پلیمرها تقریباً در همه جای دنیا یافت می‌شوند، از کیسه‌های خرید پلاستیکی گرفته تا ظروف غذا، تا مصالح ساختمانی و مواد کاربردی برای سلول‌های خورشیدی و کاربردهای زیست پزشکی. تعداد کمی از این مواد پلیمری به طور طبیعی وجود دارند، اما اکثریت آنها از طریق فرآیندی به نام سنتز می شوند پلیمریزاسیون.

تعدادی از فرآیندهای پلیمریزاسیون مختلف امروزه در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرند، که هر تکنیک قادر به تولید انواع منحصر به فرد پلیمرهای مصنوعی و ویژگی‌های دقیق تنظیم شده است. در واقع، شرکت‌ها مقدار حیرت‌آوری از پلیمرها را تولید می‌کنند که به بیش از 340 میلیون تن در سال می‌رسد و بیش از 60000 ماده پلیمری مختلف را تولید می‌کنند که هر کدام کاربردهای مفید خود را دارند.

در اینجا، با این موارد آشنا خواهید شد:

• مکانیسم های مختلف پلیمریزاسیون
• مواد پلیمری و کاربردهای آنها
• روندهای آینده در شیمی پلیمر

مکانیسم های پلیمریزاسیون

پلیمریزاسیون فرآیند شیمیایی پیوند کووالانسی بسیاری از مولکول‌های منفرد است که به آن می‌گویند مونومرها، با هم این مولکول های زنجیره بلند را که ما آنها را می نامیم تشکیل می دهند پلیمرها [2]. دو دسته اصلی از چند واکنش ها وجود دارد، پلیمریزاسیون مرحله ای رشد و پلیمریزاسیون رشد زنجیره ای.

پلیمریزاسیون مرحله ای رشد

پلیمریزاسیون مرحله‌ای رشد مکانیزمی است که در آن گروه‌های عاملی مونومرها واکنش داده و ترکیب می‌شوند و تشکیل می‌شوند. دایمرها، تریمرها، طولانی تر الیگومرها و در نهایت پلیمرها. بنابراین، برای تشکیل یک زنجیره بلند، مونومرها به حداقل 2 گروه عاملی واکنشی نیاز دارند. یک واکنش رشد پله ای شامل مونومرهایی با بیش از 2 گروه عاملی واکنشی، باعث ایجاد انشعاب می شود و منجر به یک پلیمر متقاطع.

فرآیند رشد پله ای را می توان نامید چند متراکم شدن زمانی که رشد زنجیره از واکنش تراکم بین گروه های عاملی ناشی می شود، یا چند افزودنی هنگامی که شامل یک واکنش اضافه می شود.

واکنش به صورت زیر انجام می شود:

`Monomer+Monomer Daymer فلش راست`

`Dimer+Monomer Trimer فلش راست`

`Dimer+Dimer Tetramer فلش راست`

`Trimer+Dimer rightarrow Pentamer`

`(n)mer+(m)mer rightarrow (n+m)mer`

پلیمریزاسیون با رشد زنجیره ای

پلیمریزاسیون با رشد زنجیره ای شامل واکنشی در مرکز فعال مونومرهای رادیکالیزه یا یونی است که شامل 3 مرحله واکنش ضروری است:

1. شروع

شروع فرآیند ایجاد یک مرکز فعال در یک مونومر است. آغازگر به فرآیند در دست بستگی دارد: پلیمریزاسیون رادیکال از آغازگر رادیکالی استفاده می کند، پلیمریزاسیون یونی از آغازگر کاتیونی/آنیونی، پلیمریزاسیون حرارتی با گرما و پلیمریزاسیون هماهنگ با مجتمع های فلزات واسطه استفاده می کند. این مرحله واکنش به شرح زیر است:

`X X فلش راست 2X^{ast}`

`X^{ast}+Mright arrow X M^{ast}`

در جایی که “X” یک آغازگر است، “M” یک مونومر، “X^{ast}” و “M^{ast}” رادیکال می شوند.

