بهبود خواص پلیمر: از مادهی خام تا محصول نهایی
روشهای فیزیکی اصلاح پلیمرها: ترکیب و شکلدهی هوشمندانه
در روشهای فیزیکی، ماهیت شیمیایی زنجیرههای پلیمر تغییر نمیکند. در عوض، با اضافه کردن مواد دیگر یا تغییر آرایش زنجیرهها، خواص نهایی را تنظیم میکنیم. سادهترین مثال، افزودن نرمکننده به پلیوینیل کلراید (PVC) است. PVC خام سخت و شکننده است، اما با افزودن نرمکنندهها، زنجیرها راحتتر روی هم میلغزند و ماده نرم و انعطافپذیر میشود که در ساخت شلنگهای باغبانی و روکش سیمها کاربرد دارد. مثال دیگر، ترکیب پلیمرها با الیاف تقویتکننده است؛ مانند فایبرگلاس که در آن الیاف شیشه به یک رزین پلیمری (مانند پلیاستر) اضافه میشود تا استحکام مکانیکی آن افزایش یابد.
مخلوط کردن دو یا چند پلیمر ناسازگار نیز یک روش فیزیکی رایج است. برای مثال، ترکیب پلیپروپیلن (PP) با لاستیک EPDM، مادهای مقاومتر در برابر ضربه ایجاد میکند که در سپر خودروها استفاده میشود. در این روشها، نحوه پراکنده شدن فازها و چسبندگی بین آنها، کلید دستیابی به خواص مطلوب است.
روشهای شیمیایی اصلاح پلیمرها: تغییر در ساختار مولکولی
در اصلاح شیمیایی، خود زنجیرههای پلیمر دستخوش تغییر میشوند. یکی از مهمترین این فرایندها، اتصال عرضی است. در این روش، پیوندهای شیمیایی بین زنجیرههای مجاور ایجاد میشود و یک شبکه سهبعدی به وجود میآید. برای مثال، لاستیک طبیعی خام (کائوچو) نرم و چسبنده است و در گرما شکل خود را از دست میدهد. با فرایند ولکانیزاسیون1 (نوعی اتصال عرضی با گوگرد)، زنجیرهها به هم متصل میشوند و مادهای محکم، الاستیک و مقاوم در برابر حرارت به نام لاستیک خودرو به دست میآید. هرچه تعداد این اتصالات بیشتر باشد، لاستیک سختتر خواهد بود.
روش دیگر، کوپلیمریزاسیون2 است. در این روش، بهجای استفاده از یک نوع مونومر (واحد سازنده)، از دو یا چند نوع مونومر مختلف برای ساخت زنجیره استفاده میشود. برای مثال، پلیاستایرن خام شکننده است، اما اگر آن را با مونومر بوتادین (که خاصیت لاستیکی دارد) کوپلیمر کنیم، به لاستیک ABS3 میرسیم؛ مادهای مقاوم در برابر ضربه که در بدنهٔ لوازم خانگی و اسباببازیها به کار میرود. فرمول شیمیایی ساده برای یک کوپلیمر دوجزئی به صورت زیر قابل نمایش است:
$nA + mB \rightarrow (A)_n(B)_m$که در آن A و B مونومرهای متفاوت هستند.
کاربرد عملی: از بطری نوشابه تا لنز چشم
بهبود خواص پلیمرها در زندگی روزمره ما بسیار دیده میشود. بطریهای نوشابه معمولاً از پلیاتیلن ترفتالات (PET) ساخته میشوند. PET خام در برابر نفوذ گاز CO₂ مقاومت کافی ندارد و نوشابه پس از مدتی گاز خود را از دست میدهد. برای بهبود این خاصیت، از روشهای چندلایهسازی (یک روش فیزیکی) استفاده میشود؛ لایهای نازک از یک پلیمر با خاصیت دیوارهای بالا (مانند نایلون) بین لایههای PET قرار میگیرد تا از خروج گاز جلوگیری کند.
