تصور کنید: بطریهای پلاستیکی که روزانه استفاده میکنید، لباسهایی که میپوشید، حتی غذایی که مصرف میکنید – همه اینها ارتباط نزدیکی با یک "غول" نامرئی به نام پلیمرها دارند. این ماکرومولکولها که با پیوند دادن مولکولهای کوچک بیشمار (مونومرها) تشکیل میشوند، اساس زندگی مدرن ما را تشکیل میدهند. این مقاله به وضوح چهار نوع مهم پلیمر را توضیح میدهد، کاربردهای گسترده آنها را در زندگی روزمره نشان میدهد و اصول شیمیایی پشت آنها را بررسی میکند.
شیمی، به ویژه شیمی پلیمر، از وجود روزمره ما جداییناپذیر است. از داروهایی که در هنگام بیماری مصرف میشوند تا مواد شویندهای که برای تمیز کردن استفاده میشوند و حتی لباسهای فیبر مصنوعی که میپوشیم – همه کاربردهای شیمی را نشان میدهند. حتی بدنهای ما به عنوان رآکتورهای شیمیایی وسیعی عمل میکنند، با مواد بیشماری که فرآیندهای متابولیکی را کنترل میکنند. بنابراین، داشتن دانش اولیه شیمی، به ویژه درک اصول اساسی شیمی پلیمر، به ما کمک میکند تا دنیای اطراف خود را بهتر درک کنیم.
اصطلاح "پلیمر" از زبان یونانی گرفته شده است و به معنای "بسیار (پلی) + بخشها (مر)" است که به درستی ویژگی آن را که از واحدهای تکراری متعددی به نام مونومر تشکیل شده است، توصیف میکند. ساختارهای پلیمری میتوانند خطی، شاخهای یا شبکههای سه بعدی پیچیده باشند. اکثر پلیمرهای صنعتی ترکیبات آلی هستند که حاوی پیوندهای کووالانسی کربن-کربن هستند. علاوه بر این، عناصری مانند اکسیژن، هیدروژن، کلر، فلوئور، فسفر و گوگرد اغلب در پلیمرها ظاهر میشوند و پیوندهای کووالانسی با کربن با قطبیتهای مختلف تشکیل میدهند.
به دلیل خواص ترکیبات کووالانسی، مولکولهای پلیمری نه تنها نیروهای پیوند کووالانسی اولیه را تجربه میکنند، بلکه نیروهای بین مولکولی ثانویه مانند برهمکنشهای دوقطبی-دوقطبی، نیروهای پراکندگی ناشی از توزیع ابر الکترونی (نیروهای واندروالس) و پیوندهای هیدروژنی بین اتمهای هیدروژن و اتمهای به شدت قطبی را نیز تجربه میکنند. این نیروهای بین مولکولی به طور بحرانی بر خواص فیزیکی پلیمرها مانند نقطه ذوب، استحکام و حلالیت تأثیر میگذارند.
تولید مواد پلیمری نیازمند واکنشهای پلیمریزاسیون است که واکنشهای مختلف سرعتهای متفاوتی را نشان میدهند. سرعت واکنش تحت تأثیر عوامل محیطی از جمله دما، فشار، حلال، آغازگرها و کاتالیزورها قرار دارد. این شرایط همچنین به طور قابل توجهی بر توزیع وزن مولکولی و ساختار فیزیکی محصول نهایی تأثیر میگذارد. تعداد اتمهای کربن در زنجیرههای پلیمری مستقیماً بر ساختار مولکولی و رفتار فیزیکی تأثیر میگذارد.
بر اساس منشأ و خواص، پلیمرها را میتوان به چهار نوع اصلی طبقهبندی کرد:
- بیوپلیمرها (پلیمرهای طبیعی)
- پلیمرهای مصنوعی
- پلیمرهای صنعتی-طبیعی
- بیوپلیمرها
اکنون هر نوع پلیمر و کاربردهای آن را با جزئیات بررسی خواهیم کرد.
بیوپلیمرها یا پلیمرهای طبیعی از گیاهان و مواد معدنی بدون دخالت انسان در تولید آنها به دست میآیند. پلیمرهای گیاهی شامل پلیساکاریدها و زیرمجموعههای آنها: سلولز، نشاسته و صمغها هستند که به طور گسترده در صنایع کاغذ، چوب، عینک و نساجی استفاده میشوند. پلیمرهای معدنی شامل الماس، گرافیت و بیشتر اکسیدهای فلزی هستند.
