پلیمر چیست و چه ویژگی هایی دارد؟

پلیمر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟

بخش اول: مقدمات
ساده‌ترین تعریف پلیمر از این قرار است:‌” ماده‌ شیمیایی کارآمدی که از واحد‎هایی تکرارشونده تشکیل می‌شود”. پلیمر می‌تواند به‌صورت‌های زیر باشد:

الف) شبکه‌ای ۳ بعدی که در آن واحد‎های تکرارشونده از راست و چپ، جلو و عقب و بالا و پایین به یک‌دیگر متصل‌اند؛

ب) شبکه‎ای ۲ بعدی که در آن واحد‎های تکرارشونده از بالا و پایین و راست و چپ در یک صفحه به یک‌دیگر متصل‌اند؛ و

پ) شبکه‎ای تک بعدی که در آن واحدهای تکرارشونده از راست و چپ همانند یک زنجیر به یکدیگر متصل‌اند.

هر واحد تکرارشونده در حقیقت یک “مِر” می‌باشد. ترکیب “پلی” (به‌معنای چندین) و “مِر”، کلمه‌ی “پلیمر” که به معنای تعداد زیادی واحد تکرارشونده است را تشکیل می‌دهد. واحدهای تکرارشونده عموماً از کربن و هیدروژن و گاهی از اکسیژن، نیتروژن، سولفور، کلر، فلور، فسفر و سیلیکون ساخته می‌شوند. برای ایجاد زنجیره‌ای از این واحد‎ها، “مِر” ها به‌صورت شیمیایی به یک‌دیگر قلاب یا اصطلاحاً “پلیمریزه” می‌شوند.

“به هم متصل کردن تعداد بی‌شماری کاغذ رنگی برای ایجاد حلقه‌ای کاغذی” یا “قلاب‌کردن صدها تکه کاغذ به یک‌دیگر به‌صورت یک زنجیر” یا “مهره‌های به ریسمان کشیده‌شده”، مثال‌های ساده‌ای هستند که می‌توانند به درک بهتر چیستی پلیمرها کمک کنند.

پلیمرها در طبیعت وجود دارند و می‌توان آن‌ها را برای رفع نیازهای خاص نیز تولید کرد. پلیمرهای تولیدی می‌توانند به صورت شبکه‌ای سه بعدی که پس از تشکیل، قابلیت ذوب مجدد ندارند، ظاهر شوند؛ چنین شبکه‌هایی “پلیمرهای ترموست” نامیده می‌شوند. رزین‌های اپوکسی به‌کار برده‌ شده در چسب‌های دوگانه از جمله پلاستیک‌های ترموست هستند. این پلیمرها هم‌چنین می‌توانند به‌صورت زنجیری تک بعدی با قابلیت ذوب مجدد ظاهر گردند. این زنجیرها به‌عنوان “پلیمرهای ترموپلاستیک” یا “پلیمرهای خطی” شناخته می‌شوند. بطری‎، فیلم، لیوان و فیبرهای پلاستیکی همگی از جمله پلاستیک‌های ترموپلاستیک هستند.

پلیمرها به وفور در طبیعت یافت می‌شوند و شاخص‌ترین پلیمرهای طبیعی، DNA و RNA اند که در زندگی ما نقش تعیین‌کننده‌ای دارند. ابریشم عنکبوت، مو و ماده‌ی سازنده‌ی شاخ حیوانات از جمله پلیمرهای پروتئینی هستند. نشاسته و سلولز چوب نیز پلیمر محسوب می‌شوند. از کائوچو و سلولز به‌عنوان مواد خام برای تولید لاستیک و پلاستیک پلیمری استفاده می‌شود. اولین پلاستیک تولیدشده “باکالیت” است که پیدایش آن به سال ۱۹۰۹ باز می‌گردد و در ساخت بدنه‌ی تلفن‌ها و قطعات الکترونیکی استفاده می‌شد. نخستین فیبر پلیمری تولیدشده به نام “رِیان” (ریون) در سال ۱۹۱۰ و از سلولز به دست آمد. نایلون نیز بعدها و در سال ۱۹۳۵ در حین تلاش برای تولید ابریشم مصنوعی عنکبوت ساخته‌شد.

بخش دوم: ساختار پلیمرها
بسیاری از پلیمرها از هیدروکربن‌ها (کربن و هیدروژن) تشکیل شده‌اند. این نوع پلیمرها به‌طور خاص از اتم‌های کربن پیوسته به‌صورت یک زنجیره‌ی بلند که “ستون محوری پلیمر” نامیده می‌شود، تشکیل می‌گردند. با توجه به طبیعت کربن، یک یا تعداد بیشتری اتم می‌تواند به هر اتم کربن در ستون محوری متصل شود. در برخی پلیمرها مثل پلی‌اتیلن، پلی‌پرو‌پیلن، پلی‌بوتیلن، پلی‌استر و پلی‌متل‌پنتن تنها اتم‌های کربن و هیدروژن وجود دارند. پلی‌وینیل‌کلراید (PVC) پلیمری است که در آن اتم‌های کلر (به‌جای هیدروژن) به هر اتم کربن در ستون محوری متصل می‌شوند. مشابه این ساختار در تفلون اما با اتم‌های “فلور” تشکیل می‌شود.