در حوزه پزشکی، لنزهای تماسی نرم از پلیمرهایی ساخته میشوند که باید هم شفاف باشند، هم اکسیژن را از خود عبور دهند و هم نرم و راحت باشند. این لنزها از پلیمرهایی با اتصالات عرضی کم (برای نرمی) و با افزودن گروههای آبدوست (برای جذب آب و عبور اکسیژن) ساخته میشوند که حاصل یک اصلاح شیمیایی هدفمند است. در صنعت رنگسازی نیز، با افزودن مواد افزودنی مانند دیسپرسانتها (روش فیزیکی) از تهنشین شدن ذرات رنگدانه جلوگیری میشود.
| ویژگی | اصلاح فیزیکی | اصلاح شیمیایی |
|---|---|---|
| تغییر در زنجیره اصلی | خیر | بله (ایجاد پیوند جدید) |
| مثال اصلی | افزودن نرمکننده، ترکیب با الیاف | ولکانیزاسیون، کوپلیمریزاسیون |
| نتیجهٔ تغییر | انعطافپذیری، استحکام، رنگپذیری | مقاومت حرارتی، الاستیسیته دائمی |
| قابلیت بازیابی به حالت اول | معمولاً دارد (با ذوب یا حل کردن) | ندارد (غیرقابل ذوب شدن) |
پرسشهای چالشی برای درک بهتر
چرا تایر خودرو را در برابر حرارت با اتصال عرضی (ولکانیزاسیون) مقاوم میکنند، در حالی که یک کش پاککن (لاستیک پاککن) نیز نوعی پلیمر اتصال عرضی یافته است اما نرمتر است؟
پاسخ: میزان اتصالات عرضی در این دو محصول متفاوت است. در تایر خودرو، اتصالات عرضی زیاد باعث سختی و مقاومت در برابر سایش و حرارت ناشی از اصطکاک میشود. در پاککن، تعداد اتصالات عرضی کمتر است تا ماده نرم بماند و به راحتی روی کاغذ بلغزد و گرافیت را پاک کند. هر دو اصلاح شیمیایی هستند اما درجهٔ آن متفاوت است.
اگر یک پلیمر خام مانند نایلون برای دوخت لباس خیلی لغزنده است، چگونه میتوان با یک روش فیزیکی این مشکل را حل کرد؟
پاسخ: یکی از راهها، افزودن ذرات ریز (مانند دیاکسید تیتانیوم) به سطح یا درون الیاف نایلون در حین تولید است. این ذرات، اصطکاک سطحی الیاف را افزایش داده و از لغزندگی آن میکاهند. این کار یک اصلاح فیزیکی از طریق پرکنندههاست. راه دیگر، تغییر سطح مقطع الیاف از دایرهای به شکلهای دیگر است که این هم یک تغییر فیزیکی در فرایند شکلدهی محسوب میشود.
چرا ظروف تفلون نچسب، در برابر حرارت بالا مقاوم هستند در حالی که پلیمرهای معمولی در همان دما ذوب میشوند؟
پاسخ: تفلون نام تجاری پلیمری به نام پلیتترا فلوئورواتیلن (PTFE) است. در این پلیمر، تمام اتمهای هیدروژن زنجیره کربنی با اتمهای فلوئور جایگزین شدهاند. پیوند کربن-فلوئور بسیار قوی است و از زنجیره در برابر حمله حرارتی و شیمیایی محافظت میکند. این یک اصلاح شیمیایی در سطح مولکولی است که پایداری حرارتی فوقالعادهای ایجاد میکند.
پاورقی
1 ولکانیزاسیون (Vulcanization): فرایند شیمیایی برای تبدیل لاستیک طبیعی یا پلیمرهای مشابه به مادهای محکمتر و بادوامتر با ایجاد پیوندهای عرضی (اتصالات) بین زنجیرههای پلیمری با استفاده از گوگرد یا عوامل دیگر.
2 کوپلیمریزاسیون (Copolymerization): واکنش پلیمریزاسیونی که در آن از دو یا چند نوع مونومر (واحد سازنده) متفاوت برای تشکیل یک زنجیره پلیمری استفاده میشود که خواص هر مونومر را ترکیب میکند.
3 لاستیک ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene): یک پلیمر ترموپلاستیک مقاوم و سبک است که از کوپلیمریزاسیون سه مونومر اکریلونیتریل، بوتادین و استایرن ساخته میشود.