پلیمر (Polymer)

پلیمر () به عنوان ماده یا ماده‌ای متشکل از ماکرومولکول‌ها تعریف می‌شود که مولکول‌های بسیار بزرگی هستند که از زیر واحدهای تکرار شونده متعدد منشأ گرفته از یک یا چند گونه مونومر تشکیل شده‌اند. پلیمرهای مصنوعی و طبیعی هر دو در زندگی روزمره ضروری هستند و طیف وسیعی از خواص را از خود نشان می دهند. این مواد طیفی از پلاستیک های مصنوعی معمولی مانند پلی استایرن تا بیوپلیمرهای حیاتی طبیعی مانند DNA و پروتئین ها را در بر می گیرند که برای معماری و عملکرد بیولوژیکی ضروری هستند. تشکیل پلیمرهای طبیعی و مصنوعی از طریق پلیمریزاسیون چندین مولکول کوچک که به آنها مونومر گفته می شود، رخ می دهد. جرم مولکولی قابل توجه آنها، به طور قابل توجهی بیشتر از ترکیبات مولکولی کوچک، ویژگی های فیزیکی متمایزی از جمله چقرمگی استثنایی، خاصیت ارتجاعی بالا، ویسکوالاستیسیته، و تمایل به ایجاد ساختارهای آمورف و نیمه بلورین به جای اشکال کریستالی را به ارمغان می آورد.

پلیمر () ماده یا ماده‌ای است که از مولکول‌های بسیار بزرگ یا درشت مولکول‌ها تشکیل شده است که توسط زیرواحدهای تکراری زیادی که از یک یا چند گونه مونومر مشتق شده‌اند، تشکیل شده‌اند. با توجه به طیف گسترده ای از خواص، پلیمرهای مصنوعی و طبیعی هر دو نقش اساسی و همه جا را در زندگی روزمره ایفا می کنند. پلیمرها از پلاستیک های مصنوعی آشنا مانند پلی استایرن تا بیوپلیمرهای طبیعی مانند DNA و پروتئین ها که برای ساختار و عملکرد بیولوژیکی اساسی هستند، متغیر است. پلیمرها، چه طبیعی و چه مصنوعی، از طریق پلیمریزاسیون بسیاری از مولکول‌های کوچک، معروف به مونومر، ایجاد می‌شوند. در نتیجه جرم مولکولی بزرگ آنها، نسبت به ترکیبات مولکولی کوچک، خواص فیزیکی منحصر به فردی از جمله چقرمگی، خاصیت ارتجاعی بالا، ویسکوالاستیسیته، و تمایل به تشکیل ساختارهای آمورف و نیمه بلوری به جای کریستال ایجاد می‌کند.

مطالعه پلیمرها در شاخه‌های polymerrysc و polymerrysc (en) می‌باشد. بیوفیزیک و علم و مهندسی مواد. از لحاظ تاریخی، علم پلیمر عمدتاً بر مواد تشکیل شده از پیوند کووالانسی واحدهای تکراری متمرکز بود. با این حال، یک حوزه مهم تحقیقاتی معاصر به پلیمرهای فوق مولکولی اختصاص دارد که از طریق برهمکنش‌های غیرکووالانسی ایجاد می‌شوند. نمونه‌های توضیحی شامل پلی ایزوپرن، موجود در لاستیک لاتکس طبیعی، به عنوان یک پلیمر طبیعی، و پلی استایرن، مورد استفاده در استایروفوم، به عنوان یک پلیمر مصنوعی است. در سیستم های بیولوژیکی، تقریباً همه ماکرومولکول های بیولوژیکی - به ویژه پروتئین ها (پلی آمیدها)، اسیدهای نوکلئیک (پلی نوکلئوتیدها) و پلی ساکاریدها - یا کاملاً پلیمری هستند یا اساساً از ترکیبات پلیمری تشکیل شده اند.

ریشه شناسی

واژه "پلیمر" از اصطلاحات یونانی πολύς (polus) به معنی 'بسیاری، بسیار' و μέρος (meros) به معنی گرفته شده است. Jöns Jacob Berzelius این اصطلاح را در سال 1833 معرفی کرد، اگرچه تعریف اولیه او با استاندارد فعلی IUPAC متفاوت بود. درک معاصر از پلیمرها به عنوان ساختارهای درشت مولکولی مرتبط با پیوندهای کووالانسی در سال 1920 توسط هرمان استودینگر، که متعاقباً ده سال را به اثبات این فرضیه از طریق تحقیقات تجربی اختصاص داد، ارائه شد.

مثالهای رایج

پلیمرها به دو نوع اصلی طبقه بندی می شوند: طبیعی و مصنوعی، یا ساخت انسان.

پلیمرهای طبیعی

مواد پلیمری طبیعی، از جمله کنف، شلاک، کهربا، پشم، ابریشم، و لاستیک طبیعی قرن‌ها توسط انسان مورد استفاده قرار گرفته‌اند. پلیمرهای طبیعی متعدد دیگری مانند سلولز که جزء اصلی چوب و کاغذ را تشکیل می دهد، رایج است.

پلیمرهای فرازمینی

هموگلیسین، که قبلا به نام همولیتین شناخته می شد، نشان دهنده یک پلیمر فرازمینی است و به عنوان اولین پلیمر اسید آمینه کشف شده در شهاب سنگ ها شناخته می شود.

پلیمرهای مصنوعی

پلیمرهای مصنوعی، که تقریباً بر اساس تقاضای جهانی فهرست شده اند، شامل پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پلی استایرن، پلی وینیل کلراید، لاستیک مصنوعی، رزین فنل فرمالدئید (همچنین به عنوان باکلیت شناخته می شود)، نئوپرن، نایلون، پلی اکریلونیتریل، PVB، و سیلیکون، و بسیاری دیگر. تولید سالانه این پلیمرها در سال 2015 از 330 میلیون تن فراتر رفت.

به طور معمول، ستون فقرات پیوسته پلیمرهای مورد استفاده در تولید پلاستیک عمدتاً از اتم‌های کربن تشکیل شده است. پلی اتیلن (که در انگلیسی بریتانیایی به عنوان پلی اتیلن شناخته می شود)، با اتیلن به عنوان واحد تکرار شونده یا مونومر آن، به عنوان یک تصویر ساده عمل می کند. با این حال، تغییرات ساختاری متنوعی وجود دارد. به عنوان مثال، عناصری مانند سیلیکون مواد شناخته شده ای مانند سیلیکون ها را تشکیل می دهند که نمونه آن محصولاتی مانند Silly Putty و درزگیرهای لوله کشی ضد آب است. اکسیژن اغلب در ستون فقرات پلیمری ظاهر می شود، همانطور که در پلی اتیلن گلیکول، پلی ساکاریدها (از طریق پیوندهای گلیکوزیدی) و DNA (از طریق پیوندهای فسفودی استر) مشاهده شد.

سنتز

پلیمریزاسیون به عنوان فرآیند شیمیایی تعریف می‌شود که در آن تعداد زیادی مولکول کوچک که مونومر نامیده می‌شوند به هم متصل می‌شوند تا یک زنجیره یا شبکه با پیوند کووالانسی تشکیل دهند. در طی این فرآیند، گروه های شیمیایی خاصی ممکن است از تک تک مونومرها حذف شوند. نمونه ای از این پدیده در پلیمریزاسیون پلی استر PET مشاهده می شود. مونومرهای تشکیل دهنده اسید ترفتالیک (HOOC—C₆H₄—COOH) و اتیلن گلیکول (HO—CH§4_{5§—CH§67§—OH) هستند، اما واحد تکراری حاصله —OC—C§89§H§1011§—COO—CH§1213§—CH§1415§—O—، که نشان دهنده ادغام دو مونومر همراه با دفع دو مولکول آب است. بخش خاصی از هر مونومر ادغام شده در ساختار پلیمری به عنوان یک واحد تکراری یا باقیمانده مونومر نامیده می شود.}

روش‌های مصنوعی به طور کلی به دو نوع اصلی طبقه‌بندی می‌شوند: پلیمریزاسیون مرحله‌ای و پلیمریزاسیون زنجیره‌ای. تمایز اساسی بین این فرآیندها در مکانیسم ادغام مونومر نهفته است. پلیمریزاسیون زنجیره ای شامل افزودن متوالی مونومرهای منفرد به یک زنجیره در حال رشد است که نمونه آن سنتز پلی استایرن است. برعکس، پلیمریزاسیون پله‌ای رشد اجازه ترکیب مستقیم زنجیره‌های مونومر با یکدیگر را می‌دهد، همانطور که در تشکیل پلی استر مشاهده شد. پلیمریزاسیون مرحله‌ای رشد بیشتر به چند متراکم تقسیم می‌شود که با تولید محصولات جانبی با جرم مولی کم در هر مرحله واکنش و چند افزودن مشخص می‌شود.

