پلیمریزاسیون (Polymerization) به فرایندی گفته میشود که طی آن مولکولهای کوچک به نام مونومر، با کنار هم قرار گرفتن و ایجاد پیوندهای شیمیایی، به زنجیرههای بلند و پلیمر تبدیل میشوند. در واقع بسپارش یک واکنش شیمیایی است که در آن مونومرها به هم متصل میشوند و مولکولهایی بسیار بزرگتری نسبت به مواد اولیه ایجاد میکنند. این زنجیرهها ممکن است خطی یا شبکهای و سهبعدی باشند. در ادامه با جزئیات این فرایند آشنا خواهیم شد.
پلیمر چیست؟
پلیمر (یا بسپار) در واقع یک مولکول بسیار بزرگ است که از کنار هم قرار گرفتن تعداد زیادی واحد کوچکتر به نام مونومر ساخته میشود. اگر فقط تعداد کمی مونومر به هم متصل شوند، مولکولی با وزن مولکولی پایین تشکیل میشود که به آن الیگومر میگویند.
اگر پلیمر تنها از یک نوع مونومر ساخته شده باشد، به آن پلیمر یکنواخت گفته میشود. اما اگر از دو یا چند نوع مونومر تشکیل شده باشد، محصول را کوپلیمر مینامند. مثلاً وقتی دو مونومر متفاوت به صورت یکدرمیان در یک زنجیره قرار بگیرند، کوپلیمر متناوب ساخته میشود. در مقابل، اگر مونومرها به شکل نامنظم و تصادفی کنار هم باشند، کوپلیمر تصادفی ایجاد میشود. بهطور کلی، این ترکیبات به سه دسته اصلی تقسیم میشوند:
- بیوپلیمرها (طبیعی): مثل سلولز، پروتئینها و نشاسته
- پلیمرهای معدنی: مثل الماس و گرافیت
- پلیمرهای سنتزی (مصنوعی): مثل نایلون، پلاستیک و چسب
اصول پایه پلیمریزاسیون
اصول پایه Polymerization عبارت است از:
- ساختار و ویژگی پلیمرها
پلیمرها زنجیرههایی بلند از واحدهای تکرارشونده به نام مونومر هستند که با پیوندهای کووالانسی به هم متصلاند. خواصی مثل استحکام، انعطافپذیری، مقاومت شیمیایی و حرارتی بستگی به نوع و چیدمان این مونومرها دارد. - روشهای ساخت پلیمر
پلیمرها از راههای مختلفی ساخته میشوند، از جمله: پلیمریزاسیون رادیکالی، Polymerization یونی و پلیمریزاسیون ترموپلاستیک. هر کدام از روشها، ویژگی ها و کاربردهای خاصی دارند. - واکنشهای پلیمریزاسیون
در این فرآیند، واکنشهایی مثل انتقال زنجیره، رادیکالی، یونی و آنیونی رخ میدهد و مونومرها را به زنجیرههای پلیمری وصل میکند. نوع واکنش به مونومر و شرایط محیطی بستگی دارد. - عوامل مؤثر بر Polymerization
عواملی مثل نوع و غلظت مونومر، ماده آغازگر، دما، فشار و نوع کاتالیزور بر سرعت واکنش و خواص نهایی پلیمر اثرگذارند. کنترل این عوامل برای تولید پلیمر باکیفیت ضروری است.
فرآیند پلیمریزاسیون
پلیمریزاسیون به واکنشهایی گفته میشود که در آن مولکولهای کوچک (مونومرها) به هم متصل میشوند و زنجیرههای بلند پلیمری با جرم مولکولی بالا تشکیل میدهند. ترکیبات آلی عموما دارای پیوندهای دوگانه کربن-کربن (C=C) هستند که قابلیت شرکت در این واکنشها را دارند.
بهعنوان مثال، پلیاتیلن (پلیاتن) از Polymerization گاز اتیلن ساخته میشود. این فرآیند در فشار بالا و دمای زیاد انجام میشود و در نهایت جامدی سفیدرنگ با جرم مولی بالا بهدست میآید که در دسته ترموپلاستیکها قرار میگیرد. اگر زنجیرهها بدون شاخه باشند، محصول پلیاتیلن خطی نام دارد. اگر زنجیرهها شاخهدار باشند، پلیاتیلن شاخهای تولید میشود.
پلیاتیلن سبک (LDPE) چگالی کمتری دارد، شفافتر و انعطافپذیرتر است و برای تولید کیسههای پلاستیکی استفاده میشود. در مقابل، پلیاتیلن سنگین (HDPE) چگالی بالاتری دارد، کدر و محکمتر است و در ساخت بطری شیر، دبه آب و لولههای پلاستیکی کاربرد دارد.
