پلیمر چیست؟
پلیمر از مولکول‌های بسیار بزرگی به نام ماکرومولکول‌ها تشکیل شده است، که آن‌ها هم از تعدادی واحدهای شیمیایی ساده‌تر به نام مونومرها تشکیل شدهاند. “پلی” به معنی چند، “مونو” به معنی یک و “Mers” به معنی قطعات یا بخش‌ها است. بنابراین پلیمرها به معنی چند قسمتی‌ها هستند و از بسیاری از مونومرها یا تک قطعات ساخته شدهاند. هنگامی که ترتیب مونومرها تغییر می‌کند، ممکن است یک پلیمر متفاوت تشکیل شود.
پلیـمرها در تشکیل پروتئین‌ها، سلولز و اسیدهای نوکلئیک در بدن موجودات زنده شرکت می‌کنند. علاوه بر این، آن‌ها پایه و اساس مواد معدنی مانند الماس، کوارتز، فلدسپار و مواد ساخته شده توسط انسان مانند بتن، شیشه، کاغذ، پلاستیک و لاستیک را تشکیل می‌دهند.
اتصال مونومرها:
مونومرها از دو طریق مختلف به هم وصل می‌شوند. در وهله اول، مونومرها مستقیماً به هم وصل می‌شوند، مانند بلوک‌های ساختمانی. این‌ها پلیـمرهای افزایشی نامیده می‌شوند. بسیاری از مونومرهای مصنوعی پلیـمرهای افزایشی را تشکیل می‌دهند.
در نوع دوم اتصال، مونومرها هنگام پیوند به یکدیگر یک مولکول آب آزاد می‌کنند. این‌ها پلیـمرهای تراکمی نامیده می‌شوند. بیشتر پلیـمرهای طبیعی پلیـمرهای تراکمی هستند، بنابراین آب یک محصول جانبی طبیعی مونومرهای پیوند دهنده است.
پلیمرهای طبیعی:
پلیـمرهای طبیعی دارای فراوانی بالایی هستند. بخش اعظم یک همبرگر از پلیـمرها تشکیل شده است. ظرف مقوایی همبرگر و دستمال استفاده شده برای تمیز کردن سس کچاپ نیز از پلیـمرها ساخته شده است. درک ساختار، خصوصیات و کاربردهای پلیـمرهای طبیعی می‌تواند به افراد کمک کند تا انتخاب‌های آگاهانه و صحیح از محیط زیست داشته باشند. برخی پلیمرهای طبیعی از یک نوع مونومر تشکیل شدهاند. با این حال، بیشتر پلیمرهای طبیعی و مصنوعی از دو یا چند نوع متفاوت از مونومرها تشکیل شدهاند. این پلیمرها به عنوان کوپلیمرها شناخته می‌شوند.
پلیمرها نقش اساسی در دنیای انسانی و طبیعی دارند. در درختان، تایرها، کیسه‌های موادغذایی، غلات صبحانه و لبا‌‌س‌های مدرسه و … کاربرد دارند. با شناخت بیشتر مردم از محیط زیست، بسیاری به دنبال راه‌هایی برای جایگزینی مصنوعات با جایگزین‌های پایدارتر هستند که پلیمرها نیز از این قاعده مستثنی نیستند.
نمونه‌های زیر از پلیمرهای طبیعی هستند:
- سلولز
- کیتین
- کربوهیدرات‌هایی مانند نشاسته و قند
- پروتئین‌های مختلف پوست و ماهیچه تا ابریشم عنکبوت و پشم، DNA RNA و کائوچو
- سلولز
متداول‌ترین پلیمر طبیعی سلولز است. سلولز از درختان و گیاهان به دست می‌آید. سلولز از زنجیره‌های طولانی گلوکزی که گیاهان هنگام فتوسنتز می‌سازند، تشکیل شده است. این پلیمرهای زنجیره‌ای سلولز، تکیه‌گاه‌های بسیار محکمی برای گیاه تشکیل می‌دهند، به همین دلیل درختان می‌توانند به اندازه کافی بلند باشند.
پلیمرهای زنجیره‌ای سلولز الیاف موجود در پنبه و شاه‌دانه را نیز تشکیل می‌دهند که می‌توان از آن‌ها برای ساختن لباس استفاده کرد. الیاف سلولزی نیز محصولات کاغذی را تولید می‌کنند. به دلیل نحوه قرار گرفتن مونومرها در کنار هم، سلولز در آب حل نمی‌شود و سلولز با داشتن این ویژگی به یک پلیمر طبیعی بسیار مفید تبدیل شده است.
- کیتین
کیتین دومین پلیمر طبیعی رایج در کره زمین است. کیتین در دیواره‌های سلولی قارچ‌ها، از جمله:
- قارچ‌های خوراکی
- اسکلت خارجی حشرات
- عنکبوت‌ها و سخت‌پوستان مانند خرچنگ‌ها و لابسترها یافت می‌شود.
تفاوت ساختار شیمیایی کیتین و سلولز فقط به دلیل تفاوت در یک مولکول در مونومر گلوکز است.