تکنیک های نوظهور، مانند پلیمریزاسیون پلاسما، به راحتی با هیچ یک از این طبقه بندی های تثبیت شده همسو نمی شوند. واکنش های پلیمریزاسیون مصنوعی می تواند به صورت کاتالیزوری یا غیر کاتالیستی انجام شود. سنتز آزمایشگاهی پلیمرهای زیستی، به ویژه پروتئین‌ها، زمینه تحقیقاتی مهم و فعالی را تشکیل می‌دهد.

سنتز بیولوژیکی

بیوپلیمرها در درجه اول به سه دسته عمده طبقه بندی می شوند: پلی ساکاریدها، پلی پپتیدها و پلی نوکلئوتیدها. در موجودات زنده، سنتز آنها اغلب از طریق مسیرهای آنزیمی انجام می شود، به عنوان مثال، تشکیل DNA که توسط DNA پلیمراز کاتالیز می شود. سنتز پروتئین یک فرآیند پیچیده است که شامل چندین مرحله کاتالیز شده توسط آنزیم است که با رونویسی اطلاعات ژنتیکی از DNA به RNA آغاز می‌شود و سپس با ترجمه این اطلاعات برای تولید پروتئین خاصی از اسیدهای آمینه شروع می‌شود. پس از ترجمه، پروتئین ها ممکن است برای دستیابی به ساختار و عملکرد صحیح خود دستخوش تغییرات بیشتری شوند. نمونه های اضافی از بیوپلیمرها عبارتند از لاستیک، سوبرین، ملانین و لیگنین.

اصلاح پلیمرهای طبیعی

پلیمرهای طبیعی، از جمله پنبه، نشاسته، و لاستیک، سال‌ها قبل از معرفی تجاری پلیمرهای مصنوعی مانند پلی اتیلن و پرسپکس، مواد شناخته شده‌ای بودند. تعداد قابل توجهی از پلیمرهای با ارزش تجاری از طریق اصلاح شیمیایی این همتایان طبیعی تولید می شوند. موارد قابل توجه شامل واکنش اسید نیتریک با سلولز برای تولید نیتروسلولز و ایجاد لاستیک ولکانیزه با حرارت دادن لاستیک طبیعی در حضور گوگرد است. تکنیک‌های اصلاح متداول برای پلیمرها شامل اکسیداسیون، اتصال متقابل، و پوشش انتهایی است.

ساختار

ویژگی‌های ساختاری یک ماده پلیمری را می‌توان در طیف گسترده‌ای از مقیاس‌های طول، از سطح زیر نانومتری تا دامنه ماکروسکوپی، تحلیل کرد. این تجزیه و تحلیل، سازماندهی سلسله مراتبی ساختارها را نشان می دهد، که در آن هر سطح مبنایی را برای سطح بعدی ایجاد می کند. مرحله اولیه در توصیف ساختار یک پلیمر شامل شناسایی مونومرهای تشکیل دهنده آن است. پس از آن، ریزساختار آرایش فضایی این مونومرها را در یک زنجیره پلیمری مشخص می کند. این ریزساختار ظرفیت پلیمر را برای تشکیل فازهای متمایز از طریق پدیده هایی مانند کریستالیزاسیون، انتقال شیشه ای یا جداسازی میکروفاز دیکته می کند. این ویژگی‌های ساختاری ذاتی در تعریف خواص فیزیکی و شیمیایی نهایی پلیمر بسیار مهم هستند.

مونومرها و واحدهای تکرار

اصلی‌ترین و حیاتی‌ترین مشخصه یک پلیمر، هویت واحدهای تکراری تشکیل‌دهنده آن است که به‌عنوان باقی‌مانده‌های مونومر یا «مر» نیز شناخته می‌شوند. نامگذاری پلیمر معمولاً از انواع خاصی از باقیمانده های مونومر که پلیمر را تشکیل می دهند نشأت می گیرد. پلیمری که منحصراً از یک نوع واحد تکرار تشکیل شده است به عنوان هموپلیمر تعیین می‌شود، در حالی که پلیمری که دو یا چند نوع مجزا از واحدهای تکراری را در خود جای داده است به عنوان کوپلیمر طبقه‌بندی می‌شود. به طور خاص، یک ترپلیمر یک کوپلیمر متشکل از سه نوع مختلف واحد تکراری را نشان می‌دهد.

پلی استایرن، که منحصراً از واحدهای تکراری مشتق از استایرن تشکیل شده است، به عنوان هموپلیمر طبقه‌بندی می‌شود. پلی اتیلن ترفتالات، علیرغم سنتز آن از دو مونومر مجزا (اتیلن گلیکول و اسید ترفتالیک)، معمولاً به دلیل تشکیل تنها یک نوع واحد تکرار شونده، یک هموپلیمر در نظر گرفته می شود. در مقابل، اتیلن-وینیل استات، که دارای انواع مختلفی از واحدهای تکراری است، به عنوان یک کوپلیمر طبقه بندی می شود. برخی از پلیمرهای بیولوژیکی از بقایای مونومرهای متنوع و در عین حال مرتبط با ساختار تشکیل شده اند. به عنوان مثال، پلی نوکلئوتیدهایی مانند DNA از چهار نوع مجزا از زیر واحدهای نوکلئوتیدی ساخته شده اند.

پلیمری که دارای زیرواحدهای یونیزاسیون پذیر است، مانند گروه‌های کربوکسیلیک آویز، زمانی که نسبت این واحدهای قابل یونیزاسیون قابل توجه باشد، پلی الکترولیت نامیده می‌شود، یا زمانی که این کسر نسبتاً کوچک باشد، یونومر نامیده می‌شود.

یک پلیمر حاوی زیر واحدهای قابل یونیزاسیون (به عنوان مثال، گروه‌های کربوکسیلیک آویز) به عنوان پلی الکترولیت یا آینومر شناخته می‌شود، زمانی که کسر واحدهای یونیزاسیون به ترتیب بزرگ یا کوچک باشد.

ریزساختار

ریزساختار، که اغلب به عنوان پیکربندی نامیده می‌شود، آرایش فیزیکی واحدهای مونومر را در امتداد ستون فقرات زنجیره پلیمری توصیف می‌کند. تغییر این عناصر ساختاری، جدا شدن پیوندهای کووالانسی را ضروری می کند. معماری‌های پلیمری متنوعی را می‌توان سنتز کرد، مشروط به مونومرهای خاص و شرایط واکنش غالب. به عنوان مثال، یک پلیمر ممکن است شامل ماکرومولکول های خطی باشد که هر یک دارای یک زنجیره منشعب نشده است. در زمینه پلی اتیلن بدون انشعاب، این زنجیره یک n-آلکان با زنجیره بلند را تشکیل می دهد. برعکس، ماکرومولکول های شاخه دار دارای یک زنجیره اولیه با زنجیره های جانبی هستند. برای پلی اتیلن، این زنجیره های جانبی گروه های آلکیل هستند. قابل‌توجه، ماکرومولکول‌های بدون انشعاب می‌توانند حالت جامد نیمه بلوری از خود نشان دهند که بخش‌های زنجیره بلوری با رنگ قرمز در شکل همراه نشان داده شده‌اند.

اگرچه پلیمرهای شاخه‌دار و بدون انشعاب معمولاً ترموپلاستیک‌ها هستند، الاستومرهای متعددی در میان زنجیره‌های گسترده و گسترده‌ی آن‌ها مشخص می‌شوند. در مقابل، اتصال متقابل متراکم و شبکه نزدیک منجر به تشکیل ترموست می شود. پیوندهای متقاطع و شاخه ها به صورت بصری به صورت نقاط قرمز در شکل های ارائه شده نشان داده می شوند. پلیمرهای بسیار شاخه دار ساختار بی شکلی از خود نشان می دهند که در آن مولکول های داخل حالت جامد در فعل و انفعالات تصادفی شرکت می کنند.

