پليمر،كاربردهاي آن و انقلاب صنعتي

بشر با تلاش برای دستیابی به مواد جدید, با استفاده از مواد آلی (عمدتا هیدروکربنها) موجود در طبیعت به تولید مواد مصنوعی نایل شد. این مواد عمدتا شامل عنصر کربن , هیدروژن, اکسیژن, نیتروژن و گوگرد بوده و به نام مواد پلیمری معروف هستند. مواد پلیمری یا مصنوعی کاربردهای وسیعی , از جمله در ساخت وسایل خانگی , اسباب بازیها, بسته بندیها , کیف و چمدان , کفش , میز و صندلی , شلنگها و لوله های انتقال أب , مواد پوششی به عنوان رنگها برای حفاظت از خوردگی و زینتی , لاستیکهای اتومبیل و بالاخره به عنوان پلیمرهای مهندسی با استحکام بالا حتی در دماهای نسبتا بالا در ساخت اجزایی از ماشین ألات, دارند.
پلیمرها خواص فیزیکی و مکانیکی نسبتا خوب و مفیدی دارند . أنها دارای وزن مخصوص پاییین و پایداری خوب در مقابل مواد شیمیایی هستند. بعضی از أنها شفاف بوده و می توانند جایگزین شیشه ها شوند. اغلب پلیمرها عایق الکتریکی هستند. اما پلیمرهای خاصی نیز وجود دارند که تا حدودی قابلیت هدایت الکتریکی دارند .

عایق بودن پلیمرها به پیوند کووالانسی موجود بین اتمها در زنجیرهای مولکولی ارتباط دارد. اما تحقیقات انجام شده در سالهای اخیر نشان داد که امکان ایجاد خاصیت هدایت الکتریکی در امتداد محور مولکولها وجود دارد. این نوع پلیمرها اساسا از پلی استیلن تشکیل شده اند. با نفوذ دادن عناصری مانند فلزات قلیایی یا هالوژنها «فرایند دوپینگ) به زنجیرهای مولکولی پلی استیلن به ترتیب نیمه هادیهای پلیمری از نوع N و P به دست می أیند. افزودن عناصر یا دوپینگ سبب می شود که الکترونها بتوانند در امتدا د اتمهای کربن در زنجیر حرکت کنند.
تفلون از مواد پلیمری است که به دلیل ضریب اصطکاک پایینی که دارد به عنوان پوشش برای جلوگیری از چسبیدن مواد غذایی در وسایل پخت و پز استفاده می شود.

ساختار پلي مرها
اغلب پلیمرهای متداول از پلیمریزاسیون مولکولهای ساده آِلی به نام منومر به دست می أیند. برای مثال پلی اتیلن (PE) پلیمری است که از پلیمریزاسیون با افزایش (ترکیب) چندین مولکول اتیلن به دست می أید. هر مولکول اتیلن یک منومر نامیده می شود.

با ترکیب مناسبی از حرارت, فشار و کتالیزور , پیوند دوگانه بین اتمهای کربن شکسته شده و یک پیوند ساده کووالانسی جایگزین أن می شود. اکنون دو انتهای أزاد این منومر به رادیکالهای أزاد تبدیل می شود, به طوری که هر اتم کربن یک تک الکترون دارد که می تواند به رادیکالهای آزاد دیگر افزوده شود. از این رو در اتیلن دو محل ( مربوط به اتم کربن) وجود دارد که مولکول های دیگر می توانند در آنجا بدان ضمیمه شوند . این مولکول با قابلیت انجام واکنش , زیر بنای پلیمرها بوده و به (مر) یا بیشتر واحد تکراری موسوم است. واحد تکراری در طول زنجیر مولکول پلیمر به تعداد دفعات زیادی تکرارمیشود. طول متوسط پلیمر به درجه پلیمرزاسیون یا تعداد واحدهای تکراری در زنجیر مولکول پلیمر بستگی دارد. بنابراین نسبت جرم مولکولی پلیمر به جرم مولکولی واحد تکرای به عنوان (درجه پلیمریزاسیون) تعریف شده است . با بزرگتر شدن زنجیر مولکولی ( در صورتی که فقط نیروهای بین مولکولی سبب اتصال مولکولها به یکدیگر شود) مقاومت حرارتی و استحکام کششی مواد پلیمری هر دو افزایش می یابند.