انواع پلیمریزاسیون
فرآیند Polymerization بر اساس معیارهای مختلف دستهبندی میشود:
- بر اساس مکانیزم واکنش
پلیمریزاسیون رادیکالی
Polymerizationکاتیونی
آنیونی - بر اساس محیط واکنش
Polymerizationتودهای
محلولی
Polymerizationسوسپانسیونی
امولسیونی - بر اساس نحوه رشد زنجیره
Polymerization مرحلهای
زنجیرهای - بر اساس نوع محصول
Polymerization افزایشی
تراکمی
پلیمریزاسیون مرحله ای چیست؟
پلیمریزاسیون مرحلهای فرآیندی است که در آن مولکولهای کوچک یا مونومرها بهتدریج و طی مراحل مختلف به هم متصل میشوند. یعنی ابتدا مولکولهای کوچکتر مثل دیمر و تریمر ساخته میشوند و سپس این مولکولها با هم ترکیب شده و زنجیرههای بلندتری شکل میگیرد. نکته مهم این است که هر مولکولی – چه کوچک چه بزرگ – میتواند در هر مرحله به دیگری وصل شود. معمولاً برای رسیدن به یک پلیمر سنگین و قوی، واکنش باید تا حد زیادی کامل انجام شود. نمونههایی از این نوع پلیمرها شامل پلیاستر و نایلون هستند.
پلیمریزاسیون زنجیره ای چیست؟
پلیمریزاسیون زنجیرهای روشی است که در آن رشد زنجیره از یک نقطه فعال آغاز میشود؛ یعنی یک رادیکال، کاتیون یا آنیون در ابتدا شکل میگیرد و مونومرها یکییکی به همین نقطه اضافه میشوند. در این حالت فقط زنجیرههایی که سر فعال دارند میتوانند رشد کنند و پلیمر بسازند. این فرآیند خیلی سریعتر از نوع مرحلهای است و پلیمرهایی مثل پلیاتیلن یا پلیوینیل کلرید (PVC) از این طریق تولید میشوند. در واقع، پلیمر از همان ابتدا با وزن مولکولی بالا تشکیل میشود.
تفاوت واکنش های پلیمریزاسیون مرحله ای و زنجیری
این تفاوتها از جهات مختلفی بررسی میشوند:
- نحوه رشد زنجیره
مرحلهای: هر مولکول (کوچک یا بزرگ) میتواند با هر مولکول دیگری واکنش دهد.
زنجیرهای: فقط مونومرها به سر زنجیره در حال رشد اضافه میشوند. - اتصال بین مولکولها
مرحلهای: دو زنجیره میتوانند با هم ترکیب شوند.
زنجیرهای: دو زنجیره در حال رشد نمیتوانند به هم وصل شوند. - مسیر رشد
مرحلهای: رشد از مسیرهای مختلف اتفاق میافتد (مونومر + دیمر، دیمر + دیمر، تریمر + دیمر و …).
زنجیرهای: رشد فقط از یک نقطه (انتهای فعال زنجیره) پیش میرود. - سرعت تشکیل زنجیره بلند
مرحلهای: به تدریج و با ترکیب مولکولهای کوچکتر شکل میگیرد.
زنجیرهای: سریعتر به زنجیرههای بلند میرسد چون مونومرها پشت سر هم اضافه میشوند. - واکنشپذیری
مرحلهای: واکنش بین هر دو مولکول فعال ممکن است.
زنجیرهای: واکنش فقط بین زنجیره فعال و مونومر تازه ممکن است.
واکنش های پلیمریزاسیون تراکمی و افزایشی
Polymerization میتواند به دو روش عمده تراکمی و افزایشی انجام گیرد که هرکدام ویژگیهای خاص خود را دارند.
- پلیمریزاسیون تراکمی
در Polymerization تراکمی، مونومرها به هم پیوند میخورند و مولکولهای کوچک مانند آب یا آمونیاک به عنوان محصولات جانبی حذف میشوند. این فرآیند باعث کاهش جرم مولکولی پلیمر نهایی نسبت به مونومرها میشود و به طور معمول با سرعت کندی صورت میگیرد. نمونههایی از این پلیمرها شامل پلی استر، پلی آمید و نایلون هستند که به نوعی محصولات پلیمری هستند. - پلیمریزاسیون افزایشی
در این روش، مونومرها بدون حذف هیچ مولکول اضافی به هم متصل میشوند. پلیمرهای تولید شده در این روش از واحدهای تکراری مونومرها تشکیل میشوند. پلیاتیلن، پلیوینیلکلراید (PVC) و پلیاستایرن از جمله پلیمرهایی هستند که با این روش ساخته میشوند.