معماری پلیمر

معماری پلیمر

یک ویژگی مهم ریزساختاری پلیمر، معماری و ساختار کلی آن است، که نشان می‌دهد چگونه نقاط انشعاب باعث انحراف از ساختار زنجیره‌ای خطی مستقیم می‌شوند. یک مولکول پلیمری منشعب اساساً از یک زنجیره اولیه تشکیل شده است که یک یا چند زنجیره جانبی یا شاخه جایگزین به آن متصل است. دسته بندی پلیمرهای شاخه دار شامل پلیمرهای ستاره ای، پلیمرهای شانه ای، برس های پلیمری، پلیمرهای دندرونیزه، پلیمرهای نردبانی و دندریمرها می شود. علاوه بر این، پلیمرهای دو بعدی (2DPs) وجود دارند که با ترکیب آنها از واحدهای تکراری مسطح توپولوژیکی مشخص می‌شوند. معماری یک پلیمر به طور قابل‌توجهی بر ویژگی‌های فیزیکی متعددی مانند ویسکوزیته محلول، ویسکوزیته مذاب، حلالیت در حلال‌های مختلف، دمای انتقال شیشه‌ای و ابعاد کویل‌های پلیمری منفرد در محلول تأثیر می‌گذارد. روش‌های مختلف مصنوعی، مانند پلیمریزاسیون زنده، می‌توانند برای تولید مواد پلیمری با آرایه‌های متنوعی از معماری‌ها استفاده شوند.

طول زنجیره

درجه پلیمریزاسیون، که تعداد واحدهای مونومر ادغام شده در یک زنجیره پلیمری را کمی می کند، به عنوان یک معیار استاندارد برای بیان طول زنجیره عمل می کند. مشابه سایر گونه های مولکولی، اندازه کلی یک پلیمر نیز می تواند با وزن مولکولی آن مشخص شود. با توجه به اینکه فرآیندهای پلیمریزاسیون مصنوعی عموماً منجر به توزیع آماری طول زنجیره می‌شوند، وزن مولکولی معمولاً به عنوان میانگین وزنی گزارش می‌شود. وزن مولکولی میانگین عددی (M_n) و وزن مولکولی میانگین وزنی (M_w) بیشترین مقادیر ذکر شده هستند. نسبت این دو کمیت (M_w / M_n) پراکندگی (Đ) را تعریف می کند، پارامتری که به طور گسترده برای مشخص کردن وسعت توزیع وزن مولکولی استفاده می شود.

خواص فیزیکی پلیمرها به شدت به طول یا به طور معادل وزن مولکولی زنجیره های تشکیل دهنده آنها بستگی دارد. یک مثال قابل توجه از پیامدهای فیزیکی وزن مولکولی، تأثیر آن بر ویسکوزیته مذاب است که نشان دهنده مقاومت در برابر جریان است. تأثیر وزن مولکولی میانگین وزن (${\displaystyle M_{w}}$) روی ویسکوزیته مذاب (${\displaystyle \eta }$) بر اساس اینکه وزن مولکولی پلیمر بالاتر یا پایین تر از آستانه درهم تنیدگی باشد، متفاوت است. هنگامی که زیر وزن مولکولی درهم تنیدگی است، ویسکوزیته به صورت 64§ {\displaystyle \eta \sim {M_{w}}^{1}} . برعکس، بالاتر از این آستانه، رابطه به ${\displaystyle \eta \sim {M_{w}}^{3.4}}$. در نتیجه، افزایش ده برابری در طول زنجیره پلیمری در رژیم درهم تنیده منجر به افزایش ویسکوزیته بیش از هزار برابر خواهد شد. علاوه بر این، طول زنجیره‌های طولانی معمولاً منجر به کاهش تحرک زنجیره، افزایش استحکام و چقرمگی و افزایش دمای انتقال شیشه‌ای (T_g) می‌شود. این اثرات ناشی از فعل و انفعالات زنجیره ای تقویت شده، مانند جاذبه ها و درهم تنیدگی های واندروالس، که با افزایش طول زنجیره تشدید می شوند. چنین فعل و انفعالاتی محکم‌تر زنجیره‌های منفرد را لنگر می‌اندازد، در نتیجه مقاومت در برابر تغییر شکل و شکست ماتریس را تحت تنش‌ها و دماهای بالا افزایش می‌دهد.

آرایی مونومر در کوپلیمرها

کوپلیمرها به چند نوع دسته بندی می شوند، از جمله کوپلیمرهای آماری، متناوب، بلوکی، پیوندی و گرادیان. نمادهای Ⓐ و Ⓑ نشان دهنده دو واحد تکرار متمایز هستند.

کوپلیمرهای متناوب با دو باقیمانده مونومر مشخص می شوند که به طور منظم متناوب می شوند که به صورت (AB)n نشان داده می شوند. یک مثال قابل توجه، کوپلیمر هم مولار استایرن و انیدرید مالئیک است که از طریق پلیمریزاسیون رشد زنجیره ای رادیکال آزاد سنتز شده است. در حالی که یک کوپلیمر پله‌ای رشد مانند نایلون 66 را می‌توان به‌عنوان یک کوپلیمر متناوب شدید از باقی‌مانده‌های دی‌آمین و دی‌اسید در نظر گرفت، اغلب به‌عنوان هموپلیمر طبقه‌بندی می‌شود که باقی‌مانده دیمری یک آمین و یک اسید به عنوان واحد تکرار آن عمل می‌کند.

• کوپلیمرهای متناوب دارای دو باقیمانده مونومر متناوب هستند: (AB)
  _n. یک مثال، کوپلیمر هم مولار استایرن و انیدرید مالئیک است که از پلیمریزاسیون زنجیره ای با رادیکال آزاد تشکیل شده است. یک کوپلیمر پله‌ای رشد مانند نایلون 66 را می‌توان به‌عنوان یک کوپلیمر کاملاً متناوب از باقی‌مانده‌های دی‌آمین و دی‌اسید در نظر گرفت، اما اغلب به‌عنوان یک هموپلیمر با باقی‌مانده دیمری یک آمین و یک اسید به‌عنوان واحد تکرار توصیف می‌شود.
• کوپلیمرهای تناوبی با حضور بیش از دو گونه واحد مونومر مجزا که در یک توالی منظم و تکرار شونده مرتب شده‌اند، تعریف می‌شوند.
• در کوپلیمرهای آماری، باقیمانده‌های مونومر به دنبال توزیع آماری مرتب می‌شوند. یک کوپلیمر آماری که در آن احتمال مواجهه با یک باقیمانده مونومر خاص در هر موقعیت معین در طول زنجیره تحت تأثیر ماهیت باقیمانده‌های مجاور قرار نمی‌گیرد، دقیقاً کوپلیمر تصادفی نامیده می‌شود. یک نمونه توضیحی کوپلیمر رشد زنجیره ای تصادفی است که از وینیل کلرید و وینیل استات تشکیل شده است.
• کوپلیمرهای بلوکی دارای توالی‌های گسترده‌ای هستند که از واحدهای مونومر مجزا تشکیل شده‌اند. پلیمرهای متشکل از دو یا سه بلوک مشتق شده از دو گونه شیمیایی مختلف (به عنوان مثال، A و B) به ترتیب به عنوان کوپلیمرهای دوبلوک و کوپلیمرهای سه بلوکی تعیین می شوند. هنگامی که یک پلیمر شامل سه بلوک است که هر کدام از یک گونه شیمیایی منحصربه‌فرد (مانند A، B و C) منشا می‌گیرند، به آن ترپلیمر سه‌بلوکی گفته می‌شود.
• کوپلیمرهای پیوندی یا پیوندی با زنجیره‌ها یا شاخه‌های جانبی مشخص می‌شوند که واحدهای تکرارشونده آن‌ها ترکیب یا پیکربندی مشخصی را در مقایسه با ستون فقرات پلیمری اصلی نشان می‌دهند. این شاخه ها معمولاً به یک ماکرومولکول زنجیره اصلی از قبل موجود اضافه می شوند.

آرایش مونومرها در امتداد ستون فقرات کوپلیمر می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد. کوپلیمری که دارای آرایش مونومر دقیقاً کنترل شده باشد، پلیمر با توالی کنترل شده نامیده می شود. کوپلیمرهای متناوب، دوره ای و بلوکی نمونه های ساده ای از چنین ساختارهای پلیمری کنترل شده با توالی را نشان می دهند.

تاکتیک

تاکتیک به آرایش نسبی استریوشیمیایی مراکز کایرال در واحدهای ساختاری مجاور یک ماکرومولکول اشاره دارد. این ویژگی به سه نوع اصلی طبقه بندی می شود: ایزوتاکتیک، که در آن همه جانشین ها در یک سمت قرار می گیرند. آتاکتیک که با توزیع تصادفی جانشین ها مشخص می شود. و syndiotactic، شامل قرار دادن متناوب جایگزین‌ها.

مورفولوژی

مورفولوژی

مورفولوژی پلیمر معمولاً آرایش فضایی و سازمان‌دهی ریزساختاری زنجیره‌های پلیمری را مشخص می‌کند. ویژگی‌های فیزیکی ماکروسکوپی یک پلیمر ذاتاً با فعل و انفعالات بین مولکولی بین این زنجیره‌ها مرتبط است.

