پلیمرها و پلاستیک‌ها، کلماتی هستند که در زندگی روزمره درباره آن‌ها زیاد می شنویم. این دسته از مواد، مواد بسیار حیاتی هستند که نمی‌توان زندگی بدون آن‌ها را تصور کرد و در بسیاری از محصولات و کالاهایی که در زندگی روزمره استفاده می‌کنیم و حتی در بدنمان، وجود دارند. به دسته ای از مواد طبیعی یا مصنوعی (سنتزی) متشکل از مولکول‌های بسیار بزرگ (ماکرومولکول ها)، که مضربی از واحدهای شیمیایی ساده تر به نام مونومر هستند پلیمر می‌گویند. پلیمرها بسیاری از مواد موجود در موجودات زنده از جمله پروتئین‌ها، سلولز و اسیدهای نوکلئیک را تشکیل می دهند. علاوه بر این، پلیمرها پایه و سنگ‌ بنای بسیاری از مواد معدنی مانند الماس، کوارتز، فلدسپات و مواد دست ساز بشر مانند بتن، شیشه، کاغذ، پلاستیک و لاستیک می‌باشند. کلمه "پلیمر" یا گاهی اوقات "ماکرومولکول" از یونانی کلاسیک poly به معنای "بسیار" و meres به معنای "قطعات" مشتق شده است. مولکول پلیمر وزن مولکولی بسیار بالایی دارد (بین 10000-1000000 گرم بر مول) و از چندین واحد ساختاری تشکیل شده است که معمولاً توسط پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل می شوند. هنگامی که تعداد مونومرها بسیار زیاد باشد، گاهی اوقات این ترکیبات را پلیمرهای درجه بالا یا گرید بالا می‌نامند. برخی از پلیمرهای طبیعی و سنتزی از یک نوع مونومر ثابت تشکیل شده‌اند. با این حال پلیمرها همیشه محدود به مونومرهایی با ترکیب شیمیایی یا وزن مولکولی و ساختار مشابه نیستند. اکثر پلیمرهای طبیعی و مصنوعی از دو یا چند نوع مختلف مونومر تشکیل شده اند که در چنین حاالتی به عنوان کوپلیمر شناخته می شوند.

تاریخچه پلیمرها و حضور آن در زندگی روزمره

از سال‌ها پیش مردم از پلیمرها در زندگی روزمره خود استفاده می‌کردند، اما تقریباً تا جنگ جهانی دوم به خوبی آن را نمی‌شناختند. در سال‌های گذشته مواد نسبتا کمی برای ساخت کالای مورد نیاز برای زندگی متمدن موجود بود. برای بیشتر ساخت و سازها از  فولاد، شیشه، چوب، سنگ، آجر و بتن و برای تولید لباس و پارچه از پنبه، گیاهان، کنف و چند محصول کشاورزی دیگر استفاده می‌شد. پیشرفت زندگی بشر و افزایش تقاضا برای محصولات تولیدی باعث ایجاد نسل جدیدی از مواد شد. این مواد جدید، مواد پلیمری بودند و تقریب میزان حضور آنها در زندگی روزمره کنونی تقریبا غیرقابل محاسبه است. لباس های ساخته شده از الیاف مصنوعی، فنجان های پلی اتیلن، فایبرگلاس، قطعات مکانیکی پلاستیکی، کیسه‌های پلاستیکی، رنگ‌های پلیمری، چسب اپوکسی، بالشتک فوم پلی اورتان، دریچه های قلب سیلیکونی و ظروف پخت و پز با روکش تفلون تنها تعدادی از محصولات ساخته شده از پلیمرها در اطراف ما هستند. این لیست تقریبا تمام نشدنی است.