به طور کلی فرایند پلیمریزاسیون می تواند به صورتهای مختلفی مانند افزایشی , مرحله ای و …. انجام گیرد.در پلیمریزاسیون افزایشی , تعدادی از واحدهای تکراری به یکدیگر اضافه شده و مولکول بزرگتری را به نام پلیمر تولید می کنند. در این نوع پلیمریزاسیون ابتدا در مرحله اول رادیکال آزاد, با دادن انرژی (حرارتی , نوری) به مولکولهای اتیلین با پیوند دوگانه و شکست پیوند دوگانه , به وجود می آید. سپس رادیکالهای آزاد با اضافه شدن به واحدهای تکراری مراکز فعالی به نام آغازگر شکل می گیرند و هر یک از این مراکز به واحدهای تکراری دیگر اضافه شده و رشد پلیمر ادامه می یابد .

از نظر تئوری درجه پلیمریزاسیون افزایشی می تواند نامحدود باشد, که در این صورت مولکول زنجیره ای بسیار طویلی از اتصال تعداد زیادی واحدهای تکراری به یکدیگر شکل می گیرد. اما عملا رشد زنجیر به صورت نامحدود صورت نمی گیرد.هر چه قدر تعداد مراکز فعال یا آغازگرهای شکل گرفته بیشتر باشد , تعداد زنجیرها زیادتر و نتیجتا طول زنجیرها کوچکتر می شود و بدین دلیل است که خواص پلیمرها تغییر می کند. البته سرعت رشد نیز در اندازه طول زنجیرها موثر است . هنگامی که واحدهای تکراری تمام و زنجیرها به یکدیگر متصل شوند, رشد خاتمه می یابد.

از دیگر روشهای پلیمریزاسیون, پلیمریزاسیون مرحله ای است که در آن منومرها با یکدیگر واکنش شیمیایی داده و پلیمرهای خطی را به وجود می اورند. در بسیاری از واکنشهای پلیمریزاسیون مرحله ای مولکول کوچکی به عنوان محصول فرعی شکل می گیرد . این نوع واکنشها گاهی پلیمریزاسیون کندنزاسیونی نیز نامیده می شوند.

سنتزي به نام پلي اتيلن
پلي اتيلن يا پلي اتن يكي از ساده ترين و ارزانترين پليمرها است. پلي اتيلن جامدي مومي و غيرفعال است. اين ماده از پليمريزاسيون اتيلن بدست مي آيد و بطور خلاصه بصورت PE نشان داده مي شود. مولكول اتيلن (C2H4) داراي يك بند دو گانه C=C است در فرايند پليمريزاسيون بند دوگانه هر يك از منومرها شكسته شده و بجاي آن پيوند ساده اي بين اتم هاي كربن مونومرها ايجاد مي شود و محصول ايجاد شده يك درشت مولكول است.

پلي اتيلن اولين بار بطور اتفاقي توسط شيميدان آلماني Hans von pechmanv سنتز شد. او در سال ۱۸۹۸ هنگام حرارت دادن دي آزومتان تركيب مومي شكل سفيدي را سنتز كرد كه بعدها پلي اتيلن نام گرفت. اولين روش سنتز صنعتي پلي اتيلن بطور تصادفي توسط ازيك ناوست و رينولرگيسون (از شيميدان هاي ICI) در ۱۹۳۳ كشف شد. اين دو دانشمند با حرارت دادن مخلوط اتيلن و بنزاهيد در فشار بالا ماده اي موم مانند بدست آوردند. علت اين واكنش وجود ناخالصي هاي اكسيژن دار در دستگاه هاي مورد استفاده توسعه داد و تحت فشار بالا پلي اتيلن را سنتز كرد كه اين روش اساسي براي توليد صنعتي LDPE در سال ۱۹۳۹ شد.

اتفاق مهم در سنتز پلي اتيلن كشف چندين كاتاليزور جديد بود كه پليمريزاسيون اتيلن را در دما و فشار ملايمتري نسبت به روشهاي ديگر امكان پذير مي كرد. اولين كاتاليزور كشف شده در اين زمينه تري اكسيد كروم بود كه در ۱۹۵۱ توس روبرت بانكس و جان هوسن در شركت فيليپس تپروليوم آنرا كشف كردند در سال ۱۹۳۵ كارل زيگلر شيميدان آلماني سيستم هاي كاتاليزور شامل هاليدهاي تيتان و تركيبات آلي آلومينيوم دار را توسعه داد.