراوان میان پلیمرها، برخی خصوصیات در بیشتر آن‌ها مشترک است:
- پلیمرها معمولاً در برابر مواد شیمیایی مقاومت خوبی دارند. کافی است به ظرف‌های پلاستیکی نگهداری شوینده‌های خانگی فکر کنید؛ همین مثال نشان می‌دهد چرا بسیاری از بسته‌بندی‌ها باید در برابر حلّال‌ها پایدار باشند. البته بعضی پلاستیک‌ها در برابر حلّال‌های قوی آسیب‌پذیرند، در حالی که برخی دیگر مقاومت بالایی دارند.
- آن‌ها می‌توانند عایق الکتریکی و حرارتی باشند. از پریزها، سیم‌کشی‌ها و اتصالات گرفته تا دسته کتری و ظروف آشپزی، نمونه‌های روزمره‌ای از این خاصیت را می‌بینیم.
- پلیمرها معمولاً سبک هستند، اما در عین حال می‌توانند استحکام بالایی داشته باشند. از اسباب‌بازی‌های ساده تا سازه‌های مورد استفاده در ایستگاه‌های فضایی، و از جوراب‌های نایلونی ظریف تا الیاف کولار در جلیقه‌های ضدگلوله، همگی این تنوع را نشان می‌دهند.
- بعضی از پلیمرها روی آب شناور می‌مانند و برخی دیگر فرو می‌روند؛ با این حال، در مقایسه با موادی مانند سنگ، بتون، استیل، مس و آلومینیوم، بیشتر پلاستیک‌ها سبک‌وزن محسوب می‌شوند.
- پلیمرها را می‌توان با روش‌های گوناگون فرآوری کرد. اکسترودرها فیبرهای نازک، لوله‌های سنگین، فیلم و بطری‌های غذایی تولید می‌کنند و دستگاه‌های تزریق نیز برای ساخت قطعات درهم‌تنیده یا پنل‌های بزرگ بدنه خودرو به کار می‌روند.
برخی پلاستیک‌ها، مانند بطری‌های نوشیدنی، در مرحله تولید تحت کشش قرار می‌گیرند تا شکل نهایی خود را حفظ کنند. در کنار این‌ها، موادی مانند پلی‌استر، پلی‌اورتان و پلی‌اتیلن نیز می‌توانند به صورت اسفنجی ساخته شوند و در کاربردهای عایق و ضربه‌گیر مورد استفاده قرار گیرند.
از نظر ظاهر نیز پلیمرها بسیار متنوع‌اند. آن‌ها می‌توانند شفاف، مات، نرم، سخت، رنگی یا بی‌رنگ باشند و حتی از نظر بصری شبیه موادی مانند پنبه، ابریشم، پشم، چینی، مرمر، آلومینیوم و روی به نظر برسند.
اگرچه بسیاری از پلیمرها از نفت خام به دست می‌آیند، منشأ آن‌ها همیشه نفتی نیست. بسیاری از واحدهای تکرارشونده از گاز طبیعی، زغال سنگ و نفت خام تهیه می‌شوند، اما در برخی موارد می‌توان همین مواد را از منابع تجدیدپذیر نیز استخراج کرد.
برای نمونه، اسید پلی‌لاکتیک از ذرت و برخی سلولزیک‌ها از پنبه‌دانه به دست می‌آیند. همچنین بعضی پلاستیک‌ها، مانند استات سلولز، همواره از مواد قابل بازیابی ساخته می‌شوند و در محصولاتی مانند دسته پیچ‌گوشتی و روبان‌های هدیه کاربرد دارند.
پلیمرها گاهی در محصولاتی به کار می‌روند که نمونه مشابهی برای آن‌ها با مواد دیگر وجود ندارد. فیلم‌های شفاف و مقاوم در برابر آب، یکی از همین مثال‌ها هستند. از PVC نیز در ساخت تیوب‌های پزشکی و کیسه‌های خون استفاده می‌شود تا نگهداری خون و فرآورده‌های خونی به شکل مؤثرتری انجام شود.
همچنین، PVC می‌تواند اکسیژن قابل اشتعال را با ایمنی مناسب در تیوب‌های انعطاف‌پذیر و مقاوم در برابر آتش منتقل کند. در کنار این موارد، موادی مانند هپارین در کاتترهای انعطاف‌پذیر PVC برای عمل‌های قلب باز، دیالیز و نمونه‌گیری خون مورد استفاده قرار می‌گیرند و نشان می‌دهند پلیمرها چه نقش مهمی در تجهیزات پزشکی دارند.
از زاویه‌ای دیگر، برخی پلیمرها قابل بازیافت هستند و برخی نیز به سمت زیست‌تخریب‌پذیری طراحی می‌شوند؛ به همین دلیل، انتخاب نوع پلیمر در بسته‌بندی، پزشکی، ساختمان و خودروسازی فقط به عملکرد فنی محدود نیست و مسائل زیست‌محیطی را هم در بر می‌گیرد.
در مجموع، پلیمرها خانواده‌ای بسیار گسترده از مواد هستند که از زندگی روزمره تا صنایع پیشرفته در همه‌جا حضور دارند. تفاوت در ساختار، چیدمان مولکولی و نوع عناصر سازنده باعث می‌شود هر پلیمر ویژگی‌های مخصوص خود را داشته باشد و همین تنوع، علت اصلی اهمیت آن‌ها در دنیای امروز است.
منبع: آرتاک ماشین