پلیمرها از طریق واکنش شیمیایی مونومرها به دست می آیند. مونومرها توانایی واکنش با مولکول دیگری از همان نوع یا نوع دیگر را در شرایط مناسب برای تشکیل زنجیره پلیمری دارند. این فرآیند در طبیعت منجر به تشکیل پلیمرهای طبیعی شده است، در حالی که پلیمرهای مصنوعی ساخته دست بشر هستند. می‌توان گفت از ابتدای هستی پلیمرها در دنیای طبیعی اطراف ما وجود داشته اند (مانند سلولز، نشاسته و لاستیک طبیعی). مواد پلیمری ساخت دست بشر از اواسط قرن نوزدهم میلادی مورد مطالعه قرار گرفتند. اما امروزه صنعت پلیمر به سرعت توسعه یافته است و از مجموع صنایع مس، فولاد، آلومینیوم و برخی دیگر از صنایع بزرگتر شده است. پلیمرهای طبیعی و مصنوعی به طور قابل توجهی در آسایش و تسهیل زندگی انسان نقش دارند و مسئولیت خود زندگی، دارو، تغذیه، ارتباطات، حمل و نقل، آبیاری، ظرف، پوشاک، ثبت تاریخ، ساختمان ها، بزرگراه ها و غیره را بر عهده دارند. تصور جامعه بشری بدون پلیمرهای مصنوعی و طبیعی دشوار است. در نتیجه جای تعجب ندارد که تقریباً همه دانشمندان مواد و بیش از نیمی از شیمیدانان و مهندسان شیمی، تعداد زیادی از فیزیکدانان، فناوران نساجی، مهندسان مکانیک، داروسازان و سایر گروه های علمی در پروژه های تحقیق و توسعه مرتبط با پلیمرها مشارکت دارند. علاوه بر این، صنایع آرایشی و بهداشتی، داروسازی، زیست پزشکی، زیست‌شناسی مولکولی، بیوشیمی و بیوفیزیک از دیگر رشته‌ها و صنایعی هستند که از پلیمرها و شیمی پلیمرها در توسعه حوزه‌های جدید خود بهره فراوانی می‌برند.

در شکل زیر نمودار مصرف پلیمرها در صنایع مختلف نشان داده شده است.

پلیمرهای طبیعی

طبیعت سرشار از مجموعه‌ای شگفت‌انگیز از مواد پلیمری است، از سلولز در دیواره‌های سلولی گیاه گرفته تا پروتئین‌های متشکل از بافت‌ها و اندام‌های انسان. پلیمرهای آلی طبیعی نقش مهمی در زندگی موجودات زنده ایفا کرده، مواد اولیه ساختاری را فراهم کرده و در فرآیندهای حیاتی زندگی نقش دارند. به عنوان مثال، اجزای جامد همه گیاهان، یعنی سلولز، لیگنین و رزین های مختلف از پلیمرها تشکیل شده است. همچنین نشاسته ها، منابع مهم انرژی غذایی مشتق شده از گیاهان، پلیمرهای طبیعی هستند که از گلوکز تشکیل شده اند. پروتئین ها که پلیمرهای آمینواسید هستند و اسیدهای نوکلئیک که پلیمرهای نوکلئوتیدها هستند از دیگر پلیمرهای طبیعی مهم می‌باشند. بسیاری از مواد معدنی که در طبیعت یافت می شوند، از جمله الماس و گرافیت، دارای ساختار پلیمری هستند. در الماس، اتم های کربن در یک شبکه سه بعدی به هم متصل شده اند که منجر به سختی منحصر به فرد آن می‌شود. در گرافیت، که به‌عنوان روان‌کننده و در مغز مداد نیز استفاده می‌شود، اتم‌های کربن در صفحاتی به هم متصل می‌شوند که می‌توانند روی یکدیگر بلغزند. در ادامه به معرفی کوتاه تعدادی از پلیمرهای طبیعی می‌پردازیم.

سلولز

سلولز یک پلیمر طبیعی است که در دیواره‌های سلولی گیاهان یافت می‌شود و باعث استحکام ساختاری گیاه می‌شود. این پلیمر از واحدهای تکرارشونده مولکول‌های گلوکز تشکیل شده است که توسط پیوندهای β-1،4- گلیکوزیدی به یکدیگر متصل شده اند. زنجیره های خطی مولکول‌های گلوکز به سلولز اجازه می‌دهد تا الیاف قوی و نامحلولی تشکیل دهد که به یک‌پارچگی ساختاری گیاهان کمک می کند. سلولز یکی از فراوان ترین ترکیبات آلی روی زمین است که به عنوان یک جزء حیاتی در تولید کاغذ، منسوجات و محصولات مختلف دیگر عمل می کند. علی‌رغم ساختار شیمیایی ساده، آرایش سلولز در دیواره سلولی گیاه باعث ایجاد خواص مکانیکی قابل توجه آن می شود و آن را به یک ماده با ارزش در کاربردهای مختلف صنعتی و به عنوان منبع زیست توده تجدید پذیر تبدیل می کند.

