پلی‌ایمیدها

پلی‌ایمیدها گروه بسیار جالبی از پلیمرهایی هستند که به طور باور نکردنی محکم هستند و به طور حیرت‌آوری در برابر حرارت و مواد شیمیایی مقاوم می‌باشند. استحکام و مقاومت حرارتی و شیمیایی آنها آن قدر زیاد است که اغلب در بسیاری از کاربردهای دشوار صنعتی، جایگزین شیشه و فلزاتی مانند فولاد می‌شوند. پلی‌ایمیدها حتی در بسیاری از کاربردهای روزمره نیز به کار می‌روند. پلی‌ایمیدها در شمع و شاسی برخی از اتومبیل‌ها، و نیز برخی قسمت‌های داخل شاسی استفاده می‌شوند، زیرا این مواد می‌توانند گرمای زیاد، و خوردگی شدید ناشی از گریس‌ها و روان‌کننده ها، سوخت‌ها، و مایعات داخل رادیاتور را که مورد نیاز ماشین می‌باشند، تحمل کنند. این مواد به دلیل پایداری حرارتی، مقاومت در برابر روغن‌ها، گریس‌ها، و چربی‌ها، و نیز شفافیت در برابر اشعه ماکروویو، در ساخت بسیاری از وسایل و نیز ظروف مورد استفاده در دستگاه ماکروویو و بسته‌بندی غذا استفاده می‌شوند. همچنین می‌توان آنها را در بُردهای مدار، عایق‌بندی، الیاف مورد استفاده در لباس‌های ایمنی، کامپوزیت‌ها، و چسب‌ها به کار برد.

تا اینجا احتمالاً حدس زده اید که یک پلی‌ایمید، پلیمری است که حاوی یک گروه ایمید است.

پلی‌ایمیدهای هتروسیکلیک آروماتیک، نمونه ای از اکثر پلی ایمیدهای تجاری هستند، نظیر Ultem از شرکت جنرال الکتریک و Kapton از شرکت دوپونت؛ و از این رو پلی ایمیدهایی هستند که ما بیشتر با آنها سر و کار داریم. این پلیمرها چنان خواص حرارتی و مکانیکی شگفت انگیزی دارند که به جای فلزات و شیشه در بسیاری از کاربردهای با کارایی بالا در صنایع الکترونیک، خودرو و حتی هوافضا استفاده می شوند. این خواص، از نیروهای بین مولکولی قوی بین زنجیرهای پلیمری نشأت می گیرد.

پلیمری که حاوی یک کمپکس انتقال بار است، از دو نوع مختلف مونومر، یعنی یک دهنده و یک گیرنده، تشکیل شده است. دهنده شبیه مرد ثروتمندی است که آن قدر پول دارد که نمی‌داند با آن چه کند. این بخش از پلیمر به خاطر داشتن گروه‌های نیتروژنی، تعداد زیادی الکترون دارد که به اطراف حرکت می‌کنند. گیرنده هم مثل مهمانی است که می‌خواهد تلکه کند و گروه‌های کربونیل آن، چگالی الکترونی را به سمت خود می‌کشند. بنابراین دهنده، برخی از الکترون‌هایش را به گیرنده قرض می‌دهد، تا آنها را محکم در کنار هم نگه دارد.

کمپکس انتقال بار نه تنها بین واحدهای مجاور در زنجیر پلیمر عمل می‌کند، بلکه بین زنجیرها هم فعال است. زنجیرها از طریق جفت‌شدن دهنده‌ها و گیرنده ها، مانند نوارهای کاغذی، روی هم انباشته خواهند شد.

این کمپلس انتقال بار، زنجیرها را بسیار محکم درکنار هم نگه می‌دارد، و به آنها اجازه نمی‌دهد زیاد به اطراف حرکت کنند. وقتی چیزی نتواند در سطح مولکولی به اطراف حرکت کند، در کل ماده هم نمی‌تواند به اطراف حرکت کند، و به همین دلیل است که پلی‌ایمیدها بسیار قوی و محکم هستند.

این کمپلکس انتقال بار بسیار قوی است، ولی گاهی لازم است که پلیمر مقداری نرم تر شود تا بتوان آن را فرآیند کرد. برای این منظور، یک گروه که از بیس فنل A مشتق شده، در زنجیر قرار می دهند.