• پلیمرهای آشفته: در حالت جامد خود، پلیمرهای آتاکتیک، پلیمرهای بسیار شاخه دار و کوپلیمرهای تصادفی معمولاً ساختارهای آمورف یا شیشه ای تشکیل می دهند. برعکس، در فازهای مذاب و محلول، پلیمرها اغلب از "خوشه های آماری" پویا استفاده می کنند. هنگامی که جامد می شود، ترکیبات مولکولی ثابت می شوند. قلاب شدن و درهم تنیدگی این مولکول های زنجیره ای "پیوند مکانیکی" بین آنها برقرار می کند. هر دو نیروی جاذبه بین مولکولی و درون مولکولی در مناطقی که بخش‌های مولکولی به مجاورت کافی دست می‌یابند، محلی می‌شوند. بی نظمی ذاتی این ساختارهای مولکولی مانع از آرایش فشرده تر می شود.

• پلیمرهای خطی که دارای ساختار تناوبی، حداقل انشعاب، و منظم بودن (به عنوان مثال، غیر آتاکتیک) هستند، یک معماری نیمه کریستالی را در حالت جامد نشان می دهند. در نواحی کریستالی پلیمرهای ساده، مانند پلی اتیلن، زنجیره‌ها یک ترکیب زیگزاگی دارند. ترکیبات زیگزاگ متعدد به هم می پیوندند و دانه های زنجیره ای متراکم به نام کریستالیت ها یا لاملا را تشکیل می دهند. این تیغه ها به طور قابل توجهی نازک تر از طول کلی پلیمر هستند و اغلب تقریباً 10 نانومتر اندازه گیری می شوند. شکل گیری آنها از چین خوردگی کم و بیش منظم یک یا چند زنجیره مولکولی ناشی می شود. مناطق آمورف بین لاملاها پراکنده شده اند. مولکول‌های منفرد می‌توانند درهم تنیدگی بین تیغه‌ها را القا کنند و همچنین ممکن است در تشکیل لاملاهای متعدد شرکت کنند، که در این صورت به آنها مولکول‌های پیوندی می‌گویند. مجموعه‌ای از لاملا متعاقباً ساختاری به نام اسفرولیت را تشکیل می‌دهند که قطر آن معمولاً از 0.05 تا 1 میلی‌متر متغیر است.

ماهیت و آرایش فضایی باقیمانده های عملکردی در واحدهای تکرار شونده به طور قابل توجهی بر کریستالی و استحکام پیوندهای ظرفیت ثانویه تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، در پلی پروپیلن ایزوتاکتیک، مولکول ها یک پیکربندی مارپیچ را اتخاذ می کنند. مشابه ساختار زیگزاگ، این مارپیچ ها بسته بندی متراکم زنجیره را تسهیل می کنند. همانطور که در p-aramid مشاهده شد، برهمکنش‌های بین مولکولی فوق‌العاده قوی زمانی ایجاد می‌شوند که بقایای واحدهای تکراری تشکیل پیوند هیدروژنی را ممکن می‌سازد. توسعه انجمن های درون مولکولی قوی می تواند حالت های تاخورده مختلفی را برای زنجیره های خطی منفرد ایجاد کند، که هر کدام با توپولوژی مدار منحصر به فرد مشخص می شوند. هم بلورینگی و هم روبنا به طور ثابت به شرایط خاصی که تحت آن تشکیل می شوند بستگی دارند. معماری های نیمه کریستالی نسبت به ساختارهای آمورف، سختی، چگالی، دمای ذوب و مقاومت کلی را به پلیمر می دهند.

• پلیمرهای متقاطع: پلیمرهای با پیوند عرضی گسترده به عنوان الاستومر طبقه بندی می شوند و قادر به ذوب نیستند و آنها را از ترموپلاستیک ها متمایز می کند. حرارت دادن این پلیمرها تنها منجر به تجزیه می شود. در مقابل، الاستومرهای ترموپلاستیک به طور برگشت پذیر "از نظر فیزیکی به هم متصل می شوند" و می توانند ذوب شوند. یک نوع قابل توجه الاستومر ترموپلاستیک شامل کوپلیمرهای بلوکی است که در آن بخش پلیمری سخت تمایل به کریستال شدن دارد، در حالی که یک بخش نرم ساختار بی شکل را حفظ می کند. در این مواد، بخش‌های سخت، اتصال عرضی فیزیکی وسیع و گسترده را فراهم می‌کنند.

کریستالینیت

زمانی که برای پلیمرها به کار می رود، اصطلاح کریستالی دارای تعبیر متفاوتی است. در موارد خاص، اصطلاح کریستالی به طور یکسان با استفاده از آن در کریستالوگرافی معمولی به کار می رود. به عنوان مثال، ساختار یک پروتئین یا پلی نوکلئوتید کریستالی، مانند نمونه ای که برای کریستالوگرافی اشعه ایکس تهیه شده است، می تواند با یک سلول واحد معمولی متشکل از یک یا چند مولکول پلیمر، با ابعاد سلولی اغلب بیش از صدها آنگستروم مشخص شود. یک پلیمر مصنوعی ممکن است به‌طور غیررسمی به‌عنوان کریستالی شناخته شود، اگر دارای نظم اتمی سه‌بعدی موضعی باشد، متمایز از مقیاس‌های ماکرومولکولی، که معمولاً ناشی از چین‌خوردگی درون مولکولی یا انباشته شدن زنجیره‌های پلیمری مجاور است. پلیمرهای مصنوعی اغلب شامل هر دو حوزه کریستالی و آمورف هستند. سطح بلورینگی را می توان به عنوان کسر وزنی یا حجمی جزء کریستالی تعیین کرد. بلورینگی کامل به ندرت در پلیمرهای مصنوعی مشاهده می شود. تبلور پلیمرها با درجه بلورینگی آنها تعیین می شود که از صفر برای یک پلیمر کاملا بی شکل تا یک برای یک پلیمر فرضی کاملاً کریستالی است. پلیمرهایی که نواحی ریز کریستالی را نشان می دهند، معمولاً چقرمگی افزایش یافته (مقاومت بیشتر در برابر خمش بدون شکست) و مقاومت در برابر ضربه بالاتر را در مقایسه با همتایان کاملاً بی شکل نشان می دهند. پلیمرهایی با درجه بلورینگی نزدیک به صفر یا یک عموماً شفاف به نظر می‌رسند، در حالی که پلیمرهایی با سطح بلورینگی متوسط ​​اغلب به دلیل پراکندگی نور از حوزه‌های کریستالی یا شیشه‌ای، مات هستند. علاوه بر این، برای پلیمرهای متعدد، کریستالی بودن می‌تواند با کاهش شفافیت مرتبط باشد.

تشکیل زنجیره

وسعت فضایی یک مولکول پلیمری معمولاً با شعاع چرخش آن مشخص می‌شود، که نشان‌دهنده فاصله متوسط ​​از مرکز جرم زنجیره تا بخش‌های تشکیل‌دهنده آن است. متناوباً، این اشغال فضایی را می توان با حجم فراگیر توصیف کرد، که منطقه ای را که توسط زنجیره پلیمری طی می شود را در بر می گیرد و متناسب با مکعب شعاع چرخش مقیاس می شود. زنجیره‌های ایده‌آل اساسی‌ترین مدل‌های نظری برای پلیمرها را در حالت مذاب و بی‌شکلشان تشکیل می‌دهند.

خواص

خواص پلیمر به ساختار مولکولی آنها بستگی دارد و بر اساس اصول فیزیکی زیربنایی آنها به طبقات طبقه بندی می شوند. ویژگی های فیزیکی و شیمیایی متعددی رفتار پلیمر را به عنوان یک ماده ماکروسکوپی پیوسته مشخص می کند. اینها از نظر ترمودینامیکی به عنوان خواص حجیم یا فشرده طبقه بندی می شوند.

خواص مکانیکی

خواص توده ای پلیمرها اغلب برای کاربردهای نهایی آنها مورد توجه است. این ویژگی ها بر رفتار ماکروسکوپی پلیمر حاکم است.

استحکام کششی

استحکام کششی ظرفیت یک ماده برای مقاومت در برابر تنش طویل شدن قبل از شکست مکانیکی را کمیت می‌دهد. این ویژگی برای کاربردهایی که نیاز به استحکام فیزیکی ذاتی یا دوام پلیمر دارند، بسیار مهم است. به عنوان مثال، یک نوار لاستیکی که دارای استحکام کششی بالاتری است می تواند بار بیشتری را قبل از شکست تحمل کند. به طور کلی، استحکام کششی با افزایش طول زنجیره پلیمری و افزایش اتصال عرضی بین زنجیره‌های پلیمری افزایش می‌یابد.