2. تکثیر

تکثیر به رشد مکرر پلیمر اشاره دارد که در آن یک مونومر به مرکز فعال موجود اضافه می شود تا یک مولکول پلیمر طولانی تر با یک مرکز فعال جدید تولید شود. این مرحله واکنش به شرح زیر است:

`X M^{ast}+M فلش راست X M_n M^{ast}`

3. فسخ

انتشار پایانی تا پایان ادامه خواهد داشت، جایی که به هر طریقی، مرکز فعال حامل زنجیره ناپدید می شود و مولکول پلیمر دیگر قادر به رشد نیست. این مرحله واکنش به شرح زیر است:

`X M_n M^{ast}rightarrowX M_n M Y`

که در آن “Y” مولکولی است که مرکز فعال را خاتمه می دهد.

جدول 1. مقایسه یک به یک بین پلیمریزاسیون مرحله ای و پلیمریزاسیون با رشد زنجیره ای.

پلیمریزاسیون مرحله ای رشد	پلیمریزاسیون رشد زنجیره ای
واکنش بین مونومرها با دو یا چند گروه عاملی فعال	واکنش در مراکز فعال مونومرهای غیراشباع
ابتدا الیگومرها تشکیل می شوند که سپس به هم می پیوندند و پلیمر را تشکیل می دهند	یک زنجیره پلیمری از طریق اتصال یک مونومر در یک زمان تشکیل می شود
مونومرها دو کاره یا چند منظوره هستند	مونومرها غیر اشباع هستند
ممکن است به یک کاتالیزور نیاز داشته باشد، اما بدون آغازگر	نیاز به آغازگر دارد
مونومر در ابتدای فرآیند به سرعت مصرف می شد	مونومر در طول فرآیند با نرخ ثابتی مصرف می شود
درجه پلیمریزاسیون به طور پیوسته در طول فرآیند افزایش می یابد	درجه پلیمریزاسیون در ابتدای فرآیند به سرعت افزایش می یابد
بدون فسخ	پلیمر پس از خاتمه قادر به رشد نیست

مواد حاصل از پلیمریزاسیون

پلیمرهای حاصل از پلیمریزاسیون مرحله ای بر اساس گروه عاملی مانند پلی استرها و پلی آمیدها نامگذاری می شوند، در حالی که پلیمرهای حاصل از پلیمریزاسیون با رشد زنجیره ای بسته به مونومری که از آن تولید شده است نامگذاری می شوند مانند پلی اتیلن و پلی استایرن.

پلی استرها بادوام، سخت، مقاوم در برابر مواد شیمیایی و غیر حساسیت زا هستند. یکی از رایج ترین پلیمرهای مورد استفاده در واقع پلی استر PET (پلی اتیلن ترفتالات) است که یک پلیمر شفاف، قوی و سبک است که در بطری های پلاستیکی، ظروف و حتی پارچه های مقاوم در برابر آب استفاده می شود.

پلی آمیدها دارای استحکام کششی بالا، انعطاف پذیری بالا، انعطاف پذیری خوب و مقاومت ضربه ای بالا هستند. رایج ترین پلی آمیدها نایلون 6،6 (پلی هگزامتیلن آدیپامید) و نایلون 6 (پلی کاپرولاکتام) هستند که در طناب های با استحکام بالا، لباس های ورزشی و چتر نجات استفاده می شود.

پلی اتیلن را می توان به عنوان پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) یا پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE) طبقه بندی کرد. HDPE قوی، متراکم و کریستالی است، در حالی که LDPE انعطاف پذیر، انعطاف پذیر است و در هنگام کرنش کردن تمایل به کشش دارد. کاربردهای این گونه مواد گسترده است، از بسته بندی چسبناک و کیسه های پلاستیکی گرفته تا تقویت کننده ها و ضد گلوله ها.

پلی استایرن در حالت فوم دار معمولاً به نام “Styrofoam” شناخته می شود که برای بسته بندی مواد غذایی و کالاهای شکننده استفاده می شود. با این حال، پلی استایرن جامد همچنین دارای فهرست طولانی از کاربردها است که خواص شکننده، سخت و شفاف را برای آشپزخانه، حمام و لوازم پزشکی نشان می دهد.

