پلیمر چیست؟ مروری بر کاربردها و خواص شیمیایی

در قلمرو مواد مدرن، پلیمرها به عنوان یک کلاس ضروری از مواد ظاهر شده اند که تقریباً بر هر جنبه ای از زندگی ما تأثیر می گذارد. از بسته‌بندی‌هایی که از مواد غذایی ما محافظت می‌کند تا لباس‌هایی که می‌پوشیم و وسایل الکترونیکی که دنیای ما را نیرو می‌دهند، پلیمرها در همه جا وجود دارند. این مقاله به دنیای شگفت‌انگیز پلیمرها می‌پردازد و به بررسی تعریف، کاربردها و ویژگی‌های شیمیایی زیربنایی آن‌ها می‌پردازد که آنها را بسیار متنوع می‌کند.

تعریف پلیمرها:

پلیمر یک درشت مولکول است که از زیر واحدهای تکرار شونده به نام مونومر تشکیل شده است. این مونومرها از طریق پیوندهای شیمیایی به یکدیگر متصل می شوند و یک ساختار زنجیره مانند طولانی ایجاد می کنند. اصطلاح “پلیمر” از کلمات یونانی “poly” به معنای بسیاری و “mer” به معنای بخشی گرفته شده است که منعکس کننده ماهیت اساسی این ترکیبات است – تکرار یک واحد برای ایجاد یک کل بزرگتر– .

انواع پلیمرها:

پلیمرها را می توان به دو دسته اصلی طبقه بندی کرد: پلیمرهای طبیعی و پلیمرهای مصنوعی.

پلیمرهای طبیعی: پلیمرهایی هستند که در طبیعت وجود دارند و اغلب از منابع بیولوژیکی به دست می آیند. یکی از شناخته شده ترین پلیمرهای طبیعی سلولز است که در دیواره سلولی گیاهان یافت می شود و اساس موادی مانند کاغذ و منسوجات است. نمونه بارز دیگر DNA است که حامل اطلاعات ژنتیکی در موجودات زنده است.

1. سلولز
2. نشاسته
3. کیتین
4. DNA (اسید دئوکسی ریبونوکلئیک)
5. RNA (ریبونوکلئیک اسید)
6. پروتئین ها
7. کلاژن
8. کراتین
9. لاستیک (طبیعی)
10. ابریشم
11. پشم
12. پنبه
13. کیتوسان
14. آلژینات
15. لیگنین

پلیمرهای مصنوعی: پلیمرهایی هستند که توسط انسان از طریق فرآیندهای شیمیایی ایجاد می شوند. پلیمرهای مصنوعی را می توان بیشتر به دو گروه تقسیم کرد: پلیمرهای افزودنی و پلیمرهای تراکمی.

1. پلی اتیلن (PE)
2. پلی پروپیلن (PP)
3. پلی وینیل کلراید (PVC)
4. پلی اتیلن ترفتالات (PET)
5. پلی استایرن (PS)
6. پلی یورتان (PU)
7. نایلون (پلی آمید)
8. پلی استر
9. پلی کربنات (PC)
10. پلی اکریلونیتریل (PAN)
11. پلی وینیل استات (PVA)
12. پلی متیل متاکریلات (PMMA)
13. پلی بوتادین
14. پلی ایزوپرن
15. اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)

پلیمرهای افزودنی: در این نوع، مونومرهایی با پیوند دوگانه واکنش نشان می دهند و بدون حذف هیچ گونه محصول جانبی، یک زنجیره بلند تشکیل می دهند. پلی اتیلن که معمولا در کیسه ها و بطری های پلاستیکی استفاده می شود، نمونه بارز پلیمر افزودنی است.

1. اتیلن وینیل استات (EVA)
2. پلی وینیل الکل (PVOH)
3. پلی اتیلن گلیکول (PEG)
4. پلی پروپیلن اکسید (PPO)
5. پلی وینیل پیرولیدون (PVP)
6. پلی وینیل بوتیرال (PVB)
7. پلی اتیلن ایمین (PEI)
8. پلی فسفاژن
9. پلی (اتیلن کو-وینیل استات) (EVA)
10. پلی اکریلیک اسید (PAA)
11. پلی کاپرولاکتون (PCL)
12. پلی اتیلن اکسید (PEO)
13. پلی سیلوکسان ها (پلیمرهای سیلیکونی)
14. پلی (2-هیدروکسی اتیل متاکریلات) (PHEMA)
15. پلی (n-ایزوپروپیل آکریل آمید) (PNIPAM)

پلیمرهای تراکمی: این پلیمرها از طریق حذف مولکول های کوچک، اغلب آب، در طی فرآیند پلیمریزاسیون تشکیل می شوند. نایلون و پلی استر نمونه هایی از پلیمرهای متراکم هستند که به طور گسترده در منسوجات و پارچه ها استفاده می شود.

1. نایلون (پلی آمید)
2. پلی استر
3. پلی کربنات (PC)
4. پلی اورتان (PU)
5. پلی آمید
6. پلی استال (پلی اکسی متیلن، POM)
7. پلی بوتیلن ترفتالات (PBT)
8. پلی اتیلن ترفتالات (PET)
9. پلی آمیدها از اسیدهای دی کربوکسیلیک و دی آمین ها
10. پلی سولفیدها
11. پلی آمیدهای حاصل از اسیدهای آمینه
12. فوم پلی یورتان
13. رزین های آلکیدی
14. پلیمرهای سیلیکونی
15. رزین های ملامین فرمالدئید

خواص شیمیایی پلیمرها:

پلیمرها طیف متنوعی از خواص شیمیایی را نشان می دهند که به تطبیق پذیری و مناسب بودن آنها برای کاربردهای مختلف کمک می کند.

