تهیه کننده: حسین صمدی جهاد دانشگاهی مشهد تیر87
پلییمرها:
موادی که تاکنون شناختیم موادی بودند که دارای مولکولهای نسبتاً کوچکی هستند اما نوع دیگری از مواد هستند که از مولکولهای بسیار بزرگی تشکیل شده اند. این مولکولهای بسیار بزرگ پلیمرها هستند. واژه پلیمر ازکلمات یونانی پلی(Poly) به معنی بسیار و مر(Meros) به معنی قسمت ، قطعه یا پاره گرفته شده است . به همین دلیل در واژه نامه ی فارسی در بسیاری مواقع بسپار نامیده می¬ گردد. مولکولهای پلیمر تعداد زیادی اتم دارند که با پیوندهای کوالانسی به یکدیگر متصل شده اند. وزن مولکولی پلیمرها بسیار زیاد و از چند هزار تا چند میلیون تغییر می¬ کند.
بشر با تلاش برای دستیابی به مواد جدید با استفاده ازمواد آلی موجود درطبیعت به تولید مواد مصنوعی نایل شد. این مواد عمدتاً شامل عناصر کربن ، هیدوژن، اکسیژن، نیتروژن و گوگرد بوده که مواد پلیمری هستند. پلیمرها خواص فیزیکی و مکانیکی نسبتاً خوب و مفیدی دارند. آنها دارای وزن مخصوص پایین و پایداری خوب درمقابل مواد شیمیایی هستند. بعضی از آنها شفاف بوده و
می ¬توانند جایگزین شیشه ها شوند.اغلب پلیمرها عایق الکتریکی هستند. اما پلیمرهای خاص نیز وجود دارند که تا حدودی قابلیت هدایت الکتریکی دارند. عایق بودن پلیمرها به پیوند کوالانسی موجود بین اتمها در زنجیرهای مولکولی ارتباط دارد.
یک پلیمر از بهم پیوستن مولکولهای کوچکی موسوم به مونومر ساخته شده است . بهم پیوستن مولکولهای کوچک مونومر و تشکیل مولکولهای بزرگ پلیمر را پلیمر شدن می¬ نامند.
ساختمان پلیمرها
در صورتیکه واحدهای تکرار شونده یک زنجیره پلیمری فقط پشت سر هم قرار گیرند یک پلیمرخطی به دست می آید. در صورتیکه در زنجیره پلیمری انشعاباتی وجود داشته باشد، محصول نهائی پلیمر شاخه ای خواهد بود. همچنین اگر بین زنجیره های پلیمری اتصالات عرضی بوجود بیاید محصول نهائی پلیمر شبکه ای خواهد بود. اگر چه پلیمرهای خطی را می توان به شکل مولکولهای جدا و یا گره خورده در هم فرض کرد که اندازه آنها برحسب وزن مولکولی به دست
می آید، لیکن در یک پلیمر شبکه ای اصطلاح وزن مولوکولی بی معنی است، زیرا چنین ماده ای را به شکل مولکولهای فرضی مشخص نمی توان در نظر گرفت ، بلکه به صورت تئوری می توان آن را بصورت یک تور ماهی گیری سه بعدی بسیار برزگ و به شکل یک مولکول شبکه¬ ای حجیم با
اندازه¬ ای نامعلوم فرض نمود.
در شرایطی خاص ، برخی زنجیره های پلیمری با بدنه خود واکنش داده که این امر منجر به تولید پلیمرهای حلقوی می گردد. نسبت جرم مولکولی پلیمر به جرم مولکولی واحد تکراری به عنوان "درجه پلیمریزاسیون" تعریف شده است . با بزرگتر شدن زنجیره مولکولی مقاومت حرارتی و استحکام کششی مواد پلیمری هر دو افزایش می یابند.
الف)خطی ب) شاخه ای ج) شبکه ای
مثال 1: اگر جرم مولکولی یک نوع از پلی اتیلن برابر 150000(گرم بر مول) باشد ، درجه پلیمریزاسیون آن را محاسبه کنید.
با توجه به اینکه وزن مولکولی واحد تکراری این پلیمر برابر است با :
g/mol28= g1*4 اتم H +g12*2 اتمC
g/mol) )28/150000= درجه پلیمریزاسیون
و$$$$$$$$$$$$$$$$$$ کتاب T
الف)خطی ب) شاخه ای ج) شبکه ای -کتاب R
منشأ تولید پلیمرها
پلیمرها را به دو شکل م ی توان ساخت . این مواد یا دارای منشأ طبیعی هستند یا بصورت مصنوعی ساخته می شوند.
پلیمرهای طبیعی : بسیاری از پلیمرها در طبیعت یافت می شوند. پروتئینهای موجود در پوست،مو، و بافتهای گوناگون بدن از مولکولهای بسیار بزرگ با جرم مولکولی زیاد تشکلیل شده اند.
