پلیمرهای اولیه

پلیمرها پیش‌تر از آنچه که ما به کره‌ی خاکی قدم بگذاریم، وجود داشته‌اند. در واقع سن پلیمرها به اندازه ی سن خود حیات می باشد، چرا که همه ی انواع حیات روی زمین بر پایه ی سه نوع پلیمر به نام های DNA و RNA و پروتئین‌ها می‌باشند. اما این صفحه در مورد برخی از اولین پلیمرهای مصنوعی می‌باشد، یعنی پلیمرهایی که توسط بشر ساخته شده‌اند، به خصوص مشتقات نوعی پلیمر طبیعی به نام سلولز.

البته اولین پلیمر مصنوعی، چرم بود، یک پلیمر طبیعی اصلاح شده، یک شکل شبکه‌ای شده‌ی مصنوعی از پروتئین‌های یافت شده در پوست حیوانات. دباغی کردن چرم هزاران سال پیش کشف شده است. اما این صفحه راجع به پلیمرهای مصنوعی است که کمی بعد‌تر آمدند. این پلیمرها مشتقات یک پلیمر طبیعی به نام سلولز هستند. این مواد، جایگاه ویژه‌ای را در تاریخ پلیمر به خود اختصاص داده‌اند، زیرا ابداع آنها به روش‌های مختلف، سرآغاز یک انفجار در اختراع پلیمرهای مصنوعی بود که تا به امروز هم ادامه دارد.

مشتقات سلولز انواعی از سلولز هستند، پلیمری که در چوب، پنبه و کاغذ که اصلاح شیمیایی شده، یافت می‌شود. برای اولین بار دانشمندان در نیمه‌ی دوم قرن نوزدهم شروع به ساخت این مواد کردند، یعنی خیلی قبل از اینکه حتی بدانیم که پلیمر، واقعاً چیست.

نیترات‌سلولز

یکی از مشتقات اولیه‌ی سلولز هنگامی به وجود آمد که یک دانشمند، سلولز را در شکل پنبه با اسید‌نیتریک وارد واکنش کرد. نتیجه ، نیترات‌سلولز بود.

نیترات‌سلولز که پنبه‌ی آتشین نیز نامیده می‌شود، تبدیل به یک ماده منفجره قوی شد. خیلی زود، این ماده به عنوان یک ماده منفجره جایگزین باروت رایج در مهمات برای تفنگ‌ها و توپخانه‌ها گشت. این ماده آنقدر خوب کار کرد که در جنگ جهانی اول، قادر به کشتن ۱۰ میلیون نفر در ظرف تنها ۴ سال شد.

با یک نگاه بی طرفانه به نیترات‌سلولز، این ماده برای اهدف صلح‌دوستانه هم به کار رفته است. در آن زمان، خطر انقراض فیل‌های آفریقا به دلیل مصرف عاجشان در توپ‌های بیلیارد به وجود آمد. نیترات‌سلولز یک ماده گرمانرم نیز می‌باشد و به سرعت برای ساخت توپ‌ها برای سالن‌های بیلیارد جهان به کار برده شد. تنها مشکلی که هر از چند گاهی اتفاق می‌افتاد این بود که این توپ‌ها هنگام شکستن، منفجر می‌شدند.

همچنین نیترات‌سلولز،‌ برای ساخت اولین مواد کامپوزیتی حاوی پلیمر، یعنی شیشه‌ی ایمنی، به کار رفت. این شیشه، به صورت یک ساندویچ بود که از ورقه‌های نیترات‌سلولز بین دو لایه از شیشه، ساخته شده بود. وقتی شیشه می‌شکست نیترات‌سلولز،‌ آن را به هم پیوسته نگاه می‌داشت. این برای شیشه‌ی جلوی اتومبیل واقعاً عالی بود. در حین تصادف، شیشه باز هم می‌شکست، اما تکه‌های شکسته‌ی آن به جای پرتاب شدن به صورت مسافرین، چسبیده به نیترات‌سلولز باقی می‌ماندند.

استات‌سلولز

اگر واکنش سلولز با نیتریک‌اسید، نیترات‌سلولز بدهد، منطقی است که از واکنش سلولز با استیک‌اسید، استات‌سلولز به دست می‌آوریم. این ماده به عنوان لیف به کار می‌رود. لیف استات‌سلولز برای ساخت البسه به کار می‌رود. به عنوان یک گرمانرم، این ماده برای فیلم عکاسی نیز استفاده می‌شود. قبل از آن، نیترات‌سلولز در همین کاربرد به کار می‌رفت، اما وجود همزمان نیترات‌سلولز آتش‌گیر ولامپ‌های داغ نورافکن سینما در کنار هم، منجر به آتش‌سوزی بسیاری از سالن‌های سینما شد. استات‌سلولز موفق شد تا از سالن‌های سینما در برابر آتش‌سوزی محافظت نموده، و فیلم‌های قدیمی را برای زمان طولانی‌تری نگه دارد. امروزه فیلم‌های پلی‌استری جدید جایگزین فیلم‌های سلولزی قدیمی شده‌اند.

