ساختار پلیمر

ساختار پلیمر

ساختار پلیمر

آشنایی با ساختار پلیمر

آشنایی با پلیمرها

امروزه در اغلب صنایع مرتبط با مواد لاستیک ، پلاستیک ، پوشش­ها ، رنگ­ها ، مواد کامپوزیت ، الیاف مصنوعی و … مواد پلیمر اغلب به عنوان ماده اولیه آن صنایع مورد کاربرد قرار میگیرند .یکی از دلایل استفاده و کاربرد این دسته از مواد به علت خواص چشمگیر آنها نسبت به مواد سنتی و معدنی است .

ساختار پلیمر

پلیمرها ملکول هایی هستند که از ساختار متفاوتی نسبت به ساختار دیگر مولکول ها برخوردار هستند ، بدین صورت که تفاوت پلیمرها با دیگر مولکول ها به این دلیل است که مواد پلیمری از شاخه های متشکل از 1000 تا 10000 واحد تکراری  یا مولکول های بر پایه مواد آلی که با پیوند های کوالانسی به صورت زنجیروار به یکدیگر متصل شده اند ، تشکیل شده است . این زنجیرها با توجه به طول زنجیر و تعدا واحد تکرار شونده به صورت الیگومر (oligomer)  نیز نامگدازی میشوند .

الیگومرها (oligomer) همان زنجیر های پلیمری هستند که به اندازه کافی رشد نکرده اند وطول آنها نسبت به زنجیر های پلیمری کمتر است . الیگومرها با توجه به طول زنجیرهای آنها به صورت مایع سیلان میکنند که با افزایش طول زنجیر به سمت سیال هایی با ویسکوزیته بالا گرایش پیدا میکنند و در نهایت با تبدیل شدن به پلیمر و دریافت جرم مولکولی بالا به ماده ای جامد تبدیل میشوند .

 

 

 

مولکول های پلیمری به طور کلی به صورت خطی ، شاخه­­ای وشبکه­ای میتوانند وجود داشته باشندشکل فضایی (conformation) مولکول پلیمری به صورت مارپیچ و کلاف گونه(random coil) می­باشد . استحکام مواد پلیمری با درهم­تنیدگی این زنجیر ها و گره خوردن زنجیر­ها با یکدیگر رابطه مستقیم دارد .این گره خوردگی ها با افزایش وزن زنجیر که منجر به افزایش طول زنجیر میگردد ، افزایش می­یابد و باعث استحکام هرچه بیشتر مواد پلیمری میگردد .خواص فیزیکی و مکانیکی ماده از نوع خطی ، شاخه­ای یا شبکه­ای بودن تاثییر میگیرد .

 

 

شبکه های پلیمری از اتصالات طولی (covalent bond) و اتصالات عرضی (crosslink) به وجود می­آیند .اتصالات عرضی مخصوصا در رزین های ترموست  (thermoset)و همچنین رابرها(rubber) به شدت بر خواص مکانیکی پلیمرها تاثیر گذار است .

 

سنتز و رشد پلیمر

روش های سنتز و رشد زنجیرها وابسته به ساختار مونومر اولیه است و روش های افزایشی و تراکمی از روش های متداول سنتز هستند .در روش های سنتز اگر مونومر ما (monomer) دارای باند های چندگانه (C = C) مانند باشد با باز شدن این پیوند ها مونومرها به یکدیگر متصل شده و زنجیره را تشکیل میدهند که پلی­اتیلن (PolyEthylene)  و پلی­پروپیلن  (PolyPropylene) نمونه هایی از روش سنتز افزایشی (زنجیری) هستند.

گونه دیگر مواردی هستند که مونومرما دارای گروه های دارای باند های دو یا چندگانه نیستند و در ساختار خود گروه های عاملی  (OH , NH2 , …)را داراهستند . در اثر واکنش ، این گروه­ها فراهم کننده اتصال مولکول ها به­ یکدیگر و تشکیل زنجیر هستند . پلی­ آمیدها  (Poly Amide) نمونه هایی هستند که از این روش سنتز میگردند .