پلیمرهای ساختگی به پلیمرهای افزایشی و پلیمرهای تراکمی طبقه بندی شده اند.
پلی اتیلن : پلی اتیلن ساده ترین پلیمر افزایشی است که از پلیمرشدن اتیلن به دست می آید.
پلی اتیلن خواص سودمندی دارد. عایق خوب الکتریسیته است. می توان آن را به ورقه های بسیار نازک با استحکام قابل ملاحظه تبدیل کرد. از آن در ساخت کیسه های پلاستیکی، سطل ، لوله ،... استفاده می¬شود. بعضی از ظرفهای آزمایشگاهی مانند بطری آبفشان و استوانه مدرج را نیز از پلی اتیلن می سازد. زیرا شکننده نیست و مواد شیمیایی بر آن تأثیر نمی گذارد.
پلی کلرید وینیل: هیدروژنهای مولکول اتیلن را می توان با یک اتم یا مجموعه ای از اتمهای دیگر جانشین کرد. این ترکیبها نیز مانند اتیلن دارای پیوند دوگانه اند و می توان آنها را به پلیمر تبدیل کرد . اگر یکی از هیدروژنهای مولکول اتیلن با یک اتم کلر جانشین شود، کلرید وینیل ، CH2=CHCLبه دست می آید که از پلیمرشدن افزایشی آن کلرید وینیل(پی وی سیPVC) تشکیل می شود.
.
در ساختار این پلیمرگروههای-CHCL و-CH2- به طور یک در میان در طول زنجیر تکرار می شوند. این ساختار مخصوص پلیمرهایی است که از پلیمرشدن افزایشی مونومرهای نامتقارن مانند کلریدوینیل به دست می آید. پلی کلرید وینیل از نظر میزان تولید بعد از پلی اتیلن قرار دارد. وجود اتمهای کلر در این پلیمر موجب می شود که اشتعال پذیری آن کمتر از پلی اتیلن باشد. با وجود این، از سوختن پلی کلریدوینیل گاز هیدروژن تولید می شود که سمی و خطرناک است. از پی وی سی در تهیه لوله¬های انتقال آب، فاضلاب، لوله انتقال گاز، روکش صندلی و غیره استفاده می¬شود.
تفلون: اگر در مولکولهای اتیلن هر چهار اتم هیدروژن را با چهار اتم فلوئور جانشین کنند، تترافلوئورواتیلن به دست می¬آید. از پلیمر کردن افزایشی این ترکیب، پلی تترافلوئورواتیلن، موسوم به تفلون تشکیل می¬شود.
تفلون نمی¬سوزد و تحت تأثیر هیچ حلالی قرار نمی¬گیرد. در دماهای پایین تا C250- یا در دماهای بالا تا C250+ از بین نمی¬رود. تفلون بسیار لغزنده است. از این رو بعضی از ظرفهای آشپزخانه مانند ماهیتابه، دیگ را با ورقه های نازکی از تفلون می پوشانند تا مانع چسبیدن مواد غذایی به ته ظرف شود.
پلیمرهای تراکمی : در پلیمرشدن تراکمی از واکنش مولکولهای مونومربا یکدیگر ، مولکولهای کوچکی مانند H2O خارج می شود. پلیمرهای تراکمی نیز مانند پلیمرهای افزایشی انواع گوناگون دارند. در مورد این پلیمرها باید به دونکته مهم زیر توجه داشت:
1- پلیمرهای تراکمی را به طور معمول از دو مونومر متفاوت تهیه می کنند.
2- هر مونومر در مولکول خود باید دست کم دو عامل شیمیایی فعال داشته باشد.
پلیمریزاسیون تراکمی
اگر در یک پلیمریزاسیون ، بر اثر واکنش مونومرها با هم ، مولکولهای کوچکی مثل H2O و NH3 و ... خارج شوند، این نوع پلیمریزاسیون را تراکمی مینامند. مثل پلمیریزاسیون گلوکز در تولید نشاسته و سلولز که منجر به خارج شدن آب میگردد و یا مثل بوجود آمدن نایلون که مانند مواد پروتئینی یک پلی آمید است و پلیمر شدن یک آمین دو ظرفیتی به نام هگزا متیلن دی آمین به فرمول NH2 ─ (CH2)6 ─ NH2 با یک اسید دو ظرفیتی به نام اسید آدیپیک HOOC ─ (CH2)4 ─ COOH بوجود میآید. در این عمل ، عامل OH_ اسید از دو طرف با هیدروژن گروه آمین NH2_ تشکیل آب داده و خارج میشوند و باقیماندههای مولکولهای آنها با هم ، زنجیر پلیمر را بوجود میآورند. به شکل زیر:
... + NH2 ─ (CH2)4 ─ NH2 ─ HOOC ─ (CH2 ─ COOH + ...