رایون

اجازه بدهید درهمین ابتدا یک چیز را روشن کنیم. نام «رایون» برای بسیاری از پلیمرها استفاده شده است، اما امروزه هنگامی که در مورد رایون صحبت می‌کنیم، معمولاً راجع به زانتات‌سلولز سخن می‌گوییم. این ماده به عنوان لیف برای تهیه‌ی لباس‌های رایونی مثل پیراهن‌های آستین کوتاه طرح دار استفاده می‌شود. در واقع رایون اصلی، همان نیترات‌سلولز بود اما به دلیل آتش‌گیر بودن، خیلی زود توسط استات‌سلولز و زانتات‌سلولز در الیاف جایگزین شد.

حالا ممکن است بپرسید، با توجه به این که خود سلولز، الیاف شگفت‌انگیزی می‌سازد چرا هنگام تهیه‌ی الیاف باید آن را اصلاح نمود؟ رشته‌های سلولزی که الیاف سلولز را تشکیل می‌دهند، کرک و پرز دارند. البته این امر مشکلی ندارد. اما از طرف دیگر، ابریشم، رشته‌های صاف و همواری دارد که سبب می‌شود پارچه‌های ابریشمی براق به نظر برسند. وقتی کشف کردند که الیاف نیترات‌سلولز هم صاف هستند و می‌توانند برای ساخت لباس‌هایی با درخشش ابریشم به کار برده شوند، مشتقات سلولز تبدیل به یک جایگزین ارزان برای ابریشم گران‌قیمت شدند.

پروتئین‌ها

پروتئین‌ها یکی از انواع مختلف پلیمرهای طبیعی می‌باشند، و از تنوع فوق‌العاده‌ای برخوردارند. هر کاری را که بگویید، پروتئین‌ها آن را انجام می‌دهند. اما پروتئین‌ها قادر به انجام چه کارهایی هستند؟ بهتر است بپرسید چه کاری را نمی توانند انجام دهند! آنها می‌توانند کاتالیزور باشند. برخی پروتئین‌ها، که آنزیم نامیده می‌شوند، موجب می‌شوند برخی واکنش‌های شیمیایی در بدن شما تا یک میلیون برابر سریع‌تر از حالت بدون حضور آنها انجام گیرند. پروتئینی به نام هموگلوبین در خون شما وجود دارد که اکسیژن را از شُش‌ها به سلول‌های بدن منتقل می‌کنند. پروتئین دیگری به نام کلاژن ماده ای محکم و با دوام است که پوست و ناخن‌های شما را می‌سازد و به اعضای داخلی بدن شما کمک می‌کند تا در سر جای خود باقی بمانند.

یک پروتئین، پلی‌آمیدی است که در طبیعت یافت می‌شود. پلی آمید، پلیمری است که حاوی گروه آمید در زنجیر اصلی خود می‌باشد. 

گروه R که در بین گروه های آمیدی قرار دارد، هر چیزی می تواند باشد؛ ولی در پروتئین ها، R یک تک اتم کربن می باشد که دو گروه جانبی به آن متصل است. همواره یکی از گروه های جانبی، یک اتم هیدروژن است. گروه دیگر چیزهای زیادی می تواند باشد.

بیست نوع آمینو اسید مختلف وجود دارد. 

نخ ابریشمی هم پروتئین است. نخ ابریشمی چنان ماده‌ی خوبی است که دانشمندان سعی کردند، نخ ابریشمی مصنوعی تولید کنند. آنها تلاش کردند که پلی‌آمیدهای مصنوعی بسازند، و موفق به انجام این کار هم شدند. پلی‌آمیدهای مصنوعی، نایلون نامیده می‌شوند.

02432464407-9

پلی‌وینیل‌پیرولیدون

پلی‌وینیل‌پیرولیدون در خیلی جاها یافت می شود که انتظار یافتن پلیمر در آنجا نمی رود. برای مثال پلی وینیل‌پیرولیدون جزء اصلی اولین اسپری های حالت دهنده ی مو است، که در دهه ی ۱۹۵۰ بسیار رایج بود.

این پلیمر به عنوان اسپری مو به کار می رفت، چون در آب حل می شود. یعنی هنگام شستن مو، می توانستید آن را با آب بشویید و پاک کنید. اما تمایل آن به آب یک مشکل هم محسوب می شود. چرا که پلی وینیل پیرولیدون تمایل دارد رطوبت را از هوا جذب کند، و این امر سبب می شد موها ظاهری چسبناک داشته باشند، چیزی که در دهه ی ۶۰ بسیار مد بود.