واکنش پلیمری شدن اشتراکی یا کوپلیمریزاسیون
در فرآیند پلیمریزاسیون، اگر دو نوع مونومر مختلف به طور مشترک به واکنش بپردازند و پلیمر جدیدی را تشکیل دهند، به این ترکیب جدید “کوپلیمر” گفته میشود. برای مثال، لاستیکی به نام بونا-s وجود دارد که مونومرهای تشکیلدهنده آن عبارتند از ۱و ۳- بوتا دیان (CH₂ ═ CH ─ CH ═ CH₂) و وینیل بنزن یا استیرن
(CH(C₆H₅) ═ CH₂). این ترکیبها در کنار یکدیگر واکنش کرده و پلیمر بونا -S را میسازند.
فتوپلیمریزاسیون
در فرآیند فتوپلیمریزاسیون (Photopolymerization)، واکنشهای پلیمری شدن معمولاً با استفاده از روش رشد زنجیرهای صورت میگیرند که در آن راهاندازی واکنش با جذب نور مرئی یا ماورا بنفش انجام میشود. این نور میتواند به طور مستقیم یا غیرمستقیم در فرآیند به کار گرفته شود. نکته کلیدی در این فرآیند این است که تنها مرحله راهاندازی با دیگر مراحل پلیمری شدن تفاوت دارد، به طوری که مراحل انتشار و خاتمه همانند روشهای معمولی ادامه پیدا میکنند.
فتوپلیمریزاسیون به ویژه در صنایع عکاسی و چاپ کاربرد فراوانی دارد، زیرا این فرآیند تنها در محیطهای نوری قابل انجام است. مونومرهایی که در معرض نور قرار نگرفتهاند، واکنش نمیدهند و در نهایت از فرآیند حذف میشوند. این ویژگی منجر به ایجاد تصاویر پلیمری میشود. به طور مثال، در تکنیکهای چاپ سهبعدی مانند استریولیتوگرافی (Stereolithography)، از این روش بهره میگیرند. مستربچ چیست را د شیمی پل بخوانید.
روشهای رایج پلیمریزاسیون
پلیمریزاسیون رادیکالی، یونی، متاکریلی، ترموپلاستیک و ریختهگری هر کدام به روشهای خاصی برای تولید پلیمرها اشاره دارند:
- پلیمریزاسیون رادیکالی
در این روش، واکنش بین رادیکالهای آزاد و مونومرها انجام میشود. برای شروع واکنش، از منابع انتقال رادیکالی مانند آزبیسوربیتها استفاده میشود. این روش برای ساخت پلیمرهایی با خواص متنوع کاربرد دارد. - Polymerization یونی
در این فرآیند، یونهای مثبت یا منفی به عنوان واکنشدهندهها عمل میکنند. این روش برای تولید پلیمرهایی با ویژگیهای خاص مورد استفاده قرار میگیرد. - پلیمریزاسیون متاکریلی
در این روش، واکنش بین گروههای متاکریلی و مونومرها با حضور کاتالیزورها صورت میگیرد. پلیمرهای تولید شده خواص ویژهای دارند. - Polymerization ترموپلاستیک
این فرآیند با استفاده از حرارت و فشار، پلیمرها را در دماهای بالا به شکل مذاب در قالبها ریخته و سپس قالبگیری میکنند. این روش برای تولید قطعات پلاستیکی مناسب است. - پلیمریزاسیون ریختهگری
در این روش، پلیمر مذاب به داخل قالبها ریخته شده و پس از خنک شدن، به شکل نهایی خود تبدیل میشود. این روش برای ساخت قطعات پلاستیکی بزرگ یا پیچیده مناسب است.
چالشها و مشکلات پلیمریزاسیون
فرآیند پلیمریزاسیون با چالشهای متعددی مواجه است که شامل آلودگی، کنترل کیفیت، مسائل اقتصادی و زیست محیطی میشود. آلودگیها میتوانند از مواد اولیه یا فرآیند تولید ناشی شوند و به خواص و کیفیت پلیمر نهایی آسیب برسانند. کنترل کیفیت به دقت در انتخاب مواد، شرایط واکنش و زمانسنجی وابسته است تا محصولات بهطور مطلوب تولید شوند. از سوی دیگر، مشکلات اقتصادی مانند هزینههای بالای تولید و تأثیرات منفی زیستمحیطی، به ویژه در زمینه زبالههای پلاستیکی و غیرقابل تجزیه بودن پلیمرها، مطرح هستند. به همین دلیل، توسعه روشهای بازیافت و استفاده از مواد تجزیهپذیر اهمیت دارد.