انواع دیگر پلیمرهای تولیدی، از ستون‌های محوری غیرکربنی پدید می‌آیند؛ مثلاً نایلون از ستون محوری نیتروژنی (اتم‌های نیتروژن به‌جای اتم‌های کربن) و ستون‌های محوری پلی‌استرها و پلی‌کربنات‌ها از اتم‌های اکسیژن تشکیل می‌شود. هم‌چنین، برخی دیگر از پلیمرها ستون‌های محوری سیلیکونی یا فسفری دارند. این گروه از پلیمرها “پلیمرهای غیرطبیعی” نام دارند و “سیلی پوتی”، یکی از شناخته‌شده ترین پلیمرهای بر مبنای سیلیکون است.

بخش سوم: چیدمان مولکولی پلیمرها
“رشته‌های نودل‌ در بشقاب”، مثالی ساده برای درک بهتر چیدمان پلیمرهای خطی بدون ترتیب است. کنترل کردن فرآیند پلیمریزه و سرد کردن پلیمرهای مذاب، ممکن است به ایجاد یک سازمان نامرتب منجر شود. چیدمان نامرتب از مولکول‌ها، ترتیب یا شکلی پردامنه -که لازمه‌ی تشکیل زنجیره‌ای پلیمری است-، ندارد. این نوع از پلیمرها معمولاً شفاف هستند که مشخصه‌ی بارز طیف وسیعی از محصولات مانند ظروف غذا، پنجره‌های پلاستیکی، چراغ‌های اتومبیل و لنزهای طبی است؛ با این وجود، تمام پلیمرها شفاف نیستند؛

زنجیره‌های پلیمری در محصولات کدر و غیرشفاف می‌توانند ساختاری کریستالی داشته‌باشند (در تعریف، چیدمان کریستالی به چیدمانی گفته می‌شود که اتم‌ها و یون‌ها (یا در بحث پلیمرها، مولکول‌ها) الگویی مشخص تشکیل می‌دهند).

با بیان عبارت “ساختمان کریستالی”، ممکن است در ذهن شما نمک یا سنگ‌های قیمتی تداعی شوند، اما این ساختار در پلیمرها نیز پدید می‌آید. همان‌گونه که سرد کردن پلیمر مذاب می‌تواند چیدمانی نامرتب پدید آورد، فرآیندی خاص نیز می‌تواند درجه‌ی کریستالی بودن پلیمرهایی که از قابلیت کریستالی بودن برخوردارند را تعیین کند. برخی پلیمرها به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که هرگز قادر به کریستالیزه شدن نیستند؛ هرچند که برخی دیگر از پلیمرها از این قابلیت برخوردارند. هرچه درجه‌ی کریستالی بودن بیشتر باشد، نور کمتری می‌تواند از پلیمر عبور کند و در نتیجه، میزان غیرشفاف و کدر بودن پلیمر مستقیماً با چگونگی چیدمان کریستالی آن ارتباط دارد. چیدمان کریستالی مزایایی از جمله استحکام، خشکی، مقاومت شیمیایی و پایداری را به همراه خواهد داشت.

دانشمندان و مهندسین همواره درصددند تا با اصلاح ساختار مولکولی پلیمرها، محصولات کارآمد و جدیدی تولید کنند. تولیدکنندگان و پردازندگان با اضافه کردن انواع پرکننده، تقویت‌کننده‎ و افزودنی‌های جدید به پلیمرهای پایه، قابلیت‌های آن‌ها را دوچندان کرده‌اند.

بخش چهارم: ویژگی‌های پلیمرها
بیشتر پلیمرهای تولیدی از نوع ترموپلاستیک اند؛ یعنی می‌توان پلیمر را پس از شکل‌گیری، بارها و بارها ذوب کرد و شکل آن را تغییر داد. این خاصیت، فرآوری و بازیابی پلیمر را تسهیل می‌کند. گروه دیگر از پلیمرها -ترموست‌ها- قابلیت ذوب مجدد ندارند و گرمایش مجدد این پلیمرها، نهایتاً فقط منجر به کاهش کیفیت آن می‌شود.