پروتئین‌ها

پروتئین ها مولکول های بزرگ و پیچیده ای هستند که نقش اساسی در زندگی موجودات زنده ایفا می‌کنند. این پلیمرها از زنجیره های بلندی از آمینواسید‌ها تشکیل شده اند که توسط پیوندهای پپتیدی به یکدیگر متصل شده‌اند. توالی آمینواسیدها ساختار و عملکرد پروتئین را تعیین می‌کند. پروتئین‌ها در عملکرد طیف وسیعی از فرآیندهای بیولوژیکی بدن موجودات زنده نقش دارند. کاتالیز آنزیمی، پشتیبانی ساختاری، انتقال مولکول‌ها، پاسخ ایمنی و سیگنال‌دهی سلولی از جمله این فرآیندها است. تنوع ساختاری و عملکردی پروتئین باعث می‌شود تا این دسته از مواد پلیمری بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی ضروری زندگی موجودات زنده را انجام دهند.

پلی ساکارید‌ها

پلی ساکاریدها مولکول‌های کربوهیدرات بزرگی هستند که از واحدهای تکرار شونده مونوساکارید (قندهای ساده) تشکیل شده‌اند که توسط پیوندهای گلیکوزیدی به یکدیگر متصل شده‌اند. این دسته از مواد عملکردهای مختلفی را (از جمله ذخیره انرژی، پشتیبانی ساختاری و شناسایی سلول) در بدن موجودات زنده انجام می دهند. نشاسته، گلیکوژن، کیتین و هیالورونیک اسید از جمله پلی‌ساکاریدهای موجود در بدن موجودات زنده هستند. پلی ساکاریدها ساختارها و عملکردهای متنوعی از خود نشان می‌دهند که آن‌ها را به بیومولکول‌های ضروری در گیاهان و حیوانات تبدیل می‌کند. این پلیمرهای طبیعی نقش مهمی در متابولیسم انرژی، یکپارچگی ساختاری و ارتباطات سلولی درون بدن موجودات زنده دارند.

لاستیک طبیعی

لاستیک طبیعی پلیمری است که از شیره برخی گیاهان به‌خصوص درخت کائوچو (درخت لاستیک) به دست می‌آید. برای جمع‌آوری شیره از درخت، برشی در پوست درخت لاستیک ایجاد می‌شود که به آن ضربه زدن می‌گویند. بسته به نوع استفاده، پس از مرحله جمع آوری، شیره لاستیکی به روش های مختلفی فرآوری می شود. حدود 70 درصد لاستیک طبیعی برای تولید تایر استفاده می شود. تشک، کاندوم، زیره کفش، بطری آب گرم، بادکنک، چکمه های لاستیکی و حلقه های مهر و موم از سایر محصولات هستند که از لاستیک طبیعی ساخته شده است. این ماده عمدتاً از پلی ایزوپرن، ترکیبی متشکل از واحدهای مونومر ایزوپرن تکراری (C5H8) تشکیل شده است. ساختار پلیمری لاستیک طبیعی همان چیزی است که به آن خواص منحصر به فردی می دهد. زنجیره‌های پلیمری در لاستیک طبیعی ساختاری بی‌شکل دارند، به این معنی که فاقد آرایش کریستالی مشخصی هستند. این طبیعت بی شکل به خاصیت ارتجاعی و انعطاف پذیری لاستیک طبیعی کمک می‌کند.