پلی الفین

الفین(olefin)  نام قدیمی آلکن است . آلکنها گروهی از مواد آلی کوچک مولکول هستند که پیوند دوگانه (double bond) کربن-کربن در ساختار خود دارند که به دلیل دارا بودن باند دوگانه (C=C)  به روش افزایشی تشکیل زنجیر پلیمری می­دهند ، به این دسته زنجیر ها پلی الفین گفته میشود .پروپیلن و اتیلن از دسته الفین ها هستند که با سنتز به پلی­پروپیلن و پلی­اتیلن تبدیل شده و از دستهپلی­الفین ها شناخته میشود.از به هم پیوستن و تشکیل زنجیر دو نوع مونومر متفاوت کوپلیمرها تشکیل میشوند.

 

 

بلورینگی

زنجیرهای پلیمری شاخه­ دار متناسب با نحوه قرار گیری  شکل و حجم شاخه و زنجیر میتوانند دارای ساختار منظم ویا نامنظم باشند .

 

 

اگر در پیکربندی و ساختار میکروسکوپی مولکول پلیمر ، گروه های جانبی بزرگ نداشته باشیم به عبارتی مولکول های پلیمر منظم باشند ، در مرحله سرد شدن مذاب ، مولکول های پلیمر درکنار یکدیگر قرار گرفته و با تاخوردن زنجیر ها به روی خودشان نظم نسبی می­یابند و تشکیل بلور(کریستال) میدهند. برای تشکیل بلور شرط لازم نظم ساختمانی است و شرایط محیطی ، شرط کافی آن است .انعطاف پذیری یک ماده در اثر ویژگی های فاز آمورف و سختی یک ماده وابسته به فاز بلور است .

تشکیل گویچه (spherulite) توسط فاز های آمورف و بلور به خاطر دستیابی به پایین ترین سطح انرژِی است . مربوط به مراحل هسته گذاری و رشد گویچه به هنگام سرد شدن تدریجی مذاب پلیمر و نمونه تصاویر گویجه پلی­پروپیلن را نشان میدهد.مبحث تشکیل بلور و نوع ریز ساختار (microstructure) در مبحث ریخت شناسی (morphology) بیان میگردد.پلیمر هایی که فاقد بلور و آرایش یافتگی (orientation) هستند ، پلیمرهای بیشکل (amorf) خوانده میشوند.

 

 

میزان بلورینگی

میزان بلورینگی یک پلیمر یکی از عوامل تعیین کننده خواص میباشد.به عنوان مثال ، میزان شفافیت که از جمله خواص فیزیکی پلیمر هاست تابع بلورینگی است .ازجمله پلیمرهایی که از شفافیت بالایی برخوردار هستند میتوان به پلی­استایرن و پلی­متاکریلات اشاره کرد. درموارد دیگر پلیمرها به میزان برخورداری از بلورینگی ، ظاهری کدرومات دارند . ولی درصورتی که اندازه بلور بسیار کوچک باشد در اینصورت ظاهری شفاف را خواهیم داشت مانند کیسه های پلی­اتیلن.

درپلیمرها شاخه­ای یکی از عوامل تشکیل نواحی بلورین ، شاخه های فرعی موجود بر روی زنجیر هستند . به همین خاطر در یک نوع پلیمر با خاصیت بلورینگی گونه های خطی بلوری تر از گونه های شاخه­ای همان پلیمربوده و خواص متفاوتی را نیز خواهد داشت .از آنجایی که بلورینگی و نظم یابی زنجیرها کنار یکدیگر وابسته به شروط دما و زمان است ، به هنگام شکل دهی پلیمرها و فرآورش باتغییر شرایط فرآورش میتوان این امکان را ایجاد کرد که میزان بلورینگی محصول نهایی را تغییر داد .

به عنوان نمونه با سرد کردن قطعه قالب گیری شده پلی­استایرن با سرعت زیاد تقریبا هیچگونه بلوری تشکیل نمیشود . هرچه سرعت سردکردن را بیشترکاهش دهیم احتمال تشکیل بلور را یبشتر کرده­ایم .نمونه دیگر درمورد لوله های پلی­اتیلن است که هرچه سرعت سرد کردن آهسته تر باشد ، درصد بلورینگی افزایش میابد و این بلورینگی عامل شکنندگی لوله میباشد .

جدول زیر ویژگی های ناحیه بلورین و ناحیه آمورف را به­ طور مختصر بیان میکند .