تکنولوژی پلیمرها

مهندسی پلیمریزاسیون

اگر چه مبنای آگاهی از ساختار علم پلیمرها اطلاع از شیمی واکنش های پلیمری استع این آگاهی و دانش به آزمایشگاه منحصر است و در بسیاری از مواقع به دلیل پیچیدگی رفتار پلیمرها، این مواد تولیدی در آزمایشگاه، درمقیاس صنعتی قابل تولید نیستند.

خواص یک پلیمر به ترکیب شیمیایی کلی آن و نیز تزیع وزن مولکولی، توزیع ترکیب درصد کوپلیمر، توزیع شاخه و عوامل دیگر بستگی دارد.یک مونومر، بسته به مکانیسم پلیمریزاسیون و نوع راکتور، می تواند به پلیمرهای کاملاً متفاوتی تبدیل شود. برای تولید مواد پلیمری در مقیاس های مختلف صنعتی، علاوه بر اطلاع از شیمی پلیمرها، تسلط بر علوم مختلفی منجمله سینتیک واکنش های شیمیایی، ترمودینامیک، پدیده های انتقال و بالاخره طراحی راکتورهای شیمیایی ضروری است. به عنوان مثال، اگر چه استفاده از بسیاری از مونومرها برای ساخت پلیمرها، مانند دیگر مواد شیمیاییع دارای مشکلات طراحی تولید است، پلیمرهای تولیدی این مواد خواصی کاملاً متفاوت دارند. به عنوان مثال آکریلونیتریل همانند سیانیدهای غیر آلی سمی است. بسیاری از کاتالیزورهای زیگلر – ناتا1 که شامل تری اتیل آلومینیم اند، در مجاورت هوا بسیار آتشگیراند و آکریلات های سبک بوی تندی دارند که مشام را آزار می دهد.

در مقیاس هی مختلف صنعتی، یکی از مهمترین مباحث مدل سازی فرآیندهای پلیمریزاسیون است؛ وقتی که بتوان با معادلات ریاضی رفتار واکنش مورد نظر را پیش بینی کرد و برای کنترل واکنش های مذکور راه حل های ریاضی ارائه داد. مجموعه این موضوعات در قالب علم مهندسی واکنش های پلیمری2 و یا مهندسی پلیمریزاسیون بیان می شود (شکل 1-1).

با توجه به این نکته که نمی توان در این میان نقش شیمی پلیمرها را به عنوان پایه اساسی علم مهندسی پلیمریزاسیون نادیده گرفت، در ابتدا خلاصه ای از مبانی شیمی پلیمرها ارائه می شود.

در حقیقت هدف پلیمریزاسیون به دست آوردن یک پلیمر با توزیع وزن مولکولی مشخص و کنترل شده است. عواملی مانند عدم استوکیومتری، وجود محصولات جانبی و گرمای ایجاد شده از واکنش، دست یابی به وزن مولکولی های بالا را محدود می کنند. استفاده از راه های معمولی و عادی برای غلبه بر بر چنین محدودیت هایی به علت ویسکوزیته بالای سیستم های پلیمری سخت یا غیر ممکن است. به علاوه، مدیریت انتقال حرارت و جرم در سیستم های بسیار ویسکوز عاملی است که مهندسی واکنش های پلیمری را از مهندسی واکنش های کوچک مولکول ها بسیار متمایز می کند.

• بررسی شیمی پلیمرها

در حقیقت مرز دقیقی بین شیمی پلیمرها و سایر زمینه های علم شیمی وجود ندارد. به عنوان یک تقسیم بندی ابتدایی، باید گفت مولکول هایی با حداقل متوسط وزن مولکولی هزار در محدوده شیمی پلیمر قرار می گیرند. در این میان با بزرگ تر شدن زنجیره های پلیمری، ویسکوزیته مخلوط واکنش به شدت افزایش می یابد و مشکلاتی را در تولید ایجاد می کند. علاوه بر این، پلیمرها ویژگی های دیگری نیز دارند؛ به عنوان مثال، پلی وینیل کلریداید از مونومر وینیل کلراید ساخته شده است. واحدهای تکرار شده در پلیمر نشان دهنده مونومری است که پلیمر از آن ساخته می شود. البته استثناهایی نیز وجود دارند به عنوان مثال، به نظر می رسد که پلی وینیل الکل باید از پلیمریزاسیون واحدهای وینیل الکل (CH₂CHOH) ساخته شده باشد، ولی در واقع چنین مونومری وجود ندارد. واحدهای مولکولی این پلیمر به شکل (CH₃CHO) هستند. برای ساختن این پلیمر، ابتدا پلی وینیل اتانو آت از مونومر وینیل اتانوآت تهیه و برای به دست آوردن الکل پلیمری هیدرولیز می شود.

با توجه به پیچیدگی های خاص واکنش های پلیمریزاسیون و بالطبع زنجیره های پلیمری تولید شده، مطالعات مربوط به شیمی پلیمرها مبحثی کاملاً گسترده و نیازمند به مباحث طولانی است که خارج از حیطه مطالعاتی این کتاب است و برای یاد آوری فقط به برخی نکات اساسی آن اشاره می شود.

1-3-1 ساختمان پلیمرها

در صورتی که واحدهای تکرار شونده یک زنجیره پلیمری فقط پشت سر هم قرار گیرند یک پلیمر خطی3 به دست می آید. در صورتی که در زنجیره پلیمری انشعاباتی وجود داشته باشد، محصول نهایی پلیمر شاخه ای4 خواهد بود. همچنین اگر بین زنجیره های پلیمری اتصالات عرضی به وجود بیاید، محصول نهایی پلیمر شبکه ای5 خواهد بود.