1. وزن مولکولی و طول زنجیره:

وزن مولکولی یک پلیمر با تعداد واحدهای مونومر تکرار شونده در زنجیره آن تعیین می شود. زنجیره های طولانی تر منجر به وزن مولکولی بالاتر می شود. این ویژگی بر خصوصیات فیزیکی پلیمر مانند ویسکوزیته، استحکام کششی و نقطه ذوب تأثیر می گذارد.

2. انعطاف پذیری و استحکام:

آرایش مونومرها در یک زنجیره پلیمری بر انعطاف پذیری آن تأثیر می گذارد. زنجیره های خطی اغلب منجر به پلیمرهای انعطاف پذیر می شوند، در حالی که ساختارهای متقاطع استحکام ایجاد می کنند. به عنوان مثال، خاصیت ارتجاعی لاستیک به دلیل زنجیره های پلیمری بلند و پیچیده آن است.

3. مقاومت حرارتی و شیمیایی:

پلیمرها می توانند از نظر مقاومت در برابر حرارت و مواد شیمیایی متفاوت باشند. برخی از پلیمرها مانند پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)، مقاومت استثنایی در برابر دماهای بالا و مواد شیمیایی خشن از خود نشان می‌دهند که آنها را برای ظروف نچسب و کاربردهای صنعتی مناسب می‌سازد.

4. رسانایی الکتریکی:

پلیمرها بر اساس ساختار مولکولی خود می توانند رسانا یا عایق باشند. پلیمرهای رسانا مانند پلی آنیلین در الکترونیک و حسگرها کاربرد دارند.

کاربردهای پلیمرها:

خواص متنوع پلیمرها باعث ایجاد طیف گسترده ای از کاربردها در صنایع مختلف می شود:

1. بسته بندی:

پلیمرهایی مانند پلی اتیلن، پلی پروپیلن و PET به دلیل وزن سبک، دوام و ویژگی های ممانعتی به طور گسترده برای بسته بندی استفاده می شوند. آنها غذا را تازه نگه می دارند، از محصولات در طول حمل و نقل محافظت می کنند و اثرات زیست محیطی را کاهش می دهند.

2. منسوجات و پوشاک:

پلیمرهای مصنوعی مانند پلی استر، نایلون و اسپندکس صنعت نساجی را متحول کردند. این مواد راحتی، دوام و مقاومت در برابر چروک را در لباس‌ها، لباس‌های ورزشی و سایر منسوجات ارائه می‌کنند.

3. پزشکی و بهداشت:

پلیمرهای زیست سازگار در دستگاه های پزشکی، سیستم های دارورسانی و مهندسی بافت کاربرد دارند. پلی اتیلن گلیکول (PEG) در فرمولاسیون دارویی استفاده می شود، در حالی که از پلیمرهای زیست تخریب پذیر برای بخیه ها و ایمپلنت ها استفاده می شود.

4. الکترونیک:

پلیمرها با خواص الکتریکی خاص در صنعت الکترونیک کاربرد دارند. پلیمرهای رسانا در نمایشگرهای انعطاف‌پذیر، سلول‌های خورشیدی و حسگرها استفاده می‌شوند که امکان پیشرفت فناوری پوشیدنی را فراهم می‌کنند.

5. خودرو و هوافضا:

پلیمرها به سبک‌سازی در بخش‌های خودرو و هوافضا، بهبود بهره‌وری سوخت و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کنند. از پلی کربنات و پلی یورتان در قطعات خودرو و قطعات هواپیما استفاده می شود.

6. ساخت و ساز:

پلیمرهایی مانند PVC که در لوله‌ها و کابل‌ها استفاده می‌شوند، و اکریلیک‌ها برای رنگ‌ها و پوشش‌ها، نقش حیاتی در صنعت ساختمان دارند. این مواد دوام و انعطاف پذیری طراحی را ارائه می دهند.

7. راه حل های زیست محیطی:

پلیمرهای زیست تخریب پذیر نگرانی های زیست محیطی مربوط به زباله های پلاستیکی را برطرف می کنند. پلی لاکتیک اسید (PLA) و پلی هیدروکسی آلکانوات ها (PHAs) به طور طبیعی تجزیه می شوند و آنها را برای کارد و چنگال و بسته بندی­های یکبار مصرف مناسب می کند.

نتیجه

پلیمرها بلوک های سازنده جامعه مدرن هستند که صنایع، محصولات و فناوری هایی را شکل می دهند که دوران ما را تعریف می کنند. تطبیق پذیری آنها، از سطح مولکولی گرفته تا کاربردهای ماکروسکوپی، پتانسیل عظیم آنها را به نمایش می گذارد. با درک خواص شیمیایی و کاربردهای پلیمرها، می­توان بینشی در مورد نقش محوری آنها در شکل دادن به دنیا و هدایت نوآوری در بخش های مختلف به دست می آورد. اکتشاف پلیمرهای جدید و شیوه های پایدار جهان را به سمت آینده ای کارآمدتر و آگاهانه از محیط زیست راهنمایی می کند.