پلییمرها:
موادی که تاکنون شناختیم موادی بودند که دارای مولکولهای نسبتاً کوچکی هستند اما نوع دیگری از مواد هستند که از مولکولهای بسیار بزرگی تشکیل شده اند. این مولکولهای بسیار بزرگ پلیمرها هستند. واژه پلیمر ازکلمات یونانی پلی(Poly) به معنی بسیار و مر(Meros) به معنی قسمت ، قطعه یا پاره گرفته شده است . به همین دلیل در واژه نامه ی فارسی در بسیاری مواقع بسپار نامیده می¬ گردد. مولکولهای پلیمر تعداد زیادی اتم دارند که با پیوندهای کوالانسی به یکدیگر متصل شده اند. وزن مولکولی پلیمرها بسیار زیاد و از چند هزار تا چند میلیون تغییر می¬ کند.
بشر با تلاش برای دستیابی به مواد جدید با استفاده ازمواد آلی موجود درطبیعت به تولید مواد مصنوعی نایل شد. این مواد عمدتاً شامل عناصر کربن ، هیدوژن، اکسیژن، نیتروژن و گوگرد بوده که مواد پلیمری هستند. پلیمرها خواص فیزیکی و مکانیکی نسبتاً خوب و مفیدی دارند. آنها دارای وزن مخصوص پایین و پایداری خوب درمقابل مواد شیمیایی هستند. بعضی از آنها شفاف بوده و
می ¬توانند جایگزین شیشه ها شوند.اغلب پلیمرها عایق الکتریکی هستند. اما پلیمرهای خاص نیز وجود دارند که تا حدودی قابلیت هدایت الکتریکی دارند. عایق بودن پلیمرها به پیوند کوالانسی موجود بین اتمها در زنجیرهای مولکولی ارتباط دارد.
یک پلیمر از بهم پیوستن مولکولهای کوچکی موسوم به مونومر ساخته شده است . بهم پیوستن مولکولهای کوچک مونومر و تشکیل مولکولهای بزرگ پلیمر را پلیمر شدن می¬ نامند.
ساختمان پلیمرها
در صورتیکه واحدهای تکرار شونده یک زنجیره پلیمری فقط پشت سر هم قرار گیرند یک پلیمرخطی به دست می آید. در صورتیکه در زنجیره پلیمری انشعاباتی وجود داشته باشد، محصول نهائی پلیمر شاخه ای خواهد بود. همچنین اگر بین زنجیره های پلیمری اتصالات عرضی بوجود بیاید محصول نهائی پلیمر شبکه ای خواهد بود. اگر چه پلیمرهای خطی را می توان به شکل مولکولهای جدا و یا گره خورده در هم فرض کرد که اندازه آنها برحسب وزن مولکولی به دست
می آید، لیکن در یک پلیمر شبکه ای اصطلاح وزن مولوکولی بی معنی است، زیرا چنین ماده ای را به شکل مولکولهای فرضی مشخص نمی توان در نظر گرفت ، بلکه به صورت تئوری می توان آن را بصورت یک تور ماهی گیری سه بعدی بسیار برزگ و به شکل یک مولکول شبکه¬ ای حجیم با
اندازه¬ ای نامعلوم فرض نمود.
در شرایطی خاص ، برخی زنجیره های پلیمری با بدنه خود واکنش داده که این امر منجر به تولید پلیمرهای حلقوی می گردد. نسبت جرم مولکولی پلیمر به جرم مولکولی واحد تکراری به عنوان "درجه پلیمریزاسیون" تعریف شده است . با بزرگتر شدن زنجیره مولکولی مقاومت حرارتی و استحکام کششی مواد پلیمری هر دو افزایش می یابند.
الف)خطی ب) شاخه ای ج) شبکه ای
مثال 1: اگر جرم مولکولی یک نوع از پلی اتیلن برابر 150000(گرم بر مول) باشد ، درجه پلیمریزاسیون آن را محاسبه کنید.
با توجه به اینکه وزن مولکولی واحد تکراری این پلیمر برابر است با :
g/mol28= g1*4 اتم H +g12*2 اتمC
g/mol) )28/150000= درجه پلیمریزاسیون
و$$$$$$$$$$$$$$$$$$ کتاب T
الف)خطی ب) شاخه ای ج) شبکه ای -کتاب R
منشأ تولید پلیمرها
پلیمرها را به دو شکل م ی توان ساخت . این مواد یا دارای منشأ طبیعی هستند یا بصورت مصنوعی ساخته می شوند.
پلیمرهای طبیعی : بسیاری از پلیمرها در طبیعت یافت می شوند. پروتئینهای موجود در پوست،مو، و بافتهای گوناگون بدن از مولکولهای بسیار بزرگ با جرم مولکولی زیاد تشکلیل شده اند.