مدول الاستیسیته یانگ

مدول یانگ برای تعیین کمیت خواص کشسانی یک پلیمر است. برای کرنش های کوچک، به عنوان نسبت تنش به کرنش تعریف می شود. مشابه استحکام کششی، این پارامتر در کاربردهای پلیمری که از ویژگی‌های فیزیکی آن‌ها استفاده می‌کنند، مانند نوارهای لاستیکی، اهمیت زیادی دارد. مدول وابستگی شدیدی به دما نشان می دهد. ویسکوالاستیسیته یک پاسخ الاستیک پیچیده و وابسته به زمان را مشخص می کند که به صورت پسماند در منحنی تنش-کرنش پس از حذف بار اعمال شده ظاهر می شود. تحلیل مکانیکی دینامیکی (DMA) این مدول پیچیده را با اعمال یک بار نوسانی و نظارت بر کرنش حاصل به عنوان تابعی از زمان کمیت می‌کند.

ویژگی های حمل و نقل

ویژگی‌های انتقال، از جمله نفوذپذیری، سرعت نفوذ مولکول‌ها را از طریق یک ماتریس پلیمری مشخص می‌کند. این ویژگی‌ها در کاربردهای پلیمری متعدد، به‌ویژه برای فیلم‌ها و غشاها بسیار مهم هستند.

حرکت تک تک ماکرومولکول‌ها از طریق فرآیندی به نام reptation انجام می‌شود، که در آن هر مولکول زنجیره‌ای توسط درهم‌تنیدگی با زنجیره‌های مجاور محدود می‌شود و حرکت آن را در یک لوله فرضی وادار می‌کند. نظریه reptation یک چارچوب توضیحی برای دینامیک مولکول پلیمر و رفتار ویسکوالاستیک ارائه می دهد.

رفتار فاز

کریستالیزاسیون و ذوب

معماری شیمیایی پلیمرها طبقه بندی آنها را به عنوان نیمه کریستالی یا بی شکل تعیین می کند. پلیمرهای نیمه کریستالی قابلیت تبلور و تبلور ذوب را دارند که این ویژگی در پلیمرهای آمورف وجود ندارد. در پلیمرها، تبلور و ذوب، بر خلاف آنچه در آب یا سایر سیالات مولکولی مشاهده می شود، بیانگر تبدیل فاز جامد- مایع نیستند. در عوض، این اصطلاحات انتقال فاز بین دو حالت جامد متمایز (یعنی، نیمه کریستالی و بی شکل) را توصیف می کنند. این فرآیند تبلور بالاتر از دمای انتقال شیشه ای (T_g) اما در زیر دمای ذوب (T_m) ظاهر می شود.

گذر شیشه ای

پلیمرهای آمورف و نیمه کریستالی هر دو انتقال شیشه ای را نشان می دهند. دمای انتقال شیشه ای (T_g) یک ویژگی فیزیکی حیاتی را نشان می دهد که بر ساخت، پردازش و کاربرد پلیمر تأثیر می گذارد. در دماهای زیر T_g، تحرک مولکولی محدود می‌شود و پلیمرها را شکننده می‌کند و حالت شیشه‌ای را نشان می‌دهد. برعکس، در بالای T_g، حرکات مولکولی فعال می شوند و در نتیجه پلیمرهایی لاستیکی و چسبناک به وجود می آیند. این دما را می‌توان از طریق تغییرات در چگالی انشعاب یا اتصال عرضی پلیمر یا با ترکیب نرم‌کننده‌ها دستکاری کرد.

در حالی که تبلور و ذوب به عنوان انتقال فاز درجه اول طبقه‌بندی می‌شوند، انتقال شیشه در این دسته قرار نمی‌گیرد. اگرچه انتقال شیشه ای ویژگی هایی را نشان می دهد که یادآور انتقال فاز مرتبه دوم است، مانند ناپیوستگی در ظرفیت گرمایی (همانطور که در شکل همراه نشان داده شده است)، معمولاً به عنوان یک انتقال ترمودینامیکی بین حالت های تعادل در نظر گرفته نمی شود.

رفتار ترکیبی

مخلوط‌های پلیمری معمولاً در مقایسه با مخلوط‌هایی که از مواد مولکولی کوچک تشکیل شده‌اند، امتزاج پذیری کمتری از خود نشان می‌دهند. این پدیده به این دلیل به وجود می آید که انگیزه ترمودینامیکی اولیه برای اختلاط معمولاً آنتروپی است نه انرژی برهمکنش. به طور خاص، مواد قابل امتزاج معمولاً محلول‌هایی را تشکیل می‌دهند که نه به دلیل برهمکنش‌های متقابل مطلوب‌تر از برهم‌کنش‌های خود، بلکه به دلیل افزایش آنتروپی، که در نتیجه بر انرژی آزاد مرتبط با حجم منبسط شده در دسترس برای هر جزء تأثیر می‌گذارد. این افزایش آنتروپیک به طور مستقیم با تعداد ذرات (یا مول) درگیر در مخلوط متناسب است. با توجه به اینکه مولکول های پلیمری به طور قابل توجهی بزرگتر هستند و معمولاً دارای حجم ویژه به طور قابل توجهی بالاتری نسبت به مولکول های کوچک هستند، تعداد مولکولی در یک مخلوط پلیمری به طور قابل توجهی کمتر از یک مخلوط مولکولی کوچک با حجم معادل است. برعکس، سهم انرژی در اختلاط بر اساس حجم برای هر دو سیستم پلیمری و مولکولی کوچک قابل مقایسه است. این نابرابری انرژی آزاد اختلاط را برای محلول های پلیمری افزایش می دهد، در نتیجه حلالیت را مطلوب تر می کند و محلول های پلیمری غلیظ را به طور قابل توجهی کمتر از همتایان مولکولی کوچک خود متداول می کند.

علاوه بر این، رفتار فاز مشاهده شده در محلول ها و مخلوط های پلیمری، پیچیدگی بیشتری را در مقایسه با مخلوط های مول کوچک نشان می دهد. در حالی که اکثر محلول‌های مولکولی کوچک تنها یک انتقال فاز دمای محلول بحرانی بالا (UCST) را نشان می‌دهند که با جداسازی فاز پس از خنک‌سازی مشخص می‌شود، مخلوط‌های پلیمری اغلب انتقال فاز دمای محلول بحرانی (LCST) پایین‌تری را نشان می‌دهند، جایی که جداسازی فاز با گرمایش القا می‌شود.

در داخل محلول‌های رقیق، ویژگی‌های بین پلیمری که محلول‌های رقیق هستند، مشخص می‌شوند. خود پلیمر هنگامی که در یک حلال خوب غوطه ور می شود، زنجیره پلیمری منبسط می شود و حجم قابل توجهی را اشغال می کند. تحت این شرایط، نیروهای بین مولکولی بین حلال و زیر واحدهای مونومر پلیمر جایگزین برهمکنش های درون مولکولی می شود. برعکس، در یک حلال بد یا ضعیف، نیروهای درون مولکولی غالب می شوند که منجر به انقباض زنجیره ای می شود. در یک حلال تتا، که به عنوان حالت محلول پلیمری تعریف می شود که در آن ضریب ویروسی دوم برابر با صفر است، دافعه بین مولکولی بین پلیمر و حلال دقیقاً جاذبه درون مولکولی بین واحدهای مونومر را متعادل می کند. تحت این شرایط تتا که به آن شرایط فلوری نیز گفته می‌شود، پلیمر رفتاری از یک سیم‌پیچ تصادفی ایده‌آل را نشان می‌دهد. تبدیل بین این حالت ها انتقال سیم پیچ-گلبول نامیده می شود.