-
سلولز:سلولز که یکی از فراوانترین پلیمرهای طبیعی روی زمین است، جزء اصلی دیوارههای سلولی گیاهان را تشکیل میدهد. بلورینگی و استحکام بالای آن، ساختارهای سفت و سختی را برای گیاهان فراهم میکند. کاربردها عبارتند از:
- صنعت کاغذ:جزء اصلی کاغذ
- منسوجات:به الیافی مانند پنبه، کتان و ریون فرآوری میشود
- ساخت و ساز:برای افزایش استحکام به سیمان و گچ اضافه میشود
- صنایع غذایی:افزودنی فیبر که بافت را بهبود میبخشد
-
نشاسته:شکل اصلی ذخیره انرژی گیاهان که در دانهها و غدهها یافت میشود. کاربردها عبارتند از:
- تولید مواد غذایی:نان، رشته فرنگی و عامل غلیظ کننده
- اندازه کاغذ:استحکام کاغذ را افزایش میدهد
- اندازه منسوجات:دوام نخ را بهبود میبخشد
- داروسازی:کمککننده دارویی
-
صمغها:مخلوطهای پلیساکاریدی ترشح شده توسط گیاهان با خواص چسبندگی. انواع رایج عبارتند از:
- صمغ عربی:غلیظ کننده و تثبیت کننده مواد غذایی
- صمغ گوار:افزودنی بستنی و سس
- صمغ زانتان:تثبیت کننده سس سالاد
- الماس:آلوتروپ کربن با سختی شدید برای جواهرات و ابزارهای برش
- گرافیت:فرم کربن رسانا برای مداد و روانکنندهها
- اکسیدهای فلزی:ترکیبات مقاوم در برابر حرارت برای سرامیک و الکترونیک
پلیمرهای مصنوعی معمولاً از مونومرهای نفت خام و قطران زغال سنگ از طریق سنتز مصنوعی به دست میآیند. این مواد نقشهای ضروری در زندگی معاصر دارند.
- پلی اتیلن (PE):پلاستیک انعطافپذیر و مقاوم در برابر مواد شیمیایی برای بستهبندی و ظروف
- پلی پروپیلن (PP):پلاستیک با استحکام بالاتر برای قطعات خودرو و وسایل پزشکی
- پلی وینیل کلراید (PVC):ماده مقاوم در برابر شعله برای ساخت و ساز و لولههای پزشکی
- پلی استایرن (PS):پلاستیک شفاف برای بستهبندی و ظروف یکبار مصرف
- پلی اتیلن ترفتالات (PET):پلی استر قوی برای بطریهای نوشیدنی و منسوجات
این پلیمرها نتیجه اصلاح یا فرآوری پلیمرهای طبیعی هستند. لاستیک طبیعی که از ایزوپرن با وزن مولکولی حدود 300000-500000 پلیمریزه شده است، نمایندهترین است.
کاربردهای لاستیک طبیعی:
- لاستیک خودرو
- درزگیر برای جلوگیری از نشت
- شیلنگ برای انتقال سیال
- جاذب ارتعاش
- دستکشهای پزشکی
بیوپلیمرها از منابع تجدیدپذیر مانند محصولات کشاورزی به دست میآیند. پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB) که توسط تخمیر باکتریایی تولید میشود، نمونهای از پلیمرهای زیست تخریبپذیر است که ممکن است جایگزین پلاستیکهای معمولی شوند.
کاربردهای PHB:
- بستهبندی مواد غذایی سازگار با محیط زیست
- بخیه و ایمپلنتهای پزشکی
- فیلمهای مالچ کشاورزی
از سلولز طبیعی گرفته تا پلی اتیلن مصنوعی، پلیمرها در اشکال بیشماری زندگی ما را فرا میگیرند. درک انواع، خواص و کاربردهای پلیمرها، درک ما از دنیای اطراف را افزایش میدهد و در عین حال به پایداری کمک میکند. با پیشرفت فناوری، پلیمرها بدون شک اهمیت بیشتری در شکل دادن به آینده بشریت خواهند داشت.