هر پلیمر هم خصوصیات منحصر به‌فرد و هم خصوصیات مشترکی با سایر پلیمرها دارد. برخی از این خصوصیات مشترک عبارتند از:
مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی؛ بطری‌های پلاستیکی مواد شوینده‌‌ای که در خانه دارید را به یاد آورید. با خواندن برچسب هشداردهنده‌ی روی بسته‌بندی این بطری‌ها، به ضرورت مقاوم بودن بسته‌بندی‌های پلاستیکی پی می‌بریم. در عین حال که حلال‌ها برخی پلاستیک‌ها را حل می‌کنند، سایر پلاستیک‌ها برای تهیه‌ی بسته‌بندی‌هایی امن و غیرقابل تجزیه در مقابل حلال‌های قدرتمند مناسب‌اند.

• عایق الکتریکی و حرارتی؛ کلیه‌ی لوازم خانگی، اتصالات، پریزهای برق و سیم‌کشی‌های خانه یا از جنس مواد پلیمری اند و یا با آن‌ها عایق‌بندی شده‌اند. جلوه‌ای از مقاومت حرارتی پلیمرها نیز در دسته‌های پلیمری کتری و ظروف طبخ غذا قابل مشاهده است.
• سبک و دارای استحکام بالا؛ بسیاری از کالاهایی از پلیمرها ساخته‌شده‌اند؛ مثل اسباب‌بازی، چارچوب ایستگاه‌های فضایی، فیبرهای نایلونی ظریف برخی جوراب‌ها و الیاف کولار استفاده‌شده در جلیقه‌های ضدگلوله.
• وزن کم؛ برخی پلیمرها روی آب شناور می‌شوند و برخی دیگر در آن فرو می‌روند؛ اما در مقایسه با چگالی سنگ، بتون، استیل، مس یا آلومینیوم، کلیه‌ی پلاستیک‌ها “سبک‌وزن” محسوب می‌شوند.
• امکان فرآوری به طرق مختلف؛ “اکسترودرها” می‌توانند فیبرهای نازک، لوله‌های سنگین، فیلم یا بطری‌های غذایی را تولید کنند. “دستگاه‌های تزریق” می‌توانند اجزای درهم‌تنیده و یا پنل‌های بزرگ بدنه‌ی خودروها را تولید نمایند. “پلاستیک‌ها” می‌توانند به دوک‌های پلاستیکی و یا چسب‌ و رنگ -پس از ترکیب با حلال‌ها- تبدیل شوند. “اِلَستومر” و برخی دیگر از پلاستیک‌ها بسیار انعطاف‌پذیرند و ظرفیت کششی بالایی دارند. برخی پلاستیک‌ها مانند بطری‌های نوشیدنی، در حین فرآوری و به منظور حفظ شکل، تحت کشش قرار می‌گیرند. برخی دیگر از پلاستیک‌ها مانند پلی‌استر، پلی‌اورتان و پلی‌اتیلن می‌توانند به فرم اسفنجی تبدیل شوند.
• داشتن طیف نامحدود رنگ و مشخصه‌‌های متنوع؛ به کمک این خصوصیات، می‌توان کارآیی و تنوع پلیمرها را با استفاده از افزودنی‌های مختلف بهبود بخشید. از نظر ظاهری، پلیمرها می‌توانند مشابه فیبرهای پنبه، ابریشم، پشم، چینی، مرمر، آلومینیوم و روی ظاهر شوند.
• پلیمرها معمولاً از نفت خام به دست می‌آیند. بسیاری از پلیمرها از واحد‌های مکرر مشتق شده از گاز طبیعی، زغال سنگ و نفت خام حاصل می‌شوند؛ اما گاهی می‌توان این واحدها را از مواد قابل بازیابی مانند “اسید پلی‌لاکتیک ذرت” و یا “سلولزیک‌های پنبه‌دانه” به دست آورد. برخی پلاستیک‌ها همواره از مواد قابل بازیابی مانند “استات سلولز” -که در ساخت دسته‌ی پیچ‌گوشتی‌ و یا روبان‌های هدیه استفاده می‌گردد- ساخته می‌شوند.
• برای ساخت اقلامی که مشابه ساخته شده‌ای با مواد دیگر از آن‌ها وجود ندارد، می‌توان از پلیمرها استفاده کرد.
• پلیمرها را می‌توان به شکل فیلم‌های شفاف و مقاوم در برابر آب تولید کرد. از PVC در ساخت تیوب‌های پزشکی و کیسه‌های خون -که باعث افزایش مدت نگهداری خون و فرآورده‌های خونی می‌شوند- استفاده می‌شود.PVC  با ایمنی کامل، اکسیژن قابل اشتعال را در تیوب‌های قابل انعطاف مقاوم در برابر آتش به حرکت در می‌آورد. هم‌چنین، مواد ترومبوژنیک مانند هپارین، در کاتترهای انعطاف‌پذیر PVC (تیوب‌های نازک با کاربرد‌های متنوع پزشکی) در عمل‌های قلب باز، دیالیز، و نمونه‌گیری خون، مورد استفاده قرار می‌گیرند. بسیاری از تجهیزات پزشکی برای داشتن بهترین عملکرد وابسته به پلیمرها هستند.