شامل نرم کننده ها

تلفیق نرم‌کننده معمولاً دمای انتقال شیشه (T_g) را کاهش می‌دهد و انعطاف‌پذیری پلیمر را افزایش می‌دهد. افزودن نرم کننده ها همچنین وابستگی دمای انتقال شیشه ای (T_g) به سرعت خنک شدن را تغییر می دهد. علاوه بر این، در صورتی که مولکول های نرم کننده تشکیل پیوند هیدروژنی را تسهیل کنند، تحرک زنجیره پلیمری را می توان اصلاح کرد. نرم کننده ها عموماً مولکول های کوچکی هستند که شباهت شیمیایی به پلیمر میزبان نشان می دهند و فضاهای بینابینی بین زنجیره های پلیمری ایجاد می کنند. این اصلاح ساختاری باعث افزایش تحرک و کاهش تعاملات بین زنجیره ای می شود. پلی وینیل کلراید (PVC) به عنوان یک تصویر برجسته از عملکرد نرم کننده عمل می کند. پلی وینیل کلرید پلاستیکی نشده (uPVC) در کاربردهایی که نیاز به استحکام و مقاومت حرارتی دارند، مانند لوله کشی، که در آن عدم وجود نرم کننده ها برای حفظ یکپارچگی ساختاری ضروری است، استفاده می شود. برعکس، PVC پلاستیکی در پوشاک برای ایجاد انعطاف پذیری استفاده می شود. نرم‌کننده‌ها همچنین در انواع خاصی از فیلم‌های چسبنده گنجانده می‌شوند تا انعطاف‌پذیری پلیمر را افزایش دهند.

خواص شیمیایی

نیروهای جاذبه بین مولکولی به طور قابل توجهی بر خواص پلیمرها تأثیر می گذارد. مولکول‌های پلیمری به دلیل طول زنجیره طولانی‌شان، برهمکنش‌های زنجیره‌ای متعددی را از خود نشان می‌دهند که تأثیر آن‌ها را بر ویژگی‌های مواد در مقایسه با برهمکنش‌های مشاهده‌شده در مولکول‌های کوچک معمولی تقویت می‌کند. وجود گروه‌های جانبی متنوع روی یک پلیمر می‌تواند تشکیل پیوندهای یونی یا هیدروژنی بین زنجیره‌های تشکیل‌دهنده آن را تسهیل کند. چنین نیروهای قوی عموماً منجر به افزایش استحکام کششی و افزایش نقاط ذوب کریستالی می شود.

نیروهای بین مولکولی در پلیمرها تحت تأثیر حضور دوقطبی در واحدهای تک مری آنها قرار می گیرند. پلیمرهای حاوی گروه های آمید یا کربونیل قادر به تشکیل پیوند هیدروژنی بین زنجیره های مجاور هستند. به طور خاص، اتم‌های هیدروژن با بار مثبت جزئی در گروه‌های N-H در یک زنجیره به شدت به اتم‌های اکسیژن با بار منفی جزئی در گروه‌های C=O در یک زنجیره مجاور جذب می‌شوند. این پیوندهای هیدروژنی قوی به استحکام کششی بالا و افزایش نقاط ذوب مشاهده شده در پلیمرهای حاوی پیوندهای اورتان یا اوره کمک می کند. برعکس، پلی استرها پیوند دوقطبی-دوقطبی را بین اتم‌های اکسیژن گروه‌های C=O و اتم‌های هیدروژن گروه‌های H-C نشان می‌دهند. با توجه به اینکه پیوند دوقطبی نسبت به پیوند هیدروژنی استحکام کمتری دارد، پلی استرها معمولاً دارای نقاط ذوب و استحکام کمتری در مقایسه با موادی مانند کولار (Twaron) هستند، اگرچه انعطاف پذیری بالایی دارند. پلیمرهای متشکل از واحدهای غیر قطبی، مانند پلی اتیلن، منحصراً از طریق نیروهای ضعیف واندروالس برهمکنش می‌کنند، در نتیجه دمای ذوب پایین‌تری نسبت به سایر انواع پلیمر از خود نشان می‌دهند.

هنگامی که پلیمری در مایعی پراکنده یا حل می‌شود، همانطور که در فرمول‌های تجاری مانند رنگ‌ها و چسب‌ها مشاهده می‌شود، رفتارهای شیمیایی و محلول‌های چسبنده و محلول‌های مولکولی آن را نشان می‌دهد. حتی می تواند خودآرایی پلیمر را در ساختارهای پیچیده القا کند. علاوه بر این، هنگامی که یک پلیمر به عنوان یک پوشش اعمال می شود، ویژگی های شیمیایی آن بر چسبندگی پوشش و برهمکنش آن با مواد خارجی حاکم است. به عنوان مثال، پوشش های پلیمری فوق آبگریز باعث مقاومت در برابر آب می شوند. در نتیجه، خواص شیمیایی یک پلیمر ملاحظات مهمی را در طراحی و توسعه مواد پلیمری جدید نشان می‌دهد.

خواص نوری

پلیمرهایی مانند PMMA و HEMA:MMA به عنوان مواد ماتریسی در محیط بهره لیزرهای رنگی حالت جامد، که به عنوان لیزرهای پلیمری رنگرزی حالت جامد نیز شناخته می‌شوند، استفاده می‌کنند. این پلیمرها کیفیت سطح برتر و شفافیت بالایی را نشان می‌دهند و تضمین می‌کنند که ویژگی‌های عملیاتی لیزر در درجه اول توسط رنگ لیزری موجود در ماتریس پلیمری تعیین می‌شود. چنین لیزرهایی که به عنوان لیزرهای آلی طبقه بندی می شوند، برای تولید پهنای خط بسیار باریک شناخته می شوند که برای کاربردهای طیف سنجی و تحلیلی سودمند است. یک پارامتر نوری مهم برای پلیمرهای به کار رفته در فناوری لیزر، تغییر وابسته به دما در ضریب شکست است که با dn/dT نشان داده می‌شود. برای پلیمرهای فوق الذکر، (dn/dT) تقریباً 1.4 × 10⁻⁴ K⁻¹ در محدوده دمایی 297 ≤ T ≤ 337 K است.

ویژگی های الکتریکی

در حالی که اکثر پلیمرهای معمولی، از جمله پلی اتیلن، به عنوان عایق الکتریکی عمل می کنند، ظهور پلیمرهایی که پیوندهای کونژوگه با π را در خود جای داده اند، ظهور نیمه هادی های متعدد مبتنی بر پلیمر را تسهیل کرده است که نمونه آن پلی تیوفن ها است. این توسعه راه های گسترده ای را برای برنامه های کاربردی در حوزه الکترونیک آلی باز کرده است.

برنامه ها

پلیمرهای مصنوعی اکنون در بخش‌های مختلف زندگی مدرن در همه جا حضور دارند و اساساً جامعه معاصر را شکل می‌دهند. پذیرش گسترده آنها ناشی از ترکیبی منحصر به فرد از خواص سودمند، از جمله چگالی کم، مقرون به صرفه بودن، عایق حرارتی و الکتریکی برتر، مقاومت در برابر خوردگی بالا، فرآیندهای تولید با انرژی کارآمد، و سهولت تبدیل به محصولات نهایی است. برای کاربردهای خاص، ویژگی‌های پلیمر را می‌توان دقیقاً از طریق ادغام با مواد دیگر، مانند مواد کامپوزیتی، تنظیم یا افزایش داد. این کاربردها مزایای قابل توجهی مانند صرفه جویی در انرژی (مانند وسایل نقلیه و هواپیماهای سبک تر، سازه های عایق حرارتی)، حفاظت از مواد غذایی و آب آشامیدنی (از طریق بسته بندی)، بهینه سازی استفاده از زمین و کاهش نیاز به کود (از طریق الیاف مصنوعی)، حفظ سایر مواد (با پوشش ها)، و حفاظت از سلامتی و ایمنی انسان را به همراه دارد.