این مشکل با کمک یک پلیمر دیگر برطرف شد، یک سیلیکون که پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان نامیده می‌شود. برای فهمیدن اینکه چطور با این سیلیکون اسپری موی بهتری به دست آمد، نخست بهتر است بفهمیم که اسپری مو چگونه عمل می‌کند. وقتی شما پلی‌وینیل‌پیرولیدون را اسپری می‌کنید، یک پوشش نازک روی مو ایجاد می‌شود. این پوشش سفت است و مو را از حرکت به اطراف باز می‌دارد.

حالا به یاد بیاوریدکه بیشتر اوقات دو نوع پلیمر مختلف مخلوط نمی‌شوند، بنابراین اگر ما مقداری سیلیکون در اسپری مو قرار دهیم، سیلیکون و پلی‌وینیل زمانی که روی مو هستند دچار جدایی فاز می‌شوند. 

سیلیکون یک لایه روی لایه‌ی پلی‌وینیل پیرولیدون ایجاد می‌کند که اجازه نفوذ آب را نمی‌دهد. بنابراین مو طبیعی‌تر به نظر می‌رسد.

ولی این تمام چیزی نیست که پلی‌وینیل‌پیرولیدون می‌تواند انجام دهد. پلی‌وینیل‌پیرولیدون در چسبی که تخته‌های چند لایه را به هم می‌چسباند نیز به کار می‌رود. ولی اگر کاربرد جالب‌تری هم دارد که واقعاً می‌تواند زندگی‌های بسیاری را نجات دهد. زمانی در نیمه اول قرن بیستم، پزشکان فهمیده بودند به بیماری که خون زیادی از دست داده می‌توان پلاسمای خون داد، و پلاسما کمک می‌کند بیمار تا زمانی که خون کامل تهیه شود زنده بماند. ولی بعضی وقت‌ها، مثل زمان جنگ، حتی یافتن پلاسمای خون نیز مشکل است و دانشمندان به دنبال راهی بودند تا بتوانند کاری ‌کنند که پلاسما بیشتر شود. در طول جنگ جهانی دوم و جنگ کره، پلاسمای خون با پلی‌وینیل پیرولیدون رقیق می‌شد، بنابراین زخمی‌های بیشتری می‌توانستند با ذخیره‌ی محدود پلاسمای خون، مداوا شوند.

02432464407-9

پلی وینیلیدین فلوراید

پلی(وینیلیدین فلوراید)، یا PVDF، چند ویژگی دارد که در برخی مصارف مزیت خاصی بدان می بخشد. این پلیمر، مقاومت الکتریکی بسیار بالایی داشته و در برابر شعله نیز به خوبی مقاوم است. با کنار هم قرار دادن همین دو خاصیت، به نظر می رسد که این پلیمر می تواند ماده ی مناسبی برای عایق کاری سیم های الکتریکی باشد؛ خصوصاً سیم هایی که درحین مصرف، داغ می شوند. از این رو، شما می بینید که این ماده برای عایق کاری سیم های رایانه ای که با آن کار می کنید نیز به کار رفته است. کابل های الکتریکی هواپیما هم با PVDF عایق شده اند، جایی که تقریباً همه ی قطعات روی مدارهای الکتریکی باید ضد آتش باشند. ضمناً این ماده از نظر شیمیایی هم مقاوم است، و به همین دلیل، می بینیم که در صنایع شیمیایی، PVDF به منظور تولید لوله ها و بطری ها و ظروف نگهداری مواد شیمیایی به کار می رود. رفتار آن در برابر تابش اشعه ی ماوراء بنفش چگونه است؟ PVDF در برابر آن هم مقاوم است. PVDF اغلب برای افزایش مقاومت پلی(متیل متاکریلات) در مقابل اشعه ماوراء بنفش، با آن آلیاژ می شود. PMMA در اثر اشعه ماوراء بنفش، تخریب می شود، به همین دلیل اگر بخواهیم پنجره هایی برای بیرون ساختمان از جنس PMMA بسازیم، باید آن را با PVDF آلیاژ کنیم.

نکته ی جالب دیگری درباره ی PVDF این است که ماده ای پیزوالکتریک است. بدین معنی که وقتی در یک میدان الکتریکی قرار گیرد، شکل خود را تغییر می دهد. از آنجایی که فلوئور بسیار الکترونگاتیوتر از کربن است، اتم های فلوئور، الکترون ها را از اتم های کربنی که به آنها متصل اند، به سمت خود می کشند. این پدیده، بدین معنی است که گروه های – CF2 – در زنجیر، به خاطر وجود بار جزیی منفی روی اتم های فلوئور و بار جزیی مثبت روی اتم های کربن، بسیار قطبی خواهند بود. بنابراین با قرار گرفتن در یک میدان الکتریکی، گروه های قطبی – CF2 – که می خواهند در جهت میدان آرایش یابند، حرکت می کنند و این امر موجب تغییر شکل نمونه می گردد.