بعد از تصفیه، از کیتین در موارد زیر استفاده می‌شود:
-
- بسته‌بندی پلاستیکی مواد غذایی خوراکی، به عنوان یک غلیظ‌کننده مواد غذایی
- تمیز کردن فاضلاب‌های صنعتی
-
کربوهیدرات
کربوهیدراتها، گروه دیگری از پلیمرها هستند که مانند سلولز از گلوکز تشکیل می‌شوند. قند و نشاسته‌ها، هر دو از کربوهیدراتها تشکیل می‌شوند که به عنوان منبع غذایی برای گیاهان و حیوانات هستند. اتصال مونومرهای گلوکز در کربوهیدراتها نسبت به سلولز متفاوت است، به گونه‌ای که به جای حالت خطی، نزدیک هم جمع می‌شوند و حالت مارپیچ پیدا می‌کنند.
این جمع‌شدگی زنجیره پلیمر به این معنی است که کربوهیدراتها فضای کمتری را اشغال می‌کنند و به گیاهان اجازه می‌دهند تا موادغذایی خود را در میوه و سبزیجات مانند سیب‌زمینی و هویج ذخیره کنند. یکی از نتایج حاصل از این گونه پیوند بین مونومرها این است که باعث می‌شود کربوهیدراتها در آب حل شوند. به همین علت انسان‌ها می‌توانند کربوهیدراتها را هضم کنند اما سلولز به دلیل عدم حلالیت در آب قابلیت هضم در بدن انسان را ندارد از طرفی، انسان‌ها فاقد آنزیم سلولاز هستند که پلیمر سلولز را می‌شکند.
- پروتئین
میلیون‌ها نوع مختلف از پلیمرهای پروتئینی وجود دارد که همگی آن‌ها از مونومرهای اسیدآمینه ساخته شدهاند. اگرچه فقط 20 نوع مختلف اسیدآمینه وجود دارد، بسیاری از ترکیبات و انواع ترتیب‌های قرارگیری منجر به ایجاد طیف وسیعی از پروتئین‌ها می‌شوند. برخی از انواع مختلف پلیمرهای پروتئینی شامل:
-
- پوست
- اندام‌های بدن
- ماهیچه‌ها
- مو
- ناخن‌ها
- پرها
- سم حیوانات و خز هستند.
طیف گسترده‌ای از الیاف حیوانات، از پشم گرفته تا ابریشم، از پلیمرهای پروتئینی حاصل می‌شود. ابریشم عنکبوت، از قوی‌ترین الیاف شناخته شده است و یک پلیمر پروتئینی می‌باشد. چرم ساخته شده از پوست حیوانات، حاصل پلیمرهای پروتئین است.
- DNA و RNA
دو پلیمر اسید نوکلئیک یعنی دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) و ریبونوکلئیک اسید (RNA) از مونومر نوکلئوتید تشکیل می‌شوند. DNA حاوی کد ژنتیکی برای موجودات است و RNA اطلاعات ژنتیکی را از DNA به سیتوپلاسم می‌برد که پروتئین‌ها پس از آن ساخته می‌شوند. مانند اکثر پلیمرهای طبیعی، پلیمرهای اسید نوکلئیک پلیمرهای تراکمی هستند.
- کائوچو یا لاستیک طبیعی
لاستیک طبیعی از لاتکس (نوع خاصی از شیره) درختان کائوچو Hevea brasiliensis به دست می‌آید. در حالی که بیشتر پلیمرهای طبیعی پلیمرهای تراکمی هستند، لاستیک طبیعی یک پلیمر افزایشی است که از مونومرهای ایزوپرن تشکیل شده است. یکی دیگر از پلیمرهای ایزوپرن نام آشنا رزین می‌باشد.
- پلیمرهای مصنوعی
مزایای پلیمرهای مصنوعی یا سنتزی، پایداری و استحکام محصول می‌باشد. به عنوان مثال، لاستیک مصنوعی مانند لاستیک طبیعی دچار پوسیدگی نمی‌شود. لاستیک مصنوعی همچنین می‌تواند برای اهداف مختلف سفارشی‌سازی شود.
نمونه‌های پلیمری مصنوعی شامل:
-
- نایلون
- اپوکسی‌ها
- پلی‌اتیلن
- پلکسی‌گلاس
- پلاستوفوم (یونولیت) و… است.
اما متأسفانه، ثبات پلیمرهای مصنوعی بدان معنی است که این پلیمرها به طور طبیعی تجزیه نمی‌شوند و باعث ایجاد مشکل دفع و متعاقباً افزودن به آلودگی‌های زیست‌محیطی در سراسر جهان می‌شوند. سوزاندن در دمای بالا، پلیمرهای مصنوعی را از بین می‌برد، اما دی‌اکسید کربن و سایر مواد شیمیایی (که اغلب سمی هستند) را در جو آزاد می‌کنند.