• پلیمرها جزء لاینفک لباس، لباس ورزشی و لوازم جانبی هستند و شامل اقلامی مانند پوشاک پلی استر و پی وی سی، اسپندکس، کفش ورزشی، لباس مرطوب، توپ های مختلف (فوتبال، توپ های بیلیارد)، اسکی، اسنوبرد، راکت، چتر نجات، بادبان، چادر، و چتر می شوند.
• در فناوری‌های الکترونیکی و فوتونیکی، پلیمرها در ترانزیستورهای اثر میدان آلی (OFET)، دیودهای ساطع نور آلی (OLED)، سلول‌های خورشیدی، اجزای تلویزیون، دیسک‌های فشرده (CD)، مقاوم‌کننده‌های نوری، و کاربردهای هولوگرافیک استفاده می‌شوند.
• برای بسته بندی و ظروف، مواد پلیمری در فیلم ها، بطری ها، بسته بندی مواد غذایی و بشکه ها استفاده می شود.
• کاربردهای پلیمری در عایق بندی شامل موانع الکتریکی و حرارتی و همچنین فوم های اسپری می شود.
• در زمینه های ساختمانی و سازه ای، پلیمرها در مبلمان باغ، پنجره های پی وی سی، کفپوش ها، ترکیبات آب بندی و سیستم های لوله کشی یافت می شوند.
• پلیمرها اجزای کلیدی در رنگ‌ها، چسب‌ها و روان‌کننده‌ها هستند که به عنوان لاک، چسب، پخش‌کننده، پوشش‌های ضد گرافیتی، پوشش‌های ضد رسوب، سطوح نچسب و روان‌کننده‌های مختلف عمل می‌کنند.
• قطعات خودرو به طور گسترده ای از پلیمرها برای لاستیک ها، ضربه گیرها، شیشه جلو، برف پاک کن ها، مخازن سوخت و صندلی خودرو استفاده می کنند.
• اقلام متداول خانگی که از پلیمرها تولید می‌شوند عبارتند از سطل، وسایل آشپزخانه، و اسباب‌بازی‌ها، مانند مجموعه‌های ساختمانی و مکعب روبیک.
• کاربردهای پزشکی پلیمرها شامل کیسه‌های خون، سرنگ‌ها، دستکش‌های لاستیکی، بخیه‌های جراحی، لنزهای تماسی، پروتزها، سیستم‌هایی برای تحویل و رهاسازی کنترل‌شده دارو، و ماتریس‌هایی برای تکثیر سلولی است.
• در بهداشت شخصی و مراقبت های بهداشتی، از پلیمرها در پوشک های مبتنی بر پلیمر سوپرجاذب، مسواک ها، لوازم آرایشی، شامپوها و کاندوم ها استفاده می شود.
• برای اهداف امنیتی، پلیمرها در تجهیزات محافظ شخصی، جلیقه‌های ضد گلوله، لباس‌های فضایی و طناب‌ها ادغام می‌شوند.
• مواد پلیمری در فناوری‌های جداسازی، از جمله غشاهای مصنوعی، غشاهای سلول سوختی، سیستم‌های فیلتراسیون و رزین‌های تبادل یونی بسیار مهم هستند.
• در سیستم‌های پولی، پلیمرها در اسکناس‌ها و کارت‌های پرداخت استفاده می‌شوند.
• پلیمرها همچنین برای فناوری های چاپ سه بعدی اساسی هستند.

نامگذاری استاندارد

نامگذاری مواد پلیمری توسط چندین قرارداد کنترل می شود. بسیاری از پلیمرهای رایج، به‌ویژه آنهایی که در کالاهای مصرفی هستند، با نام‌های رایج یا بی‌اهمیت مشخص می‌شوند که به جای یک پروتکل نام‌گذاری سیستماتیک، برگرفته از استفاده تاریخی یا مقبولیت عمومی است. هم انجمن شیمی آمریکا (ACS) و هم اتحادیه بین‌المللی شیمی محض و کاربردی (IUPAC) کنوانسیون‌های نام‌گذاری استانداردی را ایجاد کرده‌اند که اگرچه مشابه هستند، اما تفاوت‌های مشخصی را نشان می‌دهند.

در هر دو سیستم نامگذاری استاندارد، نام پلیمرها برای نشان دادن مونومر(هایی) که از آن سنتز می شوند، طراحی شده اند، روشی که به نام نامگذاری مبتنی بر منبع شناخته می شود، به جای اینکه ساختار دقیق زیرواحد تکرار شونده را توضیح دهد. به عنوان مثال، پلیمر مشتق شده از آلکن اتن ساده، پلی اتن نامیده می شود و پسوند -ene را با وجود حذف پیوند دوگانه در طی واکنش پلیمریزاسیون حفظ می کند.

→

برعکس، نام‌گذاری مبتنی بر ساختار IUPAC، نام‌گذاری واحد تکراری ترجیحی را در اولویت قرار می‌دهد.

IUPAC دستورالعمل‌هایی را نیز برای مخفف نام‌های پلیمری جدید ارائه کرده است. علاوه بر این، 138 علامت اختصاری پلیمری پرکاربرد تحت ISO 1043-1 استاندارد شده اند.

شخصیت‌بندی

مشخصات پلیمری مجموعه‌ای از تکنیک‌های مورد استفاده برای تعیین ترکیب شیمیایی، توزیع وزن مولکولی و ویژگی‌های فیزیکی را در بر می‌گیرد.

• کروماتوگرافی حذف اندازه، همچنین به عنوان کروماتوگرافی نفوذ ژل شناخته می شود، که اغلب با پراکندگی نور ساکن ترکیب می شود، برای تعیین وزن مولکولی میانگین عددی، وزن مولکولی متوسط وزن، و پراکندگی پلیمرها استفاده می شود.
• روش‌های پراکندگی، از جمله پراکندگی نور ساکن و پراکندگی نوترون با زاویه کوچک، برای تعیین ابعاد (به‌ویژه، شعاع چرخش) ماکرومولکول‌ها در محلول‌ها یا حالت‌های مذاب استفاده می‌شوند. علاوه بر این، این رویکردها توصیف معماری سه بعدی پلیمرهای بلوکی جداشده از میکروفاز، میسل‌های پلیمری و مواد مشابه را تسهیل می‌کنند.
• پراکندگی پرتو ایکس با زاویه عریض که به‌عنوان پراش پرتو ایکس با زاویه باز شناخته می‌شود، برای شناسایی سازمان‌دهی کریستالی پلیمرها یا عدم وجود آن عمل می‌کند.
• روش‌های طیف‌سنجی، شامل طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه، طیف‌سنجی رامان، و طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای، برای تعیین ترکیب شیمیایی قابل استفاده هستند.
• کالریمتری اسکن تفاضلی برای توصیف ویژگی های حرارتی پلیمری از جمله دمای انتقال شیشه ای، دمای تبلور و دمای ذوب استفاده می شود. تجزیه و تحلیل مکانیکی دینامیک همچنین ابزاری برای تعیین دمای انتقال شیشه ای فراهم می کند.
• ترموگراویمتری روشی موثر برای ارزیابی پایداری حرارتی پلیمرها است.
• رئولوژی برای مشخص کردن ویژگی‌های جریان و تغییر شکل مواد استفاده می‌شود. این رشته امکان تعیین ویسکوزیته، مدول و سایر خواص رئولوژیکی مربوطه را فراهم می کند. علاوه بر این، رئولوژی اغلب به توضیح معماری مولکولی، شامل وزن مولکولی، توزیع وزن مولکولی، و شاخه‌بندی کمک می‌کند و در نتیجه به درک فرآیندپذیری پلیمر کمک می‌کند.

تخریب

تخریب پلیمر به تغییر در خواص ذاتی - مانند مقاومت کششی، رنگ، مورفولوژی یا وزن مولکولی - یک پلیمر یا محصول مشتق شده از پلیمر اشاره دارد که توسط یک یا چند عامل استرس زای محیطی، از جمله انرژی حرارتی، تابش الکترومغناطیسی، و حضور عوامل شیمیایی یا آنزیم‌های خاص، اکسیژن، ایجاد می‌شود. این تغییر در ویژگی‌ها اغلب از جدا شدن پیوندها در ستون فقرات پلیمری ناشی می‌شود، فرآیندی که بریدگی زنجیره نامیده می‌شود، که می‌تواند در انتهای زنجیره یا در مکان‌های دلخواه در طول زنجیره ظاهر شود.

در حالی که این تغییرات اغلب مضر تلقی می‌شوند، موارد خاصی مانند تخریب زیستی و بازیافت، تخریب زیست‌محیطی و بازیافت عمداً باعث تخریب تخریب می‌شوند. علاوه بر این، فرآیندهای تخریب در کاربردهای زیست پزشکی کاربرد دارند. به عنوان مثال، یک کوپلیمر شامل پلی لاکتیک اسید و پلی گلیکولیک اسید در بخیه های قابل هیدرولیز طراحی شده برای تخریب تدریجی پس از استفاده از آنها بر روی زخم استفاده می شود.

استعداد ذاتی پلیمر به تخریب بستگی به ترکیب ساختاری آن دارد. اپوکسی‌ها و زنجیره‌های پلیمری که دارای ویژگی‌های معطر هستند، آسیب‌پذیری خاصی را در برابر تخریب اشعه ماوراء بنفش (UV) نشان می‌دهند، در حالی که پلی استرها مستعد تخریب هیدرولیتیک هستند. پلیمرهایی که با یک ستون فقرات غیر اشباع مشخص می شوند از طریق ترک خوردگی ازن دچار تخریب می شوند. پلیمرهای مبتنی بر کربن عموماً در مقایسه با پلیمرهای معدنی، مانند پلی دی متیل سیلوکسان، حساسیت بیشتری نسبت به تخریب حرارتی نشان می‌دهند، که آنها را برای اکثر کاربردهای در دمای بالا کمتر مناسب می‌کند.