پلیمرهای نیمه مصنوعی

پلیمرهای نیمه مصنوعی از طریق تغییرات عمد‌ه‌ای در پلیمرهای طبیعی در یک محیط آزمایشگاهی کنترل شده به دست می آیند. این پلیمرها از طریق واکنش‌های شیمیایی با دقت کنترل شده در یک محیط کنترل‌شده سنتز می‌شوند و از اهمیت تجاری قابل توجهی برخوردار هستند. به عنوان مثال از گوگرد به‌عنوان عامل اتصال زنجیره‌های پلیمری در پلیمرهای طبیعی استفاده می‌کنند. ولکانیزاسیون (ولکانش) فرآیندی است که در آن لاستیک طبیعی با گوگرد و حرارت تصفیه می‌شود. این فرآیند باعث ایجاد پیوندهای عرضی اضافی بین زنجیره‌های پلیمری شده و استحکام، کشش و مقاومت لاستیک را در برابر سایش و فرسودگی افزایش می‌دهد. علاوه بر این، استات سلولز، که معمولا به عنوان ابریشم مصنوعی شناخته می شود، نمونه قابل توجه دیگری از پلیمرهای نیمه مصنوعی است.

پلیمرهای مصنوعی

پلیمرهای مصنوعی که به عنوان پلیمرهای سنتزی نیز شناخته می شوند، پلیمرهایی هستند که به طور مصنوعی توسط انسان‌ها تولید می‌شوند. پلیمرهای مصنوعی عمدتاً زیست تخریب ناپذیر هستند و اغلب از نفت خام و مشتقات آن سنتز می شوند. در طول تاریخ علم پلیمر، پلیمرهای مهم بسیاری سنتز شده‌اند که گام های مهمی را در رشد این رشته برداشتند. این پلیمرهای مصنوعی در طول زمان به سختی توسعه و ارتقا یافته‌اند و با ویژگی ها و کاربردهای خاص خود نقش مهمی در شکل‌دهی به دنیای عصر حاضر ایفا کرده‌اند. از رایج ترین پلیمرهای آلی مصنوعی دنیا عبارتند از: پلی ‌اتیلن (PE)، پلی ‌پروپیلن (PP)، پلی وینیل کلراید (PVC)، پلی ‌استایرن (PS)، نایلون، پلی اتیلن ترفتالات (PET)، پلی اورتان (PU) و ... ‌. در ادامه به معرفی و بررسی کوتاه تعدادی از این پلیمرهای سنتزی می‌پردازیم.

 

پلیمرهای مصنوعی بر اساس رفتار آنها تحت گرما و فشار و همچنین توانایی آنها برای بازگشت به شکل اولیه خود پس از تغییر شکل به چندین دسته کلی دسته بندی می شوند. دسته های اصلی شامل ترموپلاستیک ها، پلیمرهای ترموست و الاستومرها می‌شوند.

ترموپلاستیک ها

ترموپلاستیک ها دسته ای از پلیمرها هستند که دارای قابلیت نرم شدن و انعطاف پذیر شدن در هنگام گرم شدن و جامد و سفت شدن در هنگام سرد شدن را دارند. ترموپلاستیک ها را می توان چندین بار ذوب کرد و بدون تخریب قابل توجهی از خواص آنها، شکل داد. این خاصیت به دلیل نیروهای ضعیف بین مولکولی موجود در پلیمرهای ترموپلاستیک است که به آنها اجازه می دهد با تغییرات دما، تغییرات برگشت پذیری در آرایش مولکولی داشته باشند. ترموپلاستیک‌ها معمولاً هنگامی که در معرض دماهای بالا قرار می‌گیرند، به حالت مذاب تبدیل می‌شوند و عموماً با حداقل یا عدم وجود پیوندهای کراس‌ لینک (متقابل) شناخته می‌شوند. از آنجایی که این دسته از پلیمرها توانایی تحمل فرآیندهای گرمایش و اصلاح را دارند در مقایسه با ترموست ها، قابلیت بازیافت بیشتری دارند. پلیمرهای خطی را می توان به عنوان مواد ترموپلاستیک طبقه بندی کرد. ترموپلاستیک ها به دلیل تطبیق پذیری، سهولت پردازش و قابلیت بازیافت در طیف وسیعی از کاربردها در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده در مواد بسته‌بندی، بطری‌ها، اسباب بازی و سایر وسایل پلاستیکی خانگی تنها برخی از کاربردهای رایج این دسته از پلیمرها هستند. پلیمرهای پرکاربردی نظیر پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پلی وینیل کلراید، پلی استایرن، پلی اتیلن ترفتالات جزو این دسته پلیمری هستند.