علاوه بر این، بیشتر پلیمرهای مصنوعی از نفت که یک سوخت فسیلی تجدیدناپذیر است ساخته می‌شوند. بسیاری از هیدروکربن‌های ساده مانند اتیلن و پروپیلن با اضافه شدن یک مونومر به زنجیره می‌توانند به پلیمر تبدیل شوند. پلی اتیلن، متشکل از تکرار مونومر اتیلن است در نتیجه یک پلیمر افزایشی است. پلی‌اتیلن‌کریستالی، شفاف و گرمانرم است، یعنی زمانی که تحت گرما قرار بگیرد نرم می‌شود.
برای:
- پوشش‌ها
- بسته‌بندی‌ها
- قطعات قالب‌ریزی شده
- ساخت بطری و ظروف استفاده می‌شود.
پلی‌پروپیلن نیز کریستالی و ترموپلاستیکی است اما سخت‌تر از پلی‌اتیلن است و مولکول‌های آن ممکن است از 50.000 تا 200.000 مونومر تشکیل شده باشد. این ترکیب در صنایع نساجی و برای ساخت اشیاء قالبی استفاده می‌شود.
گروه‌های پلیمری:
پلیمرهای افزایشی دیگر شامل پلی بوتادین، پلی‌ایزوپرن و پلی‌کلروپرن است که همگی در ساخت لاستیک مصنوعی از اهمیت بالایی برخوردار هستند. برخی از پلیمرها مانند پلی‌استایرن، در دمای اتاق شفاف و همچنین گرمانرم هستند. پلی‌استایرن می‌تواند در ساخت اسباب‌بازی‌ها و سایر اشیاء پلاستیکی استفاده شود. اگر یک اتم هیدروژن در اتیلن با یک اتم کلر جایگزین شود، وینیل‌کلرید تولید می‌شود. این پلیمر به پلی وینیل کلرید (PVC) تبدیل می‌شود که یک ماده ترموپلاست، بی‌رنگ، سخت و محکم می‌باشد که می‌تواند در انواع مختلفی از اشکال از جمله فوم‌ها، رشته‌ها و الیاف ساخته شود.
پلی وینیل استات که در اثر واکنش اتیلن و اسید استیک تولید می‌شود به رزین‌های نرم و غیرشفاف، پلیمریزه می‌شود که به عنوان روکش و چسب استفاده می‌شوند. این ماده با وینیل کلرید به منظور تولید خانواده زیادی از مواد گرمانرم نیز ترکیب می‌شود. بسیاری از پلیمرهای مهمی که دارای اتم‌های اکسیژن یا نیتروژن همراه با کربن هستند، در یک زنجیره مستحکم قرار دارند.
یکی از اعضای این مواد ماکرومولکولی دارای اتم‌های اکسیژن، پلی‌استال‌ها هستند. ساده‌ترین پلی‌استال، پلی‌فرمالدئید است. از نقطه ذوب بالایی برخوردار است و در برابر سایش و نیز در حضور حلال‌ها بسیار کریستالی و مقاوم است. رزین‌استال‌ها نسبت به سایر پلاستیک‌ها بیشتر مشابه فلزات هستند و در ساخت قطعات ماشین مانند چرخ‌دنده و یاتاقان استفاده می‌شوند.
پلی استر:
یک پلیمر خطی که با تکرار گروه‌های استر در امتداد زنجیره پلیمری شناسایی می‌شود، پلی استر نام دارد. پلی استرها موادی ترموپلاستیکی (گرمانرم)، بی‌رنگ و کریستالی هستند که وزن مولکولی بالایی دارند (10.000 تا 15.000 مولکول) و در ساخت اشیاء قالب‌ریزی شده و الیافی مانند داکرون به کار می‌روند.
پلی‌آمیدهای طبیعی شامل پروتئین کازئین موجود در شیر و پروتئین زئین موجود در ذرت است که از آن پلاستیک، الیاف، چسب و روکش ساخته می‌شود. پلی آمیدهای مصنوعی مانند رزین‌های اوره-فرمالدئید ترموپلاستیکی هستند و از آن‌ها برای تولید اشیاء قالب‌ریزی شده و نیز به عنوان چسب و روکش برای پارچه و کاغذ استفاده می‌شود. همچنین رزین‌های پلی آمید تحت عنوان نایلون شناخته شده هستند که در برابر گرما و سایش مقاومند، غیرقابل اشتعال و غیرسمی هستند و می‌توانند رنگی شوند. مهم‌ترین کاربرد آن‌ها به عنوان الیاف نساجی است، اما کاربردهای دیگری نیز دارند.
-
پلیمرهای معدنی
بسیاری از پلیـمرهای معدنی نیز در طبیعت یافت می‌شوند، از جمله الماس و گرافیت. هر دو مورد از کربن تشکیل شدهاند. در الماس، اتم‌های کربن در یک شبکه سه‌بعدی با یکدیگر در ارتباط هستند که منجر به ایجاد سختی در مواد می‌شود. در گرافیت اتم‌های کربن در صفحاتی که می‌توانند به طرف یکدیگر بچرخند، با یکدیگر پیوند دارند و به عنوان روان‌کننده (لوبریکانت) و نیز در تولید مدادها به عنوان مغز مداد استفاده می‌شود.