پلیمرهای ساختگی به پلیمرهای افزایشی و پلیمرهای تراکمی طبقه بندی شده اند.
پلی اتیلن : پلی اتیلن ساده ترین پلیمر افزایشی است که از پلیمرشدن اتیلن به دست می آید.
پلی اتیلن خواص سودمندی دارد. عایق خوب الکتریسیته است. می توان آن را به ورقه های بسیار نازک با استحکام قابل ملاحظه تبدیل کرد. از آن در ساخت کیسه های پلاستیکی، سطل ، لوله ،... استفاده می¬شود. بعضی از ظرفهای آزمایشگاهی مانند بطری آبفشان و استوانه مدرج را نیز از پلی اتیلن می سازد. زیرا شکننده نیست و مواد شیمیایی بر آن تأثیر نمی گذارد.
پلی کلرید وینیل: هیدروژنهای مولکول اتیلن را می توان با یک اتم یا مجموعه ای از اتمهای دیگر جانشین کرد. این ترکیبها نیز مانند اتیلن دارای پیوند دوگانه اند و می توان آنها را به پلیمر تبدیل کرد . اگر یکی از هیدروژنهای مولکول اتیلن با یک اتم کلر جانشین شود، کلرید وینیل ، CH2=CHCLبه دست می آید که از پلیمرشدن افزایشی آن کلرید وینیل(پی وی سیPVC) تشکیل می شود.
.
در ساختار این پلیمرگروههای-CHCL و-CH2- به طور یک در میان در طول زنجیر تکرار می شوند. این ساختار مخصوص پلیمرهایی است که از پلیمرشدن افزایشی مونومرهای نامتقارن مانند کلریدوینیل به دست می آید. پلی کلرید وینیل از نظر میزان تولید بعد از پلی اتیلن قرار دارد. وجود اتمهای کلر در این پلیمر موجب می شود که اشتعال پذیری آن کمتر از پلی اتیلن باشد. با وجود این، از سوختن پلی کلریدوینیل گاز هیدروژن تولید می شود که سمی و خطرناک است. از پی وی سی در تهیه لوله¬های انتقال آب، فاضلاب، لوله انتقال گاز، روکش صندلی و غیره استفاده می¬شود.
تفلون: اگر در مولکولهای اتیلن هر چهار اتم هیدروژن را با چهار اتم فلوئور جانشین کنند، تترافلوئورواتیلن به دست می¬آید. از پلیمر کردن افزایشی این ترکیب، پلی تترافلوئورواتیلن، موسوم به تفلون تشکیل می¬شود.
تفلون نمی¬سوزد و تحت تأثیر هیچ حلالی قرار نمی¬گیرد. در دماهای پایین تا C250- یا در دماهای بالا تا C250+ از بین نمی¬رود. تفلون بسیار لغزنده است. از این رو بعضی از ظرفهای آشپزخانه مانند ماهیتابه، دیگ را با ورقه های نازکی از تفلون می پوشانند تا مانع چسبیدن مواد غذایی به ته ظرف شود.
پلیمرهای تراکمی : در پلیمرشدن تراکمی از واکنش مولکولهای مونومربا یکدیگر ، مولکولهای کوچکی مانند H2O خارج می شود. پلیمرهای تراکمی نیز مانند پلیمرهای افزایشی انواع گوناگون دارند. در مورد این پلیمرها باید به دونکته مهم زیر توجه داشت:
1- پلیمرهای تراکمی را به طور معمول از دو مونومر متفاوت تهیه می کنند.
2- هر مونومر در مولکول خود باید دست کم دو عامل شیمیایی فعال داشته باشد.
پلیمریزاسیون تراکمی
اگر در یک پلیمریزاسیون ، بر اثر واکنش مونومرها با هم ، مولکولهای کوچکی مثل H2O و NH3 و ... خارج شوند، این نوع پلیمریزاسیون را تراکمی مینامند. مثل پلمیریزاسیون گلوکز در تولید نشاسته و سلولز که منجر به خارج شدن آب میگردد و یا مثل بوجود آمدن نایلون که مانند مواد پروتئینی یک پلی آمید است و پلیمر شدن یک آمین دو ظرفیتی به نام هگزا متیلن دی آمین به فرمول NH2 ─ (CH2)6 ─ NH2 با یک اسید دو ظرفیتی به نام اسید آدیپیک HOOC ─ (CH2)4 ─ COOH بوجود میآید. در این عمل ، عامل OH_ اسید از دو طرف با هیدروژن گروه آمین NH2_ تشکیل آب داده و خارج میشوند و باقیماندههای مولکولهای آنها با هم ، زنجیر پلیمر را بوجود میآورند. به شکل زیر:
... + NH2 ─ (CH2)4 ─ NH2 ─ HOOC ─ (CH2 ─ COOH + ...