تجزیه پلی اتیلن عمدتاً از طریق بریدگی تصادفی انجام می‌شود، که شامل ساختار هم‌ارزش نابرابر می‌شود. با حرارت دادن بالای 450 درجه سانتی گراد، پلی اتیلن به مخلوطی از هیدروکربن ها تجزیه می شود. برعکس، بریدگی انتهای زنجیره منجر به آزادسازی مونومرها می شود، فرآیندی که به آن باز کردن زیپ یا پلیمریزاسیون می گویند. مکانیسم تخریب غالب تحت تأثیر نوع پلیمر و دما است. به طور معمول، پلیمرهایی که فاقد یا تنها یک جایگزین کوچک در واحد تکراری خود ندارند، از طریق بریدگی زنجیره تصادفی تجزیه می‌شوند.

طبقه‌بندی ضایعات پلیمری برای طرح‌های بازیافت را می‌توان از طریق استفاده از کدهای شناسایی رزین، که توسط Society of the Plastics Industry ایجاد شده است، ساده‌تر کرد.

خرابی محصول

عملکرد نادرست اجزای پلیمری حیاتی می‌تواند حوادث شدیدی را ایجاد کند، که نمونه آن آتش‌سوزی ناشی از شکستگی و خرابی خطوط سوخت پلیمری است. ترک‌خوردگی ناشی از کلر در اتصالات لوله‌کشی رزین استال و لوله‌های پلی‌بوتیلن در بسیاری از سیل‌های مهم داخلی، به‌ویژه در دهه 1990 در ایالات متحده رایج بوده است. کلر باقیمانده در منبع آب به پلیمرهای داخل سیستم لوله کشی حمله می کند، فرآیند تخریب که با اکستروژن ناکافی یا قالب گیری تزریقی قطعات تسریع می شود. شکست اتصالات استال، به طور خاص، به قالب‌گیری معیوب نسبت داده می‌شود، که باعث ایجاد ترک در امتداد رشته‌های اتصالات به دلیل تمرکز تنش موضعی می‌شود.

اکسیداسیون پلیمری در تصادفات مربوط به دستگاه‌های پزشکی دخیل است. یک مکانیسم خرابی مستند، ترک خوردگی ازن است که از بریدگی زنجیره ای ناشی می شود که گاز ازن با الاستومرهای آسیب پذیر مانند لاستیک طبیعی و لاستیک نیتریل برهمکنش می کند. این مواد حاوی پیوندهای دوگانه در واحدهای تکرار شونده خود هستند که در طی اوزونولیز حساس به شکاف هستند. در کاربردهای عملی، ترک در خطوط سوخت می تواند یکپارچگی لوله را به خطر بیندازد و منجر به نشت سوخت شود. اگر چنین ترک‌هایی در محفظه موتور رخ دهد، بنزین نشت‌شده می‌تواند توسط جرقه‌های الکتریکی مشتعل شود و به طور بالقوه باعث آتش‌سوزی شدید شود. علاوه بر این، در زمینه‌های پزشکی، تخریب پلیمر می‌تواند خواص فیزیکی و شیمیایی دستگاه‌های کاشتنی را تغییر دهد.

Nylon 66 حساسیت به هیدرولیز اسیدی را نشان می‌دهد. به عنوان مثال، یک حادثه مستند شامل شکستگی خط سوخت بود که منجر به نشت گازوئیل در جاده شد. چنین نشت گازوئیلی در جاده ها می تواند به دلیل ماهیت لغزنده ذخایر، شبیه به یخ سیاه، شرایط خطرناکی را برای وسایل نقلیه بعدی ایجاد کند. علاوه بر این، سطح جاده بتنی آسفالت می تواند آسیب ببیند زیرا سوخت دیزل آسفالتین های مواد کامپوزیت را حل می کند و در نتیجه سطح آسفالت و یکپارچگی ساختاری جاده را به خطر می اندازد.

زمینه تاریخی

پلیمرها از دوران باستان اجزای اساسی کالاهای مختلف را تشکیل می دادند. نمونه‌های تاریخی شامل استفاده از الیاف پشم (کراتین)، پنبه، و الیاف کتان (سلولز) برای پوشاک، و نی کاغذ (سلولز) برای کاغذسازی است که نشان می‌دهد چگونه تمدن‌های باستانی از مواد خام غنی از پلیمر برای تولید مصنوعات استفاده می‌کردند. شیره لاتکس حاصل از درختان «کائوچو» (لاستیک طبیعی) در قرن شانزدهم از آمریکای جنوبی به اروپا معرفی شد، قرن‌ها پس از آن که تمدن‌های اولمک، مایا و آزتک از آن برای تولید توپ‌ها، منسوجات ضدآب و ظروف استفاده کردند.

اصلاح شیمیایی پلیمرها در قرن نوزدهم آغاز شد، علیرغم عدم درک معاصر در مورد ماهیت اساسی آنها. تفاسیر اولیه رفتار پلیمر بر اساس تئوری توماس گراهام بود که بیان می‌کرد پلیمرها توده‌های کلوئیدی مولکول‌های کوچک‌تر هستند که توسط نیروهای نامشخص محدود شده‌اند.

علی‌رغم فقدان یک چارچوب نظری جامع، پتانسیل تغییرپذیر پلیمرها برای تولید مواد نوآورانه، قابل دسترس و مقرون‌به‌صرفه بود. تحقیقات پیشگام توسط Braconnot، Parkes، Ludersdorf، Hayward، و بسیاری از همکاران دیگر بر اصلاح پلیمرهای طبیعی متمرکز شد که منجر به پیشرفت‌های اساسی در این زمینه شد. این تلاش ها با کشف موادی مانند سلولوئید، گالیت، پارکزین، ریون، لاستیک ولکانیزه و متعاقباً باکلیت به اوج خود رسید. همه این مواد به سرعت در تولید صنعتی ادغام شدند و در خانواده ها به عنوان اجزای لباس (به عنوان مثال، پارچه ها، دکمه ها)، ظروف سفالی، و اجناس تزئینی رایج شدند.

در سال 1920، هرمان استودینگر رساله مهم خود را منتشر کرد، "Über Polymersitioned Polymerisation of the polymerisation of Über" با پیوندهای کووالانسی به هم پیوسته اند. اگرچه در ابتدا موضوع بحث های قابل توجهی بود، اما در نهایت فرضیه او در جامعه علمی پذیرفته شد. برای این تحقیقات پیشگامانه، استودینگر در سال 1953 جایزه نوبل را دریافت کرد.

پس از دهه 1930، پلیمرها دوره ای از گسترش قابل توجه را تجربه کردند که مشخصه آن کشف انواع جدید و ادغام سریع آنها در کاربردهای تجاری بود که اغلب جایگزین مواد مشتق شده طبیعی می شد. این پیشرفت توسط یک انگیزه اقتصادی مبتنی بر صنعت پیش می‌رفت و توسط یک جامعه دانشگاهی گسترده حفظ شد. این انجمن به سنتز مونومرهای نوآورانه از مواد خام اقتصادی‌تر، فرآیندهای پلیمریزاسیون پیشرفته، تکنیک‌های تصفیه‌شده برای توصیف پلیمرها، و بینش‌های نظری پیشرفته در علم پلیمر کمک کرد.

از سال 1953، شش جایزه نوبل برای پیشرفت در علم پلیمر، به استثنای موارد مربوط به ماکرومولکول های بیولوژیکی، اعطا شده است، که بر تأثیر عمیق آن بر علم و فناوری معاصر تأکید می کند. همانطور که لرد تاد در سال 1980 بیان کرد، "من تمایل دارم فکر کنم که توسعه پلیمریزاسیون شاید بزرگترین کاری است که شیمی انجام داده است، جایی که بیشترین تأثیر را بر زندگی روزمره داشته است."

مراجع

Cowie, J. M. G. (John McKenzie Grant) (1991). پلیمرها: شیمی و فیزیک مواد مدرن. گلاسکو: بلکی. ISBN 978-0-412-03121-2.

• کاوی، جی ام جی (جان مک کنزی گرانت) (1991). پلیمرها: شیمی و فیزیک مواد مدرن. گلاسکو: بلکی. ISBN 978-0-412-03121-2.Hall, Christopher (1989). Polymer Materials (PDF) (2nd ed.). London; New York: Macmillan. ISBN 978-0-333-46379-6.رودین، آلفرد (1982). عناصر علوم و مهندسی پلیمر. مطبوعات دانشگاهی. ISBN 978-0-12-601680-2.رایت، دیوید سی. (2001). ترک استرس محیطی پلاستیک. RAPRA. ISBN 978-1-85957-064-7.
  • لیبرتکست در شیمی پلیمر
  • Macrogalleria
  • واژه نامه اختصارات پلیمر