کاربرد مواد پلیمری

ترموپلاستیک ها

مواد ترموپلاستیک را می توان به پلاستیک های کالایی و پلاستیک های مهندسی طبقه بندی کرد. پلاستیک های کالایی در حجم بالا و با هزینه کم برای کاربردهایی مانند بسته بندی یکبار مصرف و فیلم تولید می شوند. در مقابل، پلاستیک های مهندسی در حجم کمتر و با هزینه بالاتر تولید می شوند. آنها خواص مکانیکی بالاتری از خود نشان می دهند و دوام بیشتری دارند و به دنبال جایگزینی شیشه، فلزات و سرامیک های سنتی هستند.

کاربردهای پلاستیک کالا در همه جا وجود دارد: ظرف کره از پلی پروپیلن (PP)، ظرف ماست از پلی استایرن (PS)، کشوی سبزیجات از پلی کربنات (PC)، ظرف شیر HDPE و بطری PET سس سویا. از کاربردهای پلاستیک های مهندسی می توان به بلبرینگ های استال، شیشه های نشکن پلی کربنات و لنزهای عینک سبک وزن، ایمپلنت های پزشکی پلی اتر اتر کتون (PEEK)، مدارهای الکتریکی پلی اتیلنیمین (PEI) و عایق الکتریکی پلی فنیلن سولفید (PPS) اشاره کرد.

الیاف

الیاف دارای استحکام کششی و مدول الاستیک بالا، ازدیاد طول و پایداری حرارتی خوب هستند که آنها را برای بافتن، ریسندگی و اتو کردن مناسب می‌سازد. نمونه هایی از الیاف تولید شده از پلیمریزاسیون عبارتند از پیراهن های پلی استر، جلیقه های ضد گلوله کولار، کاغذ دیواری الفین و طناب های پلی اتیلن.

لاستیک ها

لاستیک ها به عنوان الاستومر طبقه بندی می شوند و خواص آن عبارتند از: کشیدگی قابل برگشت زیاد، آمورفیسم کامل، دمای انتقال شیشه ای پایین و اتصال عرضی سبک. لاستیک های مصنوعی کاربردهای گسترده ای در خودرو و پزشکی دارند. پلی بوتادین در لاستیک خودرو، پلی کلروپرن برای لباس های مرطوب و مهر و موم خودرو، پلی سیلوکسان برای آب بندی پزشکی و پلی یورتان ها برای پر کردن فوم ها، عایق ها و پوشش های سطحی استفاده می شود.

روندهای آینده در پلیمریزاسیون

چرخه حیات فعلی پلیمرهای مصنوعی بسیار ناپایدار است و باعث آلودگی شدید پلیمری و از دست دادن ارزش مواد می شود. برای پرداختن به این مسائل زیست محیطی و اقتصادی، صنعت پلیمر باید خود را با دنیای دوستدار محیط زیست سازگار کند. تولیدکنندگان پلاستیک به دنبال راه‌حل‌های پلیمری طبیعی و بادوام هستند، مانند کیسه‌های خرید قابل کمپوست یا استفاده مجدد، و تمرکز بیشتری روی فرآیندهای بازیافت برای کمک به پاکسازی محل‌های دفن زباله و پاکسازی اقیانوس‌ها وجود دارد.

از نظر کاربردهای پیشرفته تر، پلیمرها به احتمال زیاد مواد این قرن خواهند بود که به مسائل انرژی، سلامت و زیرساخت ها می پردازند. پلیمرهای امروزی و آینده نزدیک، به طور بالقوه راه حل های سبز، پایدار، کم مصرف، با کیفیت بالا و قیمت پایین را برای مسائل مهم جهانی که در حال حاضر با آن مواجه هستیم، ارائه می دهند. صنایع عمده ای که پلیمرها به مداخله خود ادامه خواهند داد شامل صنایع پزشکی، بسته بندی، خودروسازی، هوافضا و صنایع الکترونیک است. پیشرفت های قابل توجهی که به تکامل خود ادامه خواهند داد عبارتند از چاپ سه بعدی، سلول های خورشیدی پلیمری قابل چاپ، پلیمرهایی برای کاربردهای زیست شناسی سلول های بنیادی و سیستم های پلیمری خود ترمیم شونده یا احیا شونده.