شیمی پلیمر

شیمی پلیمر، زیر شاخه ای از علم شیمی است که بر سنتز شیمیایی، ساختار و خواص شیمیایی و فیزیکی پلیمرها و ماکرومولکول ها تمرکز دارد. اصول و روش‌های مورد استفاده در شیمی انواع پلیمرها نیز از طریق طیف گسترده‌ای از زیرشاخه‌های دیگر شیمی مانند شیمی آلی، شیمی تجزیه و شیمی فیزیک قابل اجرا هستند. بسیاری از مواد، دارای ساختارهای پلیمری هستند، از فلزات و سرامیک های معدنی گرفته تا DNA و سایر مولکول های بیولوژیکی، با این حال، علوم پلیمر معمولاً در زمینه ترکیبات مصنوعی و آلی صحبت می کند.

پلیمرهای مصنوعی در همه جا در مواد و محصولات تجاری در استفاده روزمره وجود دارند که معمولاً به آنها پلاستیک و لاستیک گفته می شود و اجزای اصلی مواد کامپوزیتی را تشکیل داده اند. شیمی پلیمر همچنین می‌تواند در زمینه‌های گسترده‌تر علم پلیمر یا حتی فناوری نانو گنجانده شود، که هر دو را می‌توان به‌عنوان فیزیک پلیمر و مهندسی پلیمر توصیف کرد.

تاریخچه علوم پلیمر و نگاهی بر روند تکمیلی این دانش

کارهای هانری براکونو (Henri Braconnot)، در سال ۱۷۷۷ و کریستین شونبین (Christian Schönbein) در سال ۱۸۴۶ منجر به کشف نیتروسلولز شد؛ چیزی که وقتی با کافور، درمان می شد سلولوئید را تولید می کرد. این ماده با حل شدن در اتر یا استون، به “کولودیون” تبدیل می شود که از زمان جنگ داخلی ایالات متحده به عنوان یک پانسمان زخم استفاده شده است. استات سلولز برای اولین بار در سال ۱۸۶۵ تهیه شد. در سال های ۱۸۳۴-۱۸۴۴ مشخص شد که خواص لاستیک (پلی سوپرن) با حرارت دادن با گوگرد بسیار بهبود می یابد و در نتیجه، فرآیند ولکانیزاسیون را پایه گذاری کرد.

در سال ۱۸۸۴، هیلر دِ شاردونت (Hilaire de Chardonnet)، اولین کارخانه الیاف مصنوعی را بر اساس سلولز بازسازی شده یا ابریشم مصنوعی ویسکوز، به عنوان جایگزینی برای ابریشم راه اندازی کرد، اما این ترکیب جدید، بسیار قابل اشتعال بود. در سال ۱۹۰۷، لئو باکلند، اولین پلیمر ساخته شده مستقل از محصولات موجودات زنده را اختراع کرد؛ این ابداع، یک رزین فنل فرمالدئید گرما سخت به نام باکلیت بود.

تقریباً در همان زمان، Hermann Leuchs، سنتز اسید آمینه N-کربوکسی انیدریدها و محصولات با وزن مولکولی بالای آنها را در واکنش با هسته دوست ها گزارش کرد، اما از نامیدن آنها به عنوان پلیمرها منصرف شد، احتمالاً به دلیل دیدگاه های قوی بود که توسط امیل فیشر، در آن دوران وجود داشت. سلفون در سال ۱۹۰۸ توسط Jocques Brandenberger اختراع شد که در این فرآیند، ورقه های ابریشم مصنوعی ویسکوز با اسید، درمان می شد.

شیمیدان Hermann Staudinger، برای اولین بار پیشنهاد کرد که پلیمرها شامل زنجیره های بلندی از اتم ها هستند که توسط پیوندهای کووالانسی به هم متصل می شوند و او آنها را “ماکرومولکول” نامید. کار تحقیقاتی او، درک شیمیایی پلیمرها را گسترش داد و به دنبال گسترش زمینه شیمی پلیمرها بود که طی آن، مواد پلیمری مانند نئوپرن، نایلون و پلی استر اختراع شدند.

قبل از استودینگر، تصور می شد که پلیمرها خوشه هایی از مولکول های کوچک (کلوئید) بدون وزن مولکولی مشخص هستند که توسط نیرویی ناشناخته در کنار هم نگه داشته می شوند. استودینگر در سال ۱۹۵۳ جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد. والاس کاروترز، اولین لاستیک مصنوعی به نام نئوپرن را در سال ۱۹۳۱ اختراع کرد، اولین پلی استر، و در سال ۱۹۳۵ به اختراع نایلون، جایگزین ابریشم ادامه داد.

در سال ۱۹۷۴ به پل فلوری، برای کارش بر روی پیکربندی آرایش تصادفی پلیمری در محلول، جایزه نوبل شیمی اعطا شد. استفانی کولک، یک آرامید یا نایلون معطر به نام کِولار را ساخت که در سال ۱۹۶۶ به ثبت رسید. کارل زیگلر و جولیو ناتا، برای کشف کاتالیزورهای پلیمریزاسیون آلکن ها جایزه نوبل دریافت کردند.

