پلیمریزاسیون چیست و انواع آن

پلیمریزاسیون چیست؟

پلیمریزاسیون بر مبنای آگاهی از ساختار علم پلیمرها و واکنش‌های پلیمری است که در بسیاری از مواقع به دلیل پیچیدگی رفتار پلیمرها، این مواد تولیدی در آزمایشگاه، درمقیاس صنعتی قابل تولید نیستند. در واقع خواص یک پلیمر به ترکیبات شیمیایی، توزیع وزن مولکولی، توزیع ترکیب درصد کوپلیمر، توزیع شاخه و عوامل دیگر بستگی دارد. یک مونومر، بسته به مکانیسم پلیمریزاسیون و نوع راکتور، می‌تواند به پلیمرهای کاملاً متفاوتی تبدیل شود. برای تولید مواد پلیمری در مقیاس‌های مختلف صنعتی، علاوه بر اطلاع از شیمی پلیمرها، تسلط بر علوم مختلفی ازجمله سینتیک واکنش‌های شیمیایی، ترمودینامیک، پدیده‌های انتقال و بالاخره طراحی راکتورهای شیمیایی ضروری است.

3 نوع پلیمریزاسیون

  • پلیمریزاسیون افزایشی
  • پلیمریزاسیون تراکمی
  • پلیمریزاسیون اشتراکی (کوپلیمریزاسیون)
انواع پلیمریزاسیون

پلیمریزاسیون افزایشی

در این نوع پلیمریزاسیون، از ترکیباتی که بند دوگانه (C ═ C) دارند، پلیمر می‌سازند.

C2H4 → (─ C2H4 ─)n

تولید پلی‌اتیلن از اتیلن که در این واکنش، اتیلن در اثر حرارت به پلی‌اتیلن تبدیل می‌شود. جرم مولکولی پلی‌اتیلن بین 1000 تا 20000 می‌تواند متفاوت باشد. یعنی برحسب شرایط، درجه پلیمریزاسیون یعنی همان n مولکول پلیمر را می‌توان کم یا زیاد کرد.

n(CH2 ─ CHCN) → (─ CH2 ─ CHCN─)n

آکریلان که از مشتقات اتیلن است. مونومر این پلیمر، سیانید ونیل (آکریکونیتریل) است

CH2 ═ CHCl → (─ CH2 ─ CHCl)n

پلی وینیل کلراید یا PVC نیز از پلیمریزاسیون کلرید وینیل CH2 ═ CHCl به وجود می‌آید.

CH2 ═ C (CH3) ─ CH ─ CH2
CH2 ═ C (CH3) ─ CH ─ CH2 → (─ CH2 ─ C CH3 ═ CH ─ CH3)n
کائوچو بر دو نوع کائوچوی طبیعی و مصنوعی

پلیمریزاسیون تراکمی

اگر در یک پلیمریزاسیون، براثر واکنش مونومرها باهم، مولکول‌های کوچکی مثل H2O و NH3 و … خارج شوند، این نوع پلیمریزاسیون را تراکمی می‌نامند. مثل پلمیریزاسیون گلوکز در تولید نشاسته و سلولز که منجر به خارج شدن آب می‌گردد و یا مثل به وجود آمدن نایلون که مانند مواد پروتئینی یک پلی آمید است و پلیمر شدن یک آمین دو ظرفیتی به نام هگزا متیلن دی آمین به فرمول NH2 ─ (CH2)6 ─ NH2 با یک اسید دو ظرفیتی به نام اسید آدیپیک HOOC ─ (CH2)4 ─ COOH به وجود می‌آید. در این عمل، عامل OH_ اسید از دو طرف با هیدروژن گروه آمین NH2_ تشکیل آب داده و خارج می‌شوند و باقیمانده‌های مولکول‌های آن‌ها باهم، زنجیر پلیمر را به وجود می‌آورند. به شکل زیر:

… + NH2 ─ (CH2)4 ─ NH2 ─ HOOC ─ (CH2 ─ COOH + ..