اگر چه پلیمرهای خطی را می توان به شکل مولکول های جدا و یا گره خورده در هم فرض کرد که اندازه آن ها بر حسب وزن مولکولی به دست می آید، در یک پلیمر شبکه ای اصطلاح وزن مولکولی بی معنی است زیرا چنین ماده ای را به شکل مولکول های فرضی مشخص نمی توان در نظر گرفت و از نظر تئوری می توان آن را به صورت یک تور ماهی گیری سه بعدی بسیار بزرگ و به شکل یک مولکول شبکه ای حجیم با اندازه ای نامعلوم فرض کرد. در این میان باید گفت که وزن مولکولی نیز تابعی از درجه پلیمریزاسیون6 (تعداد واحدهای تکرار شده در مولکول) است.

پلیمرهای طبیعی

در تولید پلیمرهای طبیعی بشر نقشی ندارد و این مواد در طبیعت یا در بدن انسان وجود دارند. این خانواده پلیمرها به دو گروه تقسیم بندی می شوند:

• پلیمرهایی که موجودات زنده تولید می کنند؛
• پلیمرهایی که از طریق معدنی تولید می شوند.

پلیمرهای که موجودات زنده می سازند نیز به دو دسته مهم تقسیم می شوند:

• پلیمرهایی که گیاهان می سازند؛
• پلیمرهایی که در بدن انسان یا حیوانات وجود دارند یا ساخته می شوند.

بسیاری از موادی که در طبیعت وجود دارندزنجیره های پلیمری دارند. در این میان مواد دیگری نیز وجود دارند که از واحدهای تکرار شونده یکسان تشکیل نشده اندو یا واحدهای تکراری در آن ها از پلیمریزاسیون مونومرهای یکسان به دست نمی آیند (و در نتیجه طبق تعریف عمومی پلیمرها، که از تکرار مونومرهای مشابه به دست می آیند، در زمره پلیمرها قرار نمی گیرند) ولی به صورت ماکرومولکول اند و روش های مطالعه پلیمرها برای آن ها نیز قابل استفاده اند. به عنوان مثال می توان از شیشه ها و سیلیکون ها نام برد. این ترکیبات ساختار اصلی سیلیکون – اکسیژن دارند و عموماً از تعداد زیادی گروه های هیدروکربنی با فرمول تجربی R₂Sio ساخته شده اند.

پلیمرهای طبیعی صنعتی

در میان پلیمرهای طبیعی، موادی وجود دارند که به پلیمرهای طبیعی صنعتی معروف اند. لاستیک طبیعی، که از پلیمریزاسیون پلی ایزوپرن با مولکول های خطی با متوسط وزن مولکولی در حدود سیصد تا پانصد هزار به دست می آید، پر مصرفترین پلیمر طبیعی است که در صنایع لاستیک کاربرد زیادی دارد. این پلیمر از عصاره ای از درختان نواحی گرمسیری به ویژه درخت هوآی برزیلی به دست می آید و حاوی لاتکسی با فاز پلیمری با غلظت 35% وزنی و مقدار کمی پروتئین، استرول، چربی و نمک است. لاستیک نهاییی از انعقاد لاتکس مذکور با اسید اتانوئیک یا متانوئیک (یا با تبخیر در هوا و یا با شعله) به دست می آید. ماده حاصل از این فرآیند چسبناک و پنیر مانند است که «لاستیک خام» یا «کائوچو» نامیده می شود. برای بهبود خواص مکانیکی مانند الاستیسیته لاستیکی، باید لاستیک خام را فرآوری و با فرآیند ولکانیزاسیون یا پخت در آن اتصالات عرضی ایجاد کرد (این فرآیند در بخش های بعدی بررسیخواهد شد). لاستیک طبیعی که از پلیمریزاسیون پلی ایزوپرن به دست می آید به روش مصنوعی نیز قابل تهیه است و در صنایع بسیاری از روش مصنوعی (پلیمریزاسیون مونومرایزوپرن) استفاده می شود.

پلیمرهای بیولوژیکی

تعدادی از مواد بیولوژیکی مهم مانند پروتئین ها نیز از ماکرومولکول ها ساخته شده اند. در میان پلیمرهای بیولوژیکی، از مواد دیگری که در زمره خانواده ماکرومولکول ها قرار می گیرند، می توان به پلی 3- هیدروکسی بوتیرات ها (که پلی استرهایی باکتریایی هستند) نیز اشاره کرد. این پلیمرها از فرآورده های کشاورزی به دست می آیند و قابل تجزیه بیولوژیکی اند. پلی 3- هیدروکسی بوتیرات به صورت نسبی بلوری است و در درجه حرارتی حدود C ْْ80 ذوب می شود. این پلیمر قابل تجزیه در محیط است و می تواند به عنوان مواد بسته بندی کشاورزی و دارویی به کار رود. با تجزیه آنزیمی، از بلوری بودن این ترکیب کم می شود و در نتیجه وزن مولکولی آن به سرعت کاهش می یابد. سرعت تجزیه به عوامل متعددی منجمله مقدار رطوبت، منبع تغذیه، دما و PH بستگی دارد. این ترکیب به صورت خالص ایجاد نمی شود و مقادیری پلی 3- هیدروکسی و الرات نیز دارد. نسبت این دو پلیمر در یک نمونه با نسبت گلوکز و اسیدپروپیونیک در محیط کشت باکتری و انجام فرآیندهای متابولیکی آن تعیین می شود.

1 Zigler – Natta Catalysis
2 Polymer Reaction Engineering
3 Linear Polymer
4 Branched Polymer
5 Crosslinked Polymer
6 Degree of Polymerization