ترموست ها

ترموست ها دسته ای از پلیمرها هستند که هنگام گرم شدن و قالب گیری، معمولاً از طریق فرآیندی به نام کراس لینک (پیوند متقابل)، تحت تغییرات شیمیایی برگشت ناپذیری قرار می گیرند. بر خلاف ترموپلاستیک‌ها که با حرارت دادن نرم و انعطاف‌پذیر می‌شوند، ترموست‌ها پس از پخت به‌طور دائم سخت می‌شوند و نمی‌توان آنها را تغییر شکل داد یا بدون تخریب ذوب کرد. فرآیند پیوند متقابل یک ساختار شبکه‌ای سه بعدی را در ماتریس پلیمری ایجاد می کند که در نتیجه موادی با استحکام، دوام و مقاومت در برابر حرارت استثنایی به وجود می آورد. در نتیجه، بازیافت این دسته از پلیمرها دشوار است و برای پایداری محیط زیست مورد حمایت قرار نمی‌گیرند. چکش خواری این مواد تحت تأثیر اعمال گرما است و باعث می شود آنها در اشکال خاص و مشخصی باشند و متعاقباً پس از سرد شدن سفت و شکننده می‌شوند. پلیمرهای ترموست، از جمله رزین های اپوکسی، رزین های فنولیک و پلی یورتان ها، به دلیل خواص منحصر به فرد و ویژگی های عملکردی، در کاربردهای مختلفی در صنایع متعدد مورد استفاده قرار می گیرند. چسب‌ها، پوشش‌ها، قطعات خودرو و قطعات الکتریکی تنها برخی از کاربردهای رایج این دسته از پلیمرها هستند.

الاستومرها

الاستومرها دسته ای از پلیمرها هستند که با خاصیت ارتجاعی لاستیک مانند و توانایی بازگشت به شکل اولیه خود پس از کشیده شدن یا تغییر شکل شناخته می شوند. بر خلاف ترموپلاستیک ها و ترموست ها، الاستومرها ازدیاد طول بالایی را از خود نشان می دهند که به آنها اجازه می‌دهد بدون تغییر شکل دائمی تغییر شکل های بزرگی را متحمل شوند. این ویژگی منحصربه‌فرد به وجود زنجیره‌های پلیمری مارپیچ مانند در آن‌ها نسبت داده می‌شود که می‌توانند به راحتی کشیده شوند و در صورت حذف تنش به حالت اولیه خود بازگردند. دمای انتقال شیشه‌ای در این دسته از مواد کم تر از دمای محیط است. نئوپرن و لاستیک سیلیکونی نمونه‌هایی از الاستومرهای مصنوعی هستند. الاستومرها به دلیل خاصیت ارتجاعی، انعطاف پذیری و آب‌بندی و مهر و مومی خود، کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلفی نظیر تایرسازی،مهروموم و واشرسازی، دستکش‌های پزشکی و بخش‌های ماشین آلات، خودرو، هوافضا دارند.

علاوه بر این سه دسته‌ اصلی، پلیمرهای مصنوعی را در دسته‌بندی‌هایی نظیر پلیمرهای مهندسی، پلیمرهای زیست تخریب پذیر، فلوروپلیمرها، الیاف مصنوعی و ... نیز دسته بندی می‌کنند. با این حال دسته‌های اصلی پلیمرهای مصنوعی اکثر طبقه‌بندی‌های پلیمری را پوشش می‌دهند. جهت درک بهتر تنوع و پیچیدگی پلیمرهای مصنوعی تحقیقات و نوآوری‌های مداوم در علم پلیمر ممکن است دسته‌بندی‌های جدیدی را کشف کند یا طبقه‌بندی‌های موجود را اصلاح کند.