آلن جی. هیگر، آلن مک دیارمید و هیدکی شیراکاوا، جایزه نوبل شیمی سال ۲۰۰۰ را برای توسعه پلی استیلن و پلیمرهای رسانای مرتبط دریافت کردند.

درباره پلیمرها و خواص آنها

پلیمرها ترکیباتی با جرم مولکولی بالا هستند که از پلیمریزاسیون مونومرها به وجود می آیند. مولکول واکنش پذیر ساده ای که واحدهای ساختاری تکرار شونده یک پلیمر از آن مشتق می شوند، مونومر نامیده می شود. یک پلیمر را می‌توان به روش‌های مختلفی توصیف کرد: درجه پلیمریزاسیون، توزیع جرم مولی، فعالیت، توزیع کوپلیمر، درجه انشعاب، بر اساس گروه‌های انتهایی، اتصالات عرضی، بلورینگی و خواص حرارتی آن مانند دمای انتقال شیشه‌ای و دمای ذوب.

پلیمرهای موجود در محلول دارای ویژگی های خاصی از نظر حلالیت، ویسکوزیته و ژلی شدن هستند. برای نشان دادن جنبه های کمی شیمی پلیمرها، توجه ویژه ای به وزن های مولکولی میانگین عددی و وزنی میانگین می شود.

شکل گیری و خواص پلیمرها توسط بسیاری از نظریه ها از جمله نظریه Scheutjens-Fleer، نظریه محلول Flory-Huggins، مکانیسم Cossee-Arlman، نظریه میدان پلیمر، نظریه هسته زایی هافمن، نظریه Flory-Stockmayer و بسیاری دیگر توجیه شده است.

مطالعه ترمودینامیک پلیمرها به بهبود خواص مواد مختلف مبتنی بر پلیمر، مانند پلی استایرن (فوم استایرن) و پلی کربنات کمک می کند. کارهای رایج برای بهبود ویژگی های پلیمرها عبارتند از سفت شدن، بهبود مقاومت در برابر ضربه، بهبود تجزیه پذیری زیستی، و تغییر حلالیت مواد.

ویسکوزیته پلیمرها

همانطور که زنجیره های پلیمرها طولانی تر می شوند و وزن مولکولی آنها افزایش می یابد، ویسکوزیته آنها نیز افزایش می یابد. بنابراین، ویسکوزیته اندازه‌گیری شده پلیمرها می‌تواند اطلاعات ارزشمندی در مورد طول متوسط پلیمر، پیشرفت واکنش‌ها و روش‌هایی که پلیمر از آن منشعب می ‌شود، ارائه دهد.

طبقه بندی پلیمرها

پلیمرها را می توان به روش های مختلفی طبقه بندی کرد. به بیان دقیق، پلیمرها بیشترین بخش مواد جامد را تشکیل می دهند: مواد معدنی عمدتاً پلیمری هستند، فلزات، پلیمرهای سه بعدی هستند، موجودات زنده عمدتاً از پلیمرها و آب تشکیل شده اند. اغلب پلیمرها بر اساس منشاء شان طبقه بندی می شوند: پلیمرهای زیستی در مقابل پلیمرهای مصنوعی و حتی انواع پلیمرهای معدنی.

بیوپلیمرها مواد ساختاری و عملکردی هستند که بیشتر مواد آلی موجودات را تشکیل می دهند. یکی از بخش های اصلی بیوپلیمرها، پروتئین ها هستند که از اسیدهای آمینه به دست می آیند. پلی ساکاریدها مانند سلولز، کیتین و نشاسته، بیوپلیمرهایی هستند که از قندها به دست می آیند. اسیدهای پلی نوکلئیک DNA و RNA از قندهای فسفریله با نوکلئوتیدهای شاخه ی که اطلاعات ژنتیکی را حمل می کنند، مشتق می شوند.

پلیمرهای مصنوعی، مواد ساختاری هستند که در پلاستیک ها، الیاف مصنوعی، رنگ ها، مصالح ساختمانی، مبلمان، قطعات مکانیکی و چسب ها ظاهر می شوند. پلیمرهای مصنوعی را می توان به پلیمرهای ترموپلاستیک و پلاستیک های گرماسخت تقسیم کرد.

پلیمرهای ترموپلاستیک شامل پلی اتیلن، تفلون، پلی استایرن، پلی پروپیلن، پلی استر، پلی اورتان، پلی (متیل متاکریلات)، پلی وینیل کلراید، نایلون ها و ریون می باشد. پلاستیک های ترموست شامل لاستیک ولکانیزه، باکلیت، کِولار و پلی اپوکساید است. تقریباً تمام پلیمرهای مصنوعی از مواد پتروشیمی به دست می آیند.