ویژگی جالب دیگر پلی‌ایمیدها که آنها را تبدیل به گزینه‌ای عالی برای استفاده در صنایع ساختمان و حمل ونقل می‌کند، سوختن آنهاست. سوختن چیزی نیست که صنعت بدان احتیاج دارد، بلکه ویژگی خوداطفایی پلی‌ایمیدهاست که سازندگان آن را دوست دارند. خوداطفایی؟ وقتی یک پلی‌ایمید آروماتیک آتش می‌گیرد، که اتفاقاً حتی آتش گرفتن آن هم مشکل است، یک زغال سطحی تشکیل می‌شود که شعله را خاموش می‌کند و آن را از رسیدن به سوخت باز می‌دارد. پس از آن کافی است که فقط آن را پاک کنید، و نتیجه مثل این است که هرگز آتشی در کار نبوده است.

02432464407-9

پلی اتر سولفون

پلی‌(اتر سولفون)‌ها یا به طور خلاصه PES ها، پلیمرهایی با کارایی بالا می باشند. رایج ترین آنها که به وسیله اتحادیه کاربید ساخته می شود، Udel نام دارد. پلی(اترسولفون)‌ها بسیار شبیه پلی کربنات ها عمل می کنند، اما مقاومت حرارتی بیشتری دارند.

پلی(اترسولفون)‌ها همچنین در برابر آب و بخار خیلی مقاوم هستند. بنابراین از آنها برای ساخت وسایلی از قبیل وسایل آشپزی یا محصولات پزشکی که باید بین هر بار استفاده استریل شوند،‌ استفاده می‌شود.

نام پلی‌(اترسولفون) از آنجا آمده است که این مواد در زنجیرهای اصلی خود گروه های اتر و سولفون دارند. پلیمرهای  دارای دمای انتقال شیشه‌ای، یا بالایی هستند، زیرا گروه های سولفون بسیار سفت هستند. در واقع، پلی(فنیلن سولفون) آن قدر سفت است که دمای انتقال شیشه‌ای ندارد! این ماده دقیقاً مانند یک تکه سنگ سخت می ماند تا زمانی که در دمای حدود C° ۵۰۰ تخریب شود.

این بد است. زیرا به این معنی است که این ماده نمی‌تواند فرآیند شود. برای فرآیندپذیر کردن آن باید زنجیرش را کمی انعطاف‌پذیر کنیم تا پلیمر در یک دمای معقول نرم شود. این کار از طریق قرار دادن گروه‌های انعطاف‌پذیر در زنجیر اصلی انجام می‌گیرد. نام این گروه‌ها اتصالات اتری است.

برای انعطاف پذیر نمودن Udel اتصالاتی را که از بیس فنول A مشتق شده اند، در زنجیر اصلی آن قرار می دهند. دقت کنید که این پلیمر دارای دو اتصال اتری در واحد تکرار شونده اش می باشد. به همین دلیل بهتر است که Udel، پلی(اتراترسولفون) نامیده شود.

این را یک اتصال بیس فنول A‌ می نامیم، چون بر پایه ی مونومر بیس فنول A‌ است. 

02432464407-9

ا

پلی‌استرها

پلی‌استرها پلیمرهایی هستند که در گذشته، یعنی دهه‌ی ۱۹۷۰، به شکل الیاف برای تولید برخی لباس‌های خاص استفاده می‌شدند. ولی از آن زمان تاکنون، کوشیده شده است تا مصارف مطلوب بیشتری برای پلی‌استرها یافته شود، نظیر بطری‌های پلاستیکی نوشابه. پس می‌بینید که پلی‌استرها می‌توانند هم به صورت پلاستیک و هم به صورت الیاف مصرف شوند. کاربرد دیگر پلی‌استرها، در بالون‌ها است. البته منظورم بالون‌های ارزانی نیست که برای بادکنک‌های آبی مصرف می‌شوند، چراکه آنها از لاستیک طبیعی ساخته شده‌اند. من درباره‌ی نوعی از بالون صحبت می‌کنم که وقتی شما در بیمارستان هستید، از آن استفاده می‌کنید. این بالون ها از نوعی فیلم پلی‌استری ساخته می‌شوند که تولید شرکت دوپونت است و مایلِر نامیده می‌شوند. این بالون ها به صورت چندلایه از مایلر و ورق آلومینیوم ساخته شده‌اند. موادی مثل این را که از دو نوع ماده تولید می شوند، کامپوزیت می نامند.

خانواده ی خاصی از پلی استرها، پلی کربنات ها هستند.

پلی استرها زنجیر اصلی هیدروکربنی دارند که حاوی اتصالات استری اسـت، نام پلی استر نیز از همین جا آمده است.

گروه‌های استری در زنجیر پلی‌استر، قطبی هستند، بدین صورت که اتم اکسیژن کربونیل تا حدی دارای بار منفی است و اتم کربن کربونیل هم مقدار کمی بار مثبت دارد. بارهای مثبت و منفی متعلق به گروه‌های استری مختلف، یکدیگر را جذب می‌کنند. این پدیده به گروه‌های استری زنجیرهای نزدیک به هم اجازه می‌دهد که به صورت بلور به خط شوند، و به همین خاطر است که پلی‌استرها می‌توانند الیاف محکمی تشکیل دهند.

مخترعی که برای نخستین بار چگونگی ساخت بطری از PET را کشف کرد، ناتانیل وایس (Weyth Nathaniel) بود. با وجود این، افراد دیگری نیز پیش از او، برای انجام چنین کاری سعی کرده بودند. 

الآن، مطمئنم که همه‌ی افراد خواننده‌ی این متن بی صبرانه منتظر پاسخ دو سؤال هستند: سؤال اول این است:

چرا نمی‌توان بطری‌های پلاستیکی آب معدنی را به فروشنده بازگرداند و بابت هر بطری گرویی آن را گرفت؟ مانند کاری که با بطری‌های شیشه‌ای قدیمی انجام می‌دادیم.

و سؤال دوم که مطمئنم برای همه جالب است این است:

چرا کره‌ی بادام زمینی در ظروف نشکن ریخته می‌شود، ولی ژله در این ظروف به فروش نمی‌رسد؟

این دو سؤالِ میخ‌کوب‌کننده، همان طور که به نظر می‌آید، پاسخ یکسانی دارند. پاسخ این است که دمای انتقال شیشه‌ای PET ، یعنی دمایی که در آن PET نرم می‌شود، بسیار پایین است. استفاده‌ی مجدد از یک بطری نوشیدنی غیر الکلی نیازمند استریلیزه کردن آن پیش از مصرف دوباره است و این به معنی شسـتشوی بطری در دماهای واقعاً بالا است؛ دماهایی که برای PET، بسـیار بالا محسوب می‌شود. پر کردن ظرف ژله هم در دمای بالا صورت می گیرد. در کارخانه ژله سازی هم ماده به صورت داغ وارد ظرف می شود؛ یعنی در دماهایی که می تواند موجب نرم شدن PET گردد. ازاین رو PET برای مصرف به عنوان ظروف ژله به هیچ وجه مناسب نیست.

PEN راه حل این مشکل است!

نوع جدیدی از پلی­ استر وجود دارد که دقیقاً همان ماده‌ی مورد نیاز برای ظروف ژله و بطری‌های قابل‌بازیافت است. این ماده، پلی(اتیلن نفتالات)، یا PEN است.

دمای انتقال شیشه‌ای بالاتری نسبت به  دارد. این دما، دمایی است که در آن یک پلیمر نرم می شود. دمای انتقال شیشه‌ای  به اندازه ی کافی بالا هست که بتواند حرارت مربوط به هر دو مورد را تحمل کند؛ حرارت شستشوی بطری در حال استریلیزه شدن، و نیز حرارت ژله ی توت فرنگی داغ.  آن قدر در تحمل حرارت، خوب است که حتی لازم نیست تمام بطری را از آن بسازید. تنها مخلوط کردن مقداری  با  قدیمی، نوعی بطری به دست می دهد که حرارت را بسیار بهتر از  ساده ی قدیمی تحمل می کند.

حال چگونه پلی استرها را تولید می‌کنند؟

در مجتمع‌های عظیم تولید پلی‌استر، معمولاً کار را با ماده‌ای به نام دی متیل‌ترفتالات شروع می‌کنند. این ماده با اتیلن گلیکول واکنش می دهد؛ واکنشی که تبادل استری نامیده می‌شود. محصول واکنش، بیس-(۲-هیدروکسی‌اتیل)ترفتالات و متانول است. اما اگر دمای واکنش را به حدود C° ۲۱۰ برسانیم، متانول می‌جوشد و دیگر لازم نیست که نگران آن باشیم.

سپس، بیس-(۲-هیدروکسی اتیل)ترفتالات تا دمای بالایی حدود C° ۲۷۰ حرارت داده می شود، و واکنش می دهد تا پلی(اتیلن ترفتالات) تولید گردد. در این واکنش به طرز عجیبی اتیلن گلیکول به عنوان محصول جانبی به دست می آید. جالب است، ما با اتیلن گلیکول شروع کرده بودیم.

ولی در آزمایشگاه، PET از طریق واکنش های دیگری به دست می‌آید. ترفتالیک اسید و اتیلن گلیکول، هنگامی که همراه با کاتالیزوری اسیدی حرارت داده شوند، قادرند برای تولید PET پلیمریزه شوند. این امکان هم وجود دارد که با واکنــش ترفتویل کلراید و اتیلن‌گلیکول بتوان به PET دست یافت. این واکنـش ساده تر است، ولی تِرِفتویل کلرید از ترفتالیک اسید گران تر، و بسیار خطرناک تر است.

دو نوع پلی اسـتر دیگـر در بازار موجودند که با PET رابطـه دارنـد. این دو، پلی(بوتیلن ترفتالات)(PBT) و پلی(تری متیلن ترفتالات) هستند. اینها هم برای تهیه ی پلیمرهایی همانند PET به کار می روند، با این حال در برخی موارد، عملکرد بهتری از خود نشان می دهند.

02432464407-9

پلی‌سیانوآکریلات‌ها

یکی از مفیدترین خاصیت‌های پلی‌سیانوآکریلات‌ها این است که چسب‌های خیلی خوبی هستند؛ در حقیقت آن قدر خوب که در چسب‌های قطره‌ای از آن‌ها استفاده می‌شود و حتی پوست را هم می‌توانند به هم بچسبانند.

شما ممکن است بپرسید، چرا پلی‌سیانوآکریلات‌ها چسب‌هایی با این قدرت تولید می‌کنند. بخشی به این خاطر است که آنها خیلی سریع خشک می‌شوند. چسب قطره‌ای که شما از مغازه می‌خرید، اصلاً پلی‌سیانوآکریلات ندارد. بلکه لوله‌ی چسب پر از مونومر سیانوآکریلات است.

وقتی شما این مونومر را روی آنچه که می خواهید بچسبانید، می ریزید، به روش پلیمریزاسیون وینیلی آنیونی پلیمریزه می شود.  آب موجود در هوا یا مقدار ناچیز رطوبت در سطحی که می خواهید بچسبانید، به عنوان شروع کننده عمل می کند.

این پلیمریزاسیون درعرض چند ثانیه انجام می‌شود و یک پلی‌سیانوآکریلات به دست می‌آید. 

پلی‌سیانوآکریلات‌ها یک خاصیت مفید دیگر نیز دارند. آنها سمی نیستند. آنها پوست را به هم می‌چسبانند و به علاوه سمی هم نیستند. شما با چیزی با این خاصیت چه کار می‌توانید بکنید؟ چه طور است به جای سوزن و نخ بخیه، برای بستن زخم‌ها از آن استفاده کنیم؟ برخی از پزشکان نیز در تلاشند تا از پلی‌سیانوآکریلات‌ها به عنوان چسب برای ترمیم بخش‌های مردمک چشم، مثل قرنیه و شبکیه، استفاده کنند. به علاوه برخی در حال آزمودن فیلم‌های نازک پلی‌سیانوآکریلات هستند تا از آنها به عنوان پوست مصنوعی برای پیوند پوست در درمان سوختگی‌های شدید بهره ببرند.

معمولاً برای استفاده‌های پزشکی ما از سیانوآکریلات‌های با گروه‌های آلکیل‌استر بلندتر از آنچه در چسب قطره‌ای بود، استفاده می‌کنیم. یک مثال خوب، پلی‌(اکتیل‌سیانوآکریلات) است. علت این است که پلی‌سیانوآکریلات‌ها با گروه‌های آلکیل کوتاه، مثل گروه‌های متیل، می‌توانند بافت‌ها را تحریک کنند. اما پلیمرهای با زنجیر بلند این مشکل را ندارند.