نایلون:

nH2O + (─ NH ─ (CH2)6 ─ N(H) ─ CO ─ (CH2)4 ─ CO ─)n

پلیمریزاسیون اشتراکی (کوپلیمریزاسیون)

اگر در عمل پلیمریزاسیون، 2 مونومر مختلف باهم به‌طور مشترک پلیمر شوند و یک پلیمر را به وجود آورند، آن را کوپلیمر می‌نامند. مثلاً یک نوع لاستیک وجود دارد، به نام بونا _ S که از پلیمریزاسیون دو جسم مختلف به وجود می‌آید که قسمتی از فرمول ساختمانی آن به شکل زیر است:

-CH2 ─ CH ═ CH ─ CH2 ─ CH(C6H5) ─ CH2-

در حقیقت هدف پلیمریزاسیون به دست آوردن یک پلیمر با توزیع وزن مولکولی مشخص و کنترل شده است. عواملی مانند عدم استوکیومتری، وجود محصولات جانبی و گرمای ایجاد شده از واکنش، دست‌یابی به وزن مولکولی‌های بالا را محدود می‌کنند. استفاده از راه‌های معمولی و عادی برای غلبه بر چنین محدودیت‌هایی به علت ویسکوزیته بالای سیستم‌های پلیمری سخت یا غیرممکن است. به علاوه، مدیریت انتقال حرارت و جرم در سیستم‌های بسیار ویسکوز عاملی است که مهندسی واکنش‌های پلیمری را از مهندسی واکنش‌های کوچک مولکول‌ها بسیار متمایز می‌کند.

ساختار زنجیره‌ای پلیمرها

هموپلیمر ها، ساده‌ترین مولکول‌های پلیمری، بر اساس ساختار هستند که فقط از پیوستن یک نوع مونومر تشکیل می‌شوند. در این حالت پلیمرهای تولیدی عموماً از زنجیره‌هایی با واحدهای همنام تشکیل می‌شوند. در نقطه مقابل پلیمرهایی که ساختار آن‌ها از دو یا چند مونومر مختلف تشکیل‌شده باشد کوپلیمر نامیده می‌شوند. به‌عبارت‌دیگر مونومرها هم در تولید پلیمرهای با زنجیره‌هایی دارای واحدهای همنام به کار می‌روند و هم بسیاری از آن‌ها، در حضور یکدیگر، قابلیت تولید پلیمرهایی را دارند که زنجیره‌هایی با واحدهای غیر همنام دارند. این‌گونه محصولات را کوپلیمر می‌نامند که خواص فیزیکی مکانیکی کاملاً متفاوتی با هموپلیمرها دارند. مزیت سنتز یک کوپلیمر دستیابی به خواص بهتر و بهبود یافته است.

جدول 1-2: نمونه‌هایی از کوپلیمرهای مهم تجاری
کوپلیمر تولیدیمونومرهای واکنش‌دهندهکاربردها
استایرن – آکریلونیتریل SANاستایرن و آکریلونیتریلظروف و وسایل منزل
آکریلونیتریل – بوتادی ان – استایرن ABSآکریلونیتریل، بوتادی ان، استایرناتومبیل‌سازی، چمدان، وسایل منزل
اتیلن – پروپیلن EPR,EPDMاتیلن، پروپیلنلاستیک‌های مقاوم در مقابل تخریب ازن
پلی استایرن مقاوم HIPS استرین، بوتا دیانوسایل منزل
لاستیک بیوتیل IIR, BRایزوبوتیلن و ایزویرنلاستیک‌های مقاوم در برابر نفوذ گازها
لاستیک نیتریل NBRبوتادی ان و آکریلونیتریللاستیک‌های مقاوم در برابر روغن
استایرن – بوتادی ان SBRاستایرن و بوتادی انلاستیک‌سازی

ترموپلاستیک ها (گرمانرم‌ها) و ترموست ها (گرماسخت‌ها) دو دسته از طبقه‌بندی پلیمرها است که ترموپلاستیک ها هنگام حرارت دهی ذوب و هنگام سرد کردن جامد می‌شوند؛ درحالی‌که ترموست ها هنگام حرارت دهی ذوب نمی‌شوند و در دماهای بسیار بالا، به‌صورت برگشت‌ناپذیر، تجزیه می‌شوند. ترموپلاستیک ها مولکول‌های خطی یا با شاخه‌های ک ماند ولی ترموست ها ترکیباتی با اتصالات عرضی و شبکه سه بعدی گسترده از پیوندهای شیمیایی کووالانسی هستند. و نکته دیگر اینکه در واکنش‌های زنجیره‌ای، افزایش مونومرهای وینیل به یک بنیان فعال (رادیکال آزاد) به یکی از سه روش اتصال سربه‌سر، دم‌به‌دم و سر به دم صورت می‌گیرد.

بر اساس عکس‌العمل در مقابل تنش وارده، پلیمرها را می‌توان به گروه‌های پلاستیک‌ها، الاستومرها (لاستیک‌ها)، الیاف، رزین‌ها (شامل پوشش‌ها و چسب‌ها)، فوم‌ها، کامپوزیت‌ها و آلیاژ آن‌ها تقسیم‌بندی کرد که در مطالب بعدی به‌طور کامل‌تر بررسی خواهیم کرد.