حال اگر شما آن را در یک میدان الکتریکی متناوب قرار دهید، در حالی که ابتدا در جهتی، و سپس در جهت عکس آن تغییر شکل می‌دهد، نوسان خواهد کرد. این نوسان را می‌توان برای تولید صوت به کار گرفت. طرز کار بلندگوهای بسیار قوی پیزوالکتریک نیز به همین شکل است.

PVDF از طریق پلیمریزاسیون وینیلی رادیکال آزاد و از مونومر وینیلیدین فلوراید به دست می آید.

02432464407-9

پلی‌ وینیل کلراید

پلی‌(وینیل کلراید) پلاستیکی است که در مغازه های لوازم ساختمانی، به عنوان PVC شناخته می شود. PVC است که لوله های پلیکا از آن ساخته می شوند . لوله های PVC در همه جا استفاده می شوند. اما PVC کاربردهای بیشتری دارد. پوشش های ساختمانی “وینیلی” که در خانه ها استفاده می شوند،از پلی(وینیل‌کلراید)ساخته شده اند. در داخل خانه، از PVC برای ساخت کف پوش استفاده می‌شود. در دهه ی هفتاد، اغلب برای ساختن باربندهای وینیلی ماشین ها از  استفاده می شد.

PVC مفید است، چون در برابر دو چیز که از هم متنفرند مقاومت می‌کند: آب و آتش. به دلیل مقاومت در برابر آب، از آن برای ساختن بارانی، پرده های حمام و لوله های آب استفاده می شود. هم چنین به علت داشتن کلر، در برابر شعله مقاوم است. اگر سعی کنید آن را بسوزانید، اتم های کلر آزاد می شوند و از احتراق جلوگیری می کنند.

از لحاظ ساختاری، PVC یک پلیمر وینیلی است، شبیه پلی اتیلن. اما به طور یک در میان روی اتم کربن در زنجیر اصلی، یکی از اتم های هیدروژن با یک اتم کلر جایگزین شده است. این پلیمر از پلیمریزاسیون رادیکال آزاد وینیل کلراید تهیه می شود.

PVC یکی از آن اکتشافات عجیبی بود که در اصل دو بار رخ داد. حدود صد سال پیش، تعدادی از مدیران شرکت های آلمانی تصمیم گرفتند که با فروش وسایل روشنایی خانگی، از نوع چراغ هایی که با گاز استیلن روشن می‌شوند، پول زیادی به دست آورند. درست زمانی که آنها چندین تن استیلن برای فروش به کسانی که می‌خواستند لامپ هایشان را بخرند، تولید کرده بودند، ژنراتورهای الکتریکی جدید و کارآمد، پیشرفت کردند و قیمت روشنایی الکتریکی را آن‌قدر کاهش دادند که تجارت لامپ های استیلن خاتمه یافت. این امر باعث شد تا مقدار زیادی استیلن روی هم انبار شود.

بنابراین در سال ۱۹۱۲ یک شیمی دان آلمانی، به نام فریتز کلات ( Fritz Klatte ) تصمیم گرفت روی استیلن کار کند، و آن را با هیدرو کلریک اسید ( HCI ) واکنش داد. در این واکنش، وینیل کلراید تولید شد، ولی در آن زمان کسی نمی دانست با آن چه کار کند، پس او آن را روی قفسه گذاشت، جایی که با گذشت زمان وینیل کلرید پلیمریزه شد. او بدون اینکه بداند با PVC چه کار کند، آن را اختراع کرد. او با کارفرمایان شرکتش، یعنی گرایشایم الکترون ( Greisheim Electron )، که حق اختراع آن ماده را در آلمان ثبت کرده بودند، صحبت کرد. آنها هرگز نتوانستند یک مورد استفاده برای PVC پیدا کنند و در سال ۱۹۲۵ حق اختراع آنها منقضی شد.

سال ها بعد در سال ۱۹۲۶، یک شیمیدان آمریکایی به نام والدو سمو ( Waldo Semo )، که در B.F. Goodrich کار می‌کرد، به طور مستقل PVC را اختراع کرد. برخلاف شیمیدان های قبلی، او فهمید که از این ماده ی جدید، پرده ی حمام خوبی ساخته می شود. او و رئیسش در گودریچ حق اختراع PVC را در ایالات متحده ثبت کردند (ظاهراً رؤسای کالات هرگز برای ثبت PVC در خارج از آلمان اقدامی نکردند). پس از آن مصارف جدید بسیاری برای این ماده ی ضد آب شگفت انگیز کشف شد، و این بار PVC به یک موفقیت بزرگ تبدیل شد.

02432464407-9