02432464407-9

پلی‌کربنات

پلی‌کربنات یا به طور خاص پلی‌کربنات بیس‌فنول ‌A، یک پلاستیک شفاف برای ساخت شیشه‌های نشکن، شیشه‌ی سبک عینک و چیزهایی از این دست است. این ماده را شرکت جنرال الکتریک می‌سازد و آن را تحت نام لِکسان به فروش می‌رساند.

پلی کربنات نام خود را از گروه کربنات موجود در زنجیر اصلی اش می‌گیرد. ما آن را پلی کربنات بیس فنول A می نامیم، چون از بیس فنول A و فسژن ساخته شده است. تولید این ماده با واکنش میان بیس فنول A و هیدروکسید سدیم برای به دست آوردن نمک سدیم بیس فنول A آغاز می شود.

سپس نمک سدیم بیس فنول A با فسژن –ترکیبی واقعاً تهوع آور که در جنگ جهانی اول یک سلاح شیمیایی مطلوب بود– واکنش می‌دهد تا پلی کربنات تولید کند.

پلیمر دیگری که برای ساخت شیشه‌های نشکن به کار می‌رود پلی‌(متیل متاکریلات) است.

نگاهی شفاف‌تر به پلی‌کربناتی دیگر

تا اینجا ما فقط راجع به یک پلی کربنات صحبت کرده ایم، پلی‌کربنات بیس فنول A. اما پلی کربنات دیگری نیز وجود دارد که برخی از ما همیشه به آن نگاه می‌کنیم. در واقع بعضی از ما، هرگز بدون کمک این پلی‌کربنات به چیزی نگاه نمی‌کنیم. این پلی کربنات ماده‌ای است که در ساخت عدسی های بسیار سبک عینک به کار می‌رود. برای انسان هایی با بینایی بسیار ضعیف، اگر جنس عدسی عینک از شیشه بود، آن قدر ضخیم می‌شد که برای استفاده بسیار سنگین بود. اما پلی‌کربنات همه چیز را تغییر داده است. نه تنها بسیار سبک تر از شیشه است، بلکه ضریب شکست بسیار بالاتری نیز دارد. یعنی نور را بیشتر از شیشه خم می‌کند. بنابراین لازم نیست عینک خیلی قطور باشد.

می توانید ببینید که مونومر فوق در دو انتهای خود دارای دو گروه آلیلی است. این گروه‌های آلیلی دارای پیوند دوگانه کربن-کربن هستند. یعنی آنها می‌توانند از طریق پلیمریزاسیون وینیلی رادیکال آزاد، پلیمریزه شوند. البته درهر مونومر دو گروه آلیل وجود دارد. هر کدام از این دو گروه آلیلی، جزیی از یک زنجیر پلیمری متفاوت خواهند شد. از این طریق همه‌ی زنجیرها به هم متصل خواهند شد و ماده‌ای شبکه‌ای، مانند شکل زیر می‌سازند:

بین دو نوع پلی‌کربناتی که به آنها پرداختیم یک تفاوت اساسی وجود دارد. پلی‌کربنات بیس‌فنولA یک گرمانرم است. یعنی زمانی که داغ است می‌تواند قالب‌گیری شود. اما پلی‌کربناتی که در عدسی عینک‌ها به کار می‌رود یک گرماسخت است. ترموست‌ها ذوب نمی‌شوند و نمی‌توان آنها را مجدداً قالب‌گیری کرد. از آنها برای ساختن مواد واقعاً محکم و مقاوم در برابر گرما استفاده می‌شود.

پلیمرهای دیگری که به عنوان پلاستیک استفاده می‌شوند، عبارتند از:

پلی‌اتیلن پلی‌پروپلین پلی‌استایرن پلی‌استر پی وی سی نایلون پلی‌(متیل متاکریلات)

پلیمرهای دیگری که به عنوان گرماسخت استفاده می‌شوند، عبارتند از:

رزین‌های اپوکسی پلی‌ایمیدها پلی‌دی سیکلو پنتا دی